基于道路试验汽车载荷谱的采集与处理

刘灵芝，张冰战，牛占占

(1.安徽交通职业技术学院 汽车与机械工程系，安徽 合肥，230051；2.合肥工业大学 汽车与交通工程学院，安徽 合肥，230009)

0 前言

汽车的耐久性是汽车行业关注的重要领域。汽车的耐久性与汽车的可靠性和安全性有着直接的联系[1]。这两个评价因素影响汽车产品在市场上能否赢得消费者青睐，所以越来越多的汽车企业开始重视汽车的耐久性和可靠性研究。

从60年代开始，国内外开始根据载荷谱研究机械疲劳的问题[2]。目前，湖南大学周泽采用基于真实道路载荷谱虚拟台架试验的方法，对整车零部件进行疲劳寿命研究[3]。南京汽车集团使用六分力仪提取载荷谱，并对整车进行寿命分析和优化。Ramesh Edara等运用虚拟技术，根据多体动力学模型迭代出载荷谱，并对悬架进行疲劳寿命研究。Kumar P.Sathish等人根据虚拟迭代的载荷谱，联合惯性释放法对某客车驾驶室进行了疲劳寿命研究。

上述研究的载荷谱不是在试验场规定的工况下采集得到，对其结构进行疲劳寿命分析时存在一定的局限性。为了能够反映出汽车在规定工况下的载荷信息，本文在定远试验场，根据试验场相关规定使用六分力仪、加速度传感器和位移传感器采集整车的载荷谱，对载荷谱进行数据处理，得到合理的载荷数据。得到的载荷谱可用于台架试验和整车疲劳寿命研究，能够缩短产品的开发周期，降低开发成本，这对汽车整车的前期开发设计具有很好的参考价值和指导意义。

1 试验

1.1 试验条件

(1)装载质量

一般情况下，装载质量是生产企业规定的最大装载质量或使试验车处于生产企业规定的最大总质量状态。当试验车装载时，其所装载的东西要固定牢靠，在行驶途中不能随便晃动，也不能掉落，从而保证在整个试验过程中装载的质量不变

(2)轮胎压力

在汽车试验过程中，轮胎的压力应该在试验车规定的合理范围内，误差不超过1.0 kPa，保证汽车能够稳定行驶。

(3)气象条件

在试验时，天气应是无雨无雾，相对湿度小于95%，天气温度应该在0～40℃摄氏度范围之内，且风速不大于3 m/s。

(4)燃料及润滑油

汽车所使用的燃料应该是车辆生产企业所规定牌号和规格的燃料，同一次的试验所使用的燃料应该保证是同一批次，防止因燃料的不同影响试验的结果数据。

1.2 试验设备

车轮六分力传感器是当前载荷谱测试的必备传感器的之一，可以测量汽车轮心的三个垂向力和三个力矩，所以称其为六分力传感器，同时其也可以输出车轮旋转角度和角速度[4]。它是通过轮毂适配器和轮辋适配器固定在车轮上，传感器信号通过滑环或无线方式传递到采集器上。安装车轮六分力传感器，以获取整车激励载荷。现有4套传感器，同步采集4个车轮的轴头六分力载荷，针对6×4车型六个车轮，采取分一三轴和二三轴两次进行，该载荷可作为整车激励载荷，如图1所示。

图1 六分力仪传感器安装位置

位移传感器共6个，其中4个测量钢板弹簧位移，2个测量前减震器位移。位移传感器量程500 mm，共占用6个通道，其中减震器位移传感器安装位置如图2a所示。

加速度传感器共计18个，其中3个单向，用于测量驾驶室悬置，油箱支架，车架，悬架轴头等位置加速度，其中驾驶室加速传感器安装位置如图2b所示。

2 载荷采集

2.1 采集工况

本文中在定远试验场所做的试验根据GB/T12534《汽车道路试验方法通则》和《定远汽车试验场汽车产品可靠性试验规程》标准规定进行。本文整车载荷采集实验根据定远试验场地的实验条件，共采集九中不同路面下的载荷信息。其中工况的类型和在个工况下的操作要求如表1所示。

其中砂石路和比利时路的实际路况，如图3所示。

2.2 采集结果

根据上述的9个工况，把9个工况组成一个循环，并且在其相应的操作要求下采集了整车的载荷谱，使用N-code软件处理载荷数据，其中左后轮、钢板弹簧、驾驶室、右后轮的加速度信号如图4所示。

图2 位移传感器安装位置

表1 各工况下的操作说明

3 载荷的处理与检验

3.1 载荷处理

在整车载荷谱采集时存在外界干扰，所采集的数据存在着误差。为了得到合理可靠的载荷数据，需要把采集得到的载荷谱用滤波器的方法进行去毛刺、去噪声、滤波等处理[5]。处理后的载荷谱如图5所示。与信号数据处理之前相比，其中钢板弹簧图谱中毛刺部分处理的较为明显，其他信号无明显差异。

图3 实际路况

图4 采集得到的载荷谱

3.2 数据分析

在试验场地整车载荷的采集是一个复杂的工程，采集得到的数据受到很多因素的影响，例如：传感器的工作状态、驾驶员的操作习惯、气候环境、采集设备等。这些因素的存在会干扰采集得到数据的准确性，所以对试验数据进行必要的检查[6]。本文采用三种方法对整车载荷谱的有效性进行检查。

图5 处理后的载荷谱

第一种：在同一个部位，左右对称的位置信号是否一致，以及信号是否完整。

每轮试验后及时检查问题信号来源，发现问题后立即检修排查原因，保证测试信号的可靠性。试验车左右轮心Z向加速度信号在同一个循环下的对比，上下两个载荷曲线在相同的时间上几乎保持一致，可以看出信号采集结果合理，如图6所示。

图6 石块路前轴左右轮心Z向加速度对比

第二种：信号的幅值谱分析及频谱分析是否合理。

车在一般路面情况下行驶时，产生的振动信号幅值大小与高斯正态分布具有较高的相似度。定远试验场的路面激振频率小于80 Hz，所以试验车上信号响应频率应该与其一致。选择石块路段工况下采集得到的车架上的数据信号进行分析，其中幅值分布和频谱分布分别如图7a和图7b所示。根据图可以看出幅值分布及频谱合理有效。

第三种：通过同一工况下三圈数据进行雨流对比是否合理。

图7 车架加速度信号幅值分布和频率谱图

为保证试验测试所得信号的有效性，每种路况循环三次测量，并将每个循环所的信号进行分析对比。由于每次循环时间长度略有不同，因此从雨流计数统计和信号频域分析结果进行对比。以石块路工况下三次循环中左侧前轮Z向加速度信号进行雨流计数统计分析及频谱分析，雨流计数统计分析结果如图8所示

由雨流计数统计分析可以看出，第1、2、3次循环所得信号幅值及循环次数高度一致，验证了测试数据的有效性。经过三种方法对所采集载荷谱数的有效性据进行了检查，结果说明所采集的载荷谱是可靠有效的。

4 结论

以某商用车为研究为试验车，在定远试验场使用六分力仪、加速度传感器和位移传感器采集了整车的载荷谱。对载荷谱进行处理得到合理的载荷数据。根据三种方式对得到的载荷谱的合理性进行判断，得出载荷谱数据的有效性。得到的载荷谱用于整车结构的疲劳仿真研究，也可以为整车台架试验的载荷数据提供参考依据。

图8 三次循环的雨流计数结果图