三轴客车室内道路模拟试验研究

吴道俊

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）



三轴客车室内道路模拟试验研究

吴道俊

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

摘 要：对采集的道路载荷谱进行分析处理得到道路模拟试验的目标信号。确定了道路模拟试验系统的输入和输出的通道配置。采用白粉噪声进行系统识别。进行了道路模拟中的第一次驱动信号计算以及循环迭代，最终达到预定的模拟精度，为整车室内耐久试验奠定基础。结果表明，基于道路模拟技术，在室内复现三轴客车的路面激励工况，该方法可行、有效。

关键词：三轴；客车；道路模拟；试验；迭代

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.044

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-132-03

前言

汽车室内道路模拟试验，不受驾驶员操作误差的影响，重复性高；不受天气的影响，可以连续不断的运行试验[1]；可控性好；试验周期较短；在汽车产品开发和可靠性验证中发挥重要的作用，和道路试验相比具有独自的优势。目前，汽车道路模拟技术已得到了一定的发展和应用[2-4]，而客车产品有其质心高、质量重等特殊性，对于客车道路模拟试验领域的研究和应用较少。本文以三轴客车（一层半）为研究对象，首先进行道路载荷谱采集与处理，完成系统识别后，进行道路模拟反求迭代，最终实现在室内进行整车道路模拟试验，积累了相关的经验。

1、道路载荷谱采集与分析处理

选取三轴的、一层半、满载23吨的旅游客车，在6个车轮中心布置了6个单向加速度传感器，方向尽量竖直，尽量布置在刚性较大的位置处。此外，布置应变测点，可为监控、疲劳计算奠定基础。基于Somat eDAQ采集器，采集各类信号。

通过nCode Glyphworks进行加速度等载荷谱进行预处理，去除漂移、毛刺、偏置等异常信号，其中最重要的手段是滤波。通过加速疲劳编辑，将缩短载荷谱的时间长度，缩短试验时间。对载荷谱进行分段，起始和终止处削尖，区分路段，有利于避免过长的目标载荷谱给道路模拟带来困难。最终获取道路谱的目标信号。

2、道路模拟系统的通道选择及频率范围确定

激励通道（作动器）：左前、右前，左后1、右后1，左右2、右后2；由于车轮是整个试验车辆系统的振动输入的零部件，在道路模拟时选择测量响应为六个车轮中心加速度，测量位置及方向与路谱采集时应一致。通过原始目标载荷谱的PSD分布确定试验系统的频率范围，本文确定为0.6-30Hz。

3、道路模拟系统识别与评价

在道路模拟系统识别时，道路模拟试验台及车辆组成的道路模拟试验系统，可先视为一个线性时不变的多输入多输出系统。如图1。

图1　汽车道路模拟试验系统

进行系统识别，其原理具体如下[4]：

系统识别时，可利用白粉噪声作为激励信号。在白粉噪声生成过程中，需确定频域中拐角频率、Power和标准差等参数，然后计算并生成时域激励信号。结合经验值，本例中标准差确定为5mm，0.6-1Hz为白噪声信号，1Hz-30Hz为粉噪声，因此不仅覆盖了各个频率成分的激励，同时避免了频率较高的频段的振动过大。

图2　驱动信号--白粉噪声（WPN）

利用生成的白粉噪声驱动信号，基于电液伺服系统激励试验车辆，采集传感器测点的响应信号，通过计算获取该系统的频率响应函数，随后需进行系统识别评价以确定是否合格。系统识别的评价指标包括多重相干函数、后预估法等。多重相干函数通常要求大于0.8，此时系统识别质量较好，对于线性差的系统，则可考虑放宽到0.6。三轴客车的道路模拟试验系统的多重相干函数如图3。相干函数基本都在0.8以上，从而说明系统识别质量较好。

图3　多重相干函数

后预估法评价，即利用测量响应和所识别的系统（逆矩阵）反向计算驱动信号，如果与系统识别时的实际驱动信号相比重叠性较好，则系统识别质量较好。从图4可以看出，后预估获取的计算驱动信号与实际驱动信号在时域和频域都重叠较好，进一步说明系统识别质量较好。

