基于制动角加速度信号采集、处理和应用

李亭 徐长举

摘 要：室内道路模拟试验在汽车可靠性研究方面起到了越来越重要的作用。本文针对某轿车的制动角加速度试验，根据研究对象的特性和相关制动规范确定了路谱采集方案，经过对采集的路谱信号进行筛选以及加速处理，得到具有较高置信度的制动角受载加速度信号的功率谱密度曲线，经过差值简化，从频域模拟角度，确立了一种制动角室内振动试验加载谱的生成方法。

关键词：载荷谱;频域分析;道路模拟;台架试验;功率谱密度;均方根

0 引言

室内道路模拟实验由于不受天气条件制约、试验周期短、试验结果精度高、重复性和可控性好等优点，使整车开发在子系统和零部件的设计或强度缺陷能够在设计的前期就能被发现，利于提高产品研发质量和效率，减少产品设计和开发的成本。因此，道路模拟试验在汽车工程界越来越受重视。道路模拟试验技术主要是通过获取路面激励信号，并作为台架试验的驱动信号，用于激励台架试验机，进而开展车辆结构动强度和疲劳试验。道路模拟试验技术的关键是获取准确可靠的路面激励信号，即道路路面谱[1]。本文主要是基于通用某车型的制动角加速度试验，通过确定数采采集的方案，原始信号预处理，基于疲劳损伤和雨流算法的信号压缩最终得到可以用于台架试验的简化PSD曲线，确立了一种制动角室内振动试验加载谱生成的方法。

1 原始路谱信号采集

为了得到车辆制动角位置的PSD信号，满足制动系统Knockback台架试验要求，需要在车辆制动角（主要是转向节）附近区域选择恰当的位置布置合理的传感器。

传感器布置点的选择原则是[3]：

（1）采集点的信号尽可能与某一试验驱动力成线性关系而与其它试验驱动力成正交关系，即信号与其他方向信号的耦合性要低，便于迭代尽快收敛;

（2）采集点尽可能靠近监测采集点，以便监测点处的道路模拟疲劳损伤接近实际道路损伤。

根据车辆制动卡钳的工作原理，路面激励载荷通过车轮对制动角位置处所产生的振动是制动卡钳振动产生的主要因素，因而把它作为道路模拟试验中的迭代再现控制数据是保证道路模拟试验成功的关键。此次信号采集点定在卡钳振动的输入端，即在转向节靠近卡钳的平面上布置三向加速度传感器，得到每个车轮该位置处的三向（X、Y、Z）的加速度信号。其具体的布置位置照片如图1所示：

由于制动角的knockback试验的输入信号主要是车辆在粗燥路面下的加速度信号，并且信号关注的频率点主要是在12-19 Hz之间，本次实验选择上汽通用广德试验场耐久试验道路的上进行，选取的路面主要包括：常规比利时路，顺时针路，耐久环路，操稳路等路面等特征路面。

汽车在行驶过程中，路面的不平度会使车轮受到来自路面的冲击载荷。载荷通过车轮传递到制动卡钳位置，由于路面冲击主要为垂向冲击，所产生的垂向加速度振动信号要大于纵向和侧向加速度，所以本次试验主要以采集制动角在垂直方向的加速度振動信号作为迭代的主控制信号，纵向和侧向加速度信号主要是用作参考信号，不作为住控制信号使用，尽最大可能性保持路面激励的主要载荷，所采集的加速度信号时域图如图2所示。

2 时域载荷谱处理

2.1 时域载荷的预处理

由于数据采集中得到的原始信号经A/D转换后常包含着不利于分析的成分，如在采集数据时会混入各种噪声，受到其他电磁设备的干扰，测试仪器的非线性失真等，这些不必要的成分可能对最终的分析结果产生很大的影响。因此，载荷谱采集完成后，要对异值信号进行剔除，剔除异值后对载荷谱进行对应的统计分析，本文采用LMS_TaceWare软件对采集的载荷谱进行预处理，剔除异值后对载荷谱的统计结果见表1。

