全地形车平顺性测试系统开发与应用

余 烽,徐中明,屈 贤

(1.重庆工程职业技术学院 机械工程学院,重庆 402260; 2.重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆 400030)

全地形车在伊拉克战争中被全球广泛认知.因能在各种恶劣的路面上行驶,军用潜力巨大,很多国家的特种部队都配备了各种类型的全地形车,用于侦探、移动攻击等.另外,全地形车也用于竞技、休闲、娱乐等多个领域.

全地形车的平顺性不仅关系到军用水平,更是市场推广的核心竞争因素.目前国产全地形车主要处于仿制的状况,平顺性状况和国外产品差距较大[1-4].因此,开发适合于全地形车平顺性测试系统非常有实用价值.

借鉴ISO 2631,ISO 5349等国际标准[5-7],本研究开发了适合全地形车平顺性评价硬件测试系统,并在匹配硬件测试系统的基础上,借助德国IMC公司的FAMOS开发环境设计了软件分析系统,进而开发了完整的全地形车平顺性测试系统.

采用开发的全地形车平顺性测试系统,对多款全地形车进行了平顺性测试分析,并将评价结果和专业试车员的主观评价结果进行对比.结果表明:该测试系统能正确、快速地对全地形车平顺性进行评价,为平顺性的改进提供理论依据.

1 硬件测试系统开发

参照ISO 2631,ISO 5349等国际标准,全地形车平顺性的测量需要采集人体与全地形车接触点的振动加速度,包括手把处、座位处及脚踏处振动加速度.

1.1 硬件测试系统要求

振动加速度传感器主要根据灵敏度、响应特性、线性范围、可靠性及精确度几个方面选择[8].针对全地形车的振动特性及多次分析对比,座位处传感器应能测量中心频率为0.5～300 Hz的振动加速度,手把处和脚踏处传感器应能测量中心频率为6.3～1 000 Hz的振动加速度.

根据以上要求,座位处传感器选用美国PCB型三向压电传感器,无需单独供电,支持ICP型传感器的采集器均能对其供电.手把处选用PCB公司的ICP型三向加速度传感器,脚踏处选用PCB公司的ICP型单向加速度传感器.

采集器的选择主要从A/D分辨率、最高采样率、信噪比、量程、数据传输/存储方式等方面去考虑.根据QC/T 474—1999《客车平顺性评价指标及限值》及GB/T 4970—1996《汽车平顺性随机输人行驶试验方法》标准要求,频率范围0.1～1 000 Hz,动态范围100～166 dB,误差0.5 dB,信噪比应优于40 dB.

考虑到全地形车本身的特性,选择德国IMC便携式6通道采集器.IMC采集器需要供电,使用12 V铅酸蓄电池进行供电.因需要测量手把处、座位处两个接触点的3个方向的振动加速度信息以及脚踏处一个接触点的单个方向振动加速度信息,共需要7个数据采集通道,而单个便携式IMC采集器只有6个通道,试验时将两台便携式IMC设备并联在一起使用.IMC采集器可将试验数据实时存储到采集器的CF卡上,试验完成后可将试验数据拷贝到计算机硬盘中,用软件分析系统进行后处理.

1.2 硬件系统设计

根据ISO 2631,ISO 5349等国际标准的要求,座位处、手把处、脚踏处传感器所测量的数据均是在指定的匀速条件下测量.受试验场地和采集时间的限制,需要专业试车员来控制数据开始采集的时间,而采集器没有这一功能.利用便携式IMC采集器数字输入模块以及其内置的恒流源,再配备一个普通开关,即可设计采集外触发模块.

采集外触发模块的设计如图1所示,选用一台便携式IMC采集器的DIN_Bit01作为触发源,在DSUB-PLUG数字盒内的BIT_01端和LCOM端连接一个节点开关.然后在采集器中设置触发采集的条件.这里选择高电平时开始触发采集,即完成采集外触发模块的设计.采集结束则由采集器中设置的采集时间长短来决定.

图1 采集外触发电路图Fig.1 Circuit diagram of external triggering

2 软件分析系统设计

FAMOS是德国IMC采集器配套的编程软件,能完成数据处理分析和信号处理.为了避免数据格式的转换,采用FAMOS作为后处理软件开发平台,设计了与硬件测试系统匹配的全地形车平顺性软件分析系统.

设计软件分析系统的核心是全地形车平顺性评价方法的实现,包括时域法和频域法.

频域法进行功率谱计算时,可以采用经典谱估计和现代谱估计.这里,选择Welch法代表经典谱估计,选择AR模型法代表现代谱估计[9].

2.1 时域法实现

对记录的振动加速度时间历程a(t),通过相应

的频率加权函数的滤波网络得到振动加权加速度时间历程aw(t),计算振动加权加速度均方根值为

(1)

式中:T为振动的分析时间,要求不少于1 min.

计算手把处振动加权加速度均方根值的频率加权函数wh对应的滤波器的频响函数为

(2)

式中：s为拉谱拉斯变换中的复变量；f1，f2,f3,f4,Q1,Q2为加权系数，计算wh时取值分别为6.311,258.9,15.915,15.915,0.71,0.64.