图4　后预估法评价（蓝色-实际激励，绿色-后预估）

4、道路模拟迭代理论、过程与评价

由于道路模拟试验台及试验车辆系统的非线性[5]，必须通过迭代的方式，确保室内测量的响应信号逐步逼近目标信号。

首先进行第一次驱动信号计算，利用目标信号与频响函数逆矩阵求得初次驱动信号。即

式中，X0为初始驱动信号；gain为反馈系数；H为系统的频响函数；Y为目标信号。

播放驱动文件X0，激励试验系统，测量室内响应，比较传感器测得的响应信号Y1与目标信号Y，计算其误差，即

式中，Y1为播放驱动信号测量的响应信号；ΔY1为测量的响应信号与目标信号的误差。

利用上述的响应误差ΔY1及频响函数信息计算驱动信号的修正量ΔX1，从而修正驱动信号，即

式中，ΔX1为驱动信号的修正量；X1为修正后的驱动信号。

利用修正后的驱动信号再次激励系统，再一次计算测量响应信号与目标信号Y的误差，如式（3）（4），如此循环迭代下去。

道路模拟迭代精度的评价标准包括：均方根误差百分比（RMS error/RMS target），即目标信号与测量响应信号的误差均方根与目标信号均方根的比值；均方根比值（RMS measure/RMS target），即测量响应信号的均方根与目标信号的均方根的比值。如果RMS error/RMS target <10%，则为较理想的迭代效果，对于客车等重型车辆，可以适当放宽至15%。如果RMS measure/RMS target在95%和105%之间，为理想的迭代效果，对于重型车辆可以适当放宽至90%-110%。

道路模拟过程中反馈系数应根据实际收敛情况进行调整。各个通道的收敛速度尽量同步。本次三轴客车道路模拟迭代精度收敛过程如图5，其中第三步是由于设置了零反馈，故收敛较第二步没有进展。迭代完成后，最终道路模拟的效果如图6。

图5　迭代中误差缩小过程（蓝色-目标，绿色-测量）

图6　迭代后加速度响应对比（蓝色-目标，绿色-测量）

从图5、图6可以看出，测量响应信号很好地接近目标信号，达到预定的评价指标，实现了在室内复现道路实际工况。

5、注意点

由于客车整车质心较高，试验过程中需安装防护支架，防止试验车侧翻，并具备足够的强度和可靠性。

室内试验不具备实车行驶中有外界空气流动对减振器的散热作用，且由于工况剧烈客车室内耐久试验过程中减振器产热量大，容易造成减振器过热而失效。因此设计制作减振器水套工装，让冷却水循环流过水套进行充分热交换，散热效果良好。

对于稳定杆衬套、发动机衬套等橡胶件，为了模拟实车情况、尽量保持其服役寿命，可以通过风机进行散热。

6、结束语

基于道路模拟技术，在室内复现了三轴客车的路面激励，并达到良好的精度，该方法可行、有效。迭代结果将为后续整车室内耐久试验奠定了基础。

对三轴客车道路模拟试验过程中遇到的问题点进行分析解决并最终完成试验，形成了三轴客车室内道路模拟的流程，积累了相关的经验。

研究和应用了道路模拟过程中各个环节的精度评价方法，促进道路模拟试验正确、有效地进行。

参考文献

[1] Ragnar Ledesma, Leonard Jenaway, Yenkai Wang, et al.Development of Accelerated Durability Tests for Commercial Vehicle Suspension Components[C].SAE Paper 2005-01-3565.

[2] 杜永昌,管迪华.新型汽车道路模拟算法研究[J].机械工程学报.2002,38(8):41-44.

[3] 茅纪莊,曹建永.道路模拟试验中系统非线性特性的研究[J].2009,(8):14-15,45.

[4] Peijun Xu, Dan Wong, Pierre LeBlanc, et al.Road Test Simulation Technology in Light Vehicle Development and Durability Evaluation[C].SAE Paper 2005-01-0854.

[5] 江浩斌, 戴云,于林涛.基于六通道道路模拟机的重型汽车路面激励再现试验[J].汽车技术,2008(9):46-49.

Research on Indoor Road Simulation Test of Tri-axial Bus

Wu Daojun
( Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd., Fujian Xiamen 361023 )

Abstract:The target signal for road simulation is obtained after the road load spectrum is disposed.The schedule of the drive and acquisition channels is determined.Using the white pink noise signal, the system identification is finished.Then the first drive and the iteration are carried out and the expectant accuracy of simulation is achieved.The bus durability test will be realized with the drive signals.It is proved by the results that it is valid and available to replicate the road drive for tri-axial bus by the road simulation technology.

Keywords:tri-axial; bus; road simulation; test; iteration

作者简介：吴道俊，工程师，就职于厦门金龙联合汽车工业有限公司。主要从事：汽车道路载荷谱采集与分析、道路模拟与耐久试验、结构强度试验与疲劳分析。

中图分类号：U467.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-132-03