2.2 信号压缩处理

载荷谱的压缩处理是应用疲劳损伤等效原理，对载荷谱进行时域分析、滤波以及时间关联等编辑后，删除时域信号中损伤较小的部分。压缩后的信号与原信号相比，所产生的疲劳损伤及损伤分布基本一致，而时间历程却大大缩短。在进行疲劳损伤计算之前首先需要进行相关的计数过程，由于对构件产生疲劳损伤的因素主要是应力幅值和应力循环次数，可以将实测的随机载荷时间历程简化为一系列的全循环或半循环的过程。目前国内外在工程上最常用的相关统计的计数法是雨流计数法。相比于其他的计数方法，雨流算法具有以下几个优点[3]：①能够将载荷的统计分析和材料的疲劳特性建立起一定的联系，使人们更容易理解和接受。②雨流计数法是双参数的计数法，这种计数法既可以统计信号的趋势又不会遗失小的交变信号。③雨流计数法可以使载荷时间历程的每一部分都参加到计数过程中，并且只是参与一次计算而不会重复。④雨流计数法便于计算机处理，易于实现数据处理的自动化。

基于雨流统计的载荷谱压缩就是同步删除各通道载荷谱中损伤小的雨流计数循环，并保持各通道相位一致，以加速试验。对于本次实验的加速信号的雨流计数结果如图3所示。

2.3 功率谱密度PSD和均方根值RMS

功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值—频率值的关系曲线，功率谱密度函数表示振动能量在频域上的分布，其定义是随机分布在微小频带宽度内的均方根除以带宽[2]，即：

式中T表示频率周期;t为时间变量。

数学上，均方根（RMS）定义为功率谱密度曲线积分的二次根，表示振动所具有的总能量。RMS数值将为后面载荷通道的选择提供依据。

2.4 参考通道信号选取

本次采集的数据来自左前、右前、左后、右后四个车辆制动角的加速度信号，从理论上分析，在实验室制动台架上对四个点的加载信号应该是一致的，以此可以作为判断原始采集信号是否正确的一个依据，根据随机振动的统计特性，本次实验以各点加速度信号的功能谱密度（PSD）曲线作为研究对象，由功率谱密度函数的物理意义可知，PSD曲线下方的面积即为整个随机振动信号的均方值。能量分布情况有PSD曲线来表示，能量的大小由均方根值RMS来表示。四个点的PSD曲线图如图4所示。

从采集的试验场信号的PSD信号可以看出，信号一阶振动频率为13 Hz，符合相关规范中对于制动角12 Hz-19 Hz的考核要求，可以作为后期制动脚振动台架实验的信号。

2.5 参考通道信号压缩

根据曲线的形状，尤其是原始PSD曲线的拐点位置，从中选取几个插值点进行插值简化，插值的点尽量和原始的PSD曲线相接近，同时将原始PSD曲线的绝大部分包络进来，本次由采集信号的简化PSD曲线的插值点，绘得的插值曲线如图5所示，从而得到制动角振动加速度PSD的包络图。

由图5可以看出插值简化后的PSD曲线与原始PSD曲线的能量分布具有较高的重合度，这就意味着简化后的PSD曲线对应的信号的能量和原始信号的能量基本一致，可以用作室内道路模拟试验用的激励载荷，由于整个频域只是选取了其中特定的几个频率点，从而大大减少了实验的频域的加载次数，而只是在对应的几个频率点进行加载，从而可以有效的缩短实验时间，同时还保证了加载信号的能量与原始信号的能量却相差不大，从而保证了加载信号的有效性，提升实验的效率，起到了信号压缩的目的。

3 结束语

本文以汽车制动角作为研究对象，根据制动角的工作特性和相关试验规范要求，制定了有效的试验道路振动加速度信号的采集方案，和相关数据的处理方法，最终得到可以用于室内台架试验的简化的PSD包络曲线，应用于室内台架实验后有效的提升了相关振动实验的实验效率，本论文中对加速度信号的处理方法对以后数据的处理具有借鉴意义。

参考文献：

[1]宋勤，等.道路模擬试验载荷谱的采集、处理与应用[J].仪表技术与传感器，2011（03）：104-106.

[2]刘松林，等.基于频域模拟的汽车前大灯振动激励载荷编[J].现代制造工程，2014（11）.

[3]余卓平.道路模拟实验用载荷谱样本选择方法[J].汽车工程，2004

（03）：220-223.

[4]徐宜，等.基于雨流法的机械疲劳分析[J].车辆与动力技术，2008

（03）：11-14.

作者简介：李亭（1983-），女，河北乐亭人，硕士研究生，工程师，质量安全运营及技师发展经理，研究方向：整车试验认证。