汽车通过减速带的残余抖动评价*

2022-08-09 12:22陈凡林澜春
公路与汽运 2022年3期
关键词:减速带阻尼比冲击

陈凡, 林澜春

(江门职业技术学院, 广东 江门 529030)

减速带是一种常见的道路安全装置。汽车通过减速带时所产生的冲击振动在降低车速的同时,也会降低汽车的驾乘舒适性。为使汽车在通过减速带时能达到驾驶体验与交通安全的平衡,对汽车通过减速带时的振动响应进行研究。汽车通过减速带时,减速带给车轮以瞬时冲击,冲击振动经过车轮和底盘衰减后传递到驾乘人员。不同规格的减速带会造成不同的冲击振动,影响汽车的过坎性能。底盘的结构设计和性能老化对振动的传递和衰减也有重要影响。汽车过坎性能是汽车舒适性评价的重要内容,包括客观评价和主观评价。客观评价指标包括冲击强度和残余抖动,冲击强度一般采用一段时间内加速度均方根值等进行评价,受车辆通过速度和悬架刚度的影响;残余抖动可采用振动衰减时间来评价,但该评价指标的稳定性有待进一步提升。杨万安等采用谱密度特征参数进行残余抖动评价,并利用神经网络建立了主、客观评价之间的关系,但未说明客观评价指标选取的理论依据,且频谱特征的影响因素较多。边姜等通过提取振动信号的包络,通过包络面积建立残余抖动指标,但包络面积会受到路面随机振动和冲击强度的影响。针对上述问题,该文提出采用信号能量衰减法评价汽车通过减速带时的残余抖动,并进行理论研究和试验验证。

1 算法介绍

考虑线性单自由度的振动系统的运动微分方程为:

(1)

其响应为:

(2)

式中:ξ为阻尼比;ωn为无阻尼固有频率;A为初始幅值;t为时间;φ为初始相位。

定义信号在某时刻点t0的短时能量为该点之后一段时间内的能量之和:

φ)dt

(3)

令积分时长T=1/ωn,可得:

(4)

可见,由于阻尼的存在,信号在各时刻点的短时能量随时间近似呈指数衰减。由于能量E(t)是一段时间内信号平方的积分,能减少因测量产生的误差。

根据式(4),阻尼比发生变化时,短时能量也会发生显著变化。由于能量峰值受路面、车速等因素的影响较大,能量从峰值下降80%所需时间为:

(5)

能量的衰减时间与阻尼比成反比,可用于残余抖动评价。

2 仿真分析

根据式(2),产生一个冲击响应的振动衰减信号,令其幅值A=1,无阻尼固有频率ωn=10 Hz,阻尼比ξ=0.4,初始相位φ=0,加入10%的白噪声,生成的信号见图1。

图1 冲击响应信号仿真结果

对信号进行5~70 Hz带通滤波,然后按式(4)计算信号各点的短时能量,积分时长为0.1 s,结果见图2。从图2可看出:振动冲击变化显著,峰值点之后的信号短时能量呈指数衰减,且衰减曲线平滑,随机噪声被显著抑制,便于信号特征提取。

图2 仿真信号能量随时间的变化

汽车通过减速带时的残余抖动持续时间主要由阻尼比决定。为此设置不同的阻尼比,观察信号能量的衰减时间,结果见图3。从图3可看出:随着阻尼比的增大,能量衰减时间呈减少趋势,与式(5)一致,表明能量衰减时间能用于残余抖动评价。

图3 能量衰减时间与阻尼比的关系

3 试验评价

试验场地为城市道路中常见的减速带。在驾驶员座椅导轨处布置垂直加速度传感器(见图4),信号采样频率设置为2 000 Hz。车辆以20 km/h的速度往返多次通过该减速带,测量其振动信号,采集结果见图5。从图5可看出:过坎冲击振动是一个大幅值的近似正弦信号,然后迅速衰减到较低幅值,并维持一段时间。由于车辆在路面行驶时还会产生随机振动,部分衰减信号被淹没,难以根据时域信号直接评价残余抖动。

图4 车辆通过减速带时垂直加速度的测量

图5 车辆通过减速带时的振动信号

对所采集的振动信号进行5~70 Hz带通滤波及Human Weighting权系数滤波,通过功率谱查找峰值频率点,并以此确定积分时长。如图6所示,按式(3)计算所得短时能量随时间的变化曲线较平滑,且多次试验获得的变化曲线均较接近。根据式(5),以测量信号能量从峰值衰减到其20%的时间作为残余抖动评价指标。

图6 短时能量随时间的变化

将能量衰减法与包络面积法的多次测量结果进行对比,在16次重复测量中,能量衰减法的测量值基本稳定,而包络面积法的测量结果变化较大(见图7),这可能是由于包络面积受冲击强度的影响较大。

图7 不同评价方法测量结果稳定性对比

考虑到能量衰减法的测量数值较小,为进一步比较2种方法测量结果的稳定性,对16次测量值进行统计分析。由于2种测量方法的量纲不同,比较均值和方差没有意义,以变异系数进行比较。变异系数为标准差与平均值之比,能反映不同量纲数据的离散程度。如表1所示,能量衰减法的变异系数更小,说明该方法测量结果的稳定性更好。

表1 不同评价方法测量结果的统计分析

4 结论

汽车通过减速带时产生的残余抖动可视为一个自由衰减信号,衰减过程中振动能量被减振器等迅速吸收,通过观察信号能量的变化可确定残余抖动的持续时间。对自由衰减信号进行短时能量积分,获得信号能量的变化曲线,能确定残余抖动时间。振动能量衰减法减少了信号中的随机波动,其测量结果更稳定,可用于汽车过坎残余抖动评价。

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