计算座位处垂直振动加权加速度均方根值的频率加权函数wk对应的滤波器的频响函数为

(3)

式中：f1，f2,f3,f4,f5,f6，Q1,Q2,Q3为加权系数，计算Wk时取值分别为0.4,100,12.5,12.5,2.37,3.35,0.63,0.91,0.91.

计算座位处水平振动加权加速度均方根值的振动的频率加权函数wd对应的滤波器的频响函数为

(4)

式中：f1，f2,f3,f4,Q1为加权系数，计算wd时取值分别为0.4,100,2.0,2.0.

2.2 频域法实现

对记录的振动加速度时间历程a(t)进行频谱分析得到功率谱密度函数Ga(f),计算1/3倍频带振动加速度均方根谱值为

(5)

式中:ai为中心频率为fci的第i个1/3倍频带加速度均方根值,m/s2;fui,fli分别是1/3倍频带的中心频率为fci的上下限频率,Hz;Ga(f)为加速度自功率谱密度函数,m/s3.

计算单轴向振动加权加速度均方根值为

(6)

式中:wi为第i个1/3倍频带的加权系数;aw为单轴向加权加速度均方根值,m/s2.

考虑到数据处理的精度要求,采用频率法进行数据处理时,把试验数据按顺序分为12个独立样本,并且按照50%重叠进行,加汉宁窗.

以上时域法和频域法计算出了单轴向加权加速度均方根值,按照ISO 2631,ISO 5349国际标准,各轴向加权系数均为1,因此,三轴向总加权加速度均方根值为

(7)

全地形车的平顺性评价采用加权振级更利于比较,因此将加权加速度均方根值换算为加权振级,即

(8)

式中:a0为参考加速度均方根值,a0=10-6m/s2.

软件分析系统设计中,遵循模块化程序设计思想,根据系统的总体需求,软件系统的框图如图2所示.

图2 平顺性分析软件的框图Fig.2 Scheme of the analyzing software for riding comfort analysis

目前,全地形车的平顺性分析大多采用频域法,而忽略时域法[10-11].本文设计的软件分析系统包括时域法和频率法,以便更好地进行分析与评价.

3 全地形车平顺性测试系统应用

本文采用搭建的全地形车平顺性测试系统,对多款全地形车进行了平顺性分析,结合多名驾驶员的主观评价，结果表明：测试系统方便、可靠.这里仅以某款全地形车为例进行平顺性测试分析.

平顺性试验在国内某机场进行,B级路面.试验时天气晴朗,温度30 ℃左右,风速小于3 m/s,所试验的全地形车运行状况符合试验要求,专职试车员体重75 kg,满足要求.按照平顺性试验要求,车速分别为30,40,50,60和70 km/h.

考虑到软件分析系统处理精度的要求,试验时设置采样频率为2 000 Hz,采样时间为1 min,满足要求.

平顺性试验之前,采用高精度GPS对车速进行校正.试验过程中,专职试车员观察校正后的车速表,当达到指定车速后,通过设计的采集外触发开关控制数据采集,并保持稳速行驶,直至通过指定的距离.

采用开发的软件分析系统,对试验数据进行处理.由于采用时域法评价人体振动时需对峰值因子进行判断,提取了5个车速下时域法分析时的峰值因子,均小于6,评价方法可行.

该全地形车平顺性评价最终的结果如表1所示,包含时域法和频率法的评价结果.频率法中有代表经典谱估计Welch法和现代谱估计AR法的分析结果.

表1 手把、座位及脚踏振动评价结果Tab.1 Vibration evaluation results of hands,cushions and pedals

由表1可知：评价人体振动时,时域法、Welch频域法和AR频域法3种方法所计算的结果相差非常小,并且评价结果与专业试车员的主观评价一致.这表明3种方法均可用于全地形车平顺性的评价.

在实际数据处理时,发现时域法计算速度远比频率法快,推荐使用时域法计算最终评价结果.

在频率法分析全地形车平顺性时,有代表经典谱估计Welch法和现代谱估计AR法.这里以50 km/h时车速为例,给出手把处Z向采用Welch法和AR法所得到的功率谱密度图,如图3所示.

由图3可知:Welch法和AR法的功率谱密度趋势及幅值一致,但AR法比Welch法所得的曲线光滑,更易于分析频谱特性,了解全地形车的振动特性,为后期改进提供理论指导.

图3 50 km/h手把处Z向功率谱密度Fig.3 Power spectral density of Z-direction at the hand for 50 km/h

4 结论

(1) 参考ISO 2631,ISO 5349等标准,结合全地形车自身振动特性,开发了适合于全地形车平顺性评价测试硬件系统.考虑到与硬件测试系统的匹配性,在FAMOS环境下设计了软件分析系统,最终搭建了完整的全地形车平顺性测试系统,该测试系统可靠且方便.

(2) 利用搭建的全地形车振动测试系统,以某款全地形车为例,进行了平顺性评价.结果表明：时域法和频率法的定量评价结果极度吻合,都可以用于全地形车的平顺性评价.

(3) 代表经典谱估计的Welch法和现代谱估计的AR法所得到的功率谱曲线趋势一致,但AR法所得到的功率谱曲线光滑,更利于分析.

(4) 时域法计算速度快,可很快了解被测全地形车的平顺性状况,但无频域分析结果.频率法计算速度慢,保留了功率谱图,可用于全地形车平顺性的改进分析.