基于典型路况车身加速度提取及其影响因素分析

邹喜红，柳春林，罗 洋，刘 瑜，王瑞东，程凯华

（重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054）

试验场路面由多种不同几何特征和材料特征的路面组成，每种路面相当于车辆系统的不同输入，经过车轮-车身后得到不同的响应，这种激励方式可以考察不同车身零部件或车身结构的不同特性。

汽车载荷谱是汽车扭矩、应变与加速度等车辆信息与路面随时间变化的时域历程，是车辆实际行驶条件的综合反映。当前载荷谱主要应用于CAE验证、疲劳分析和台架试验，载荷谱作为最真实的实车信号，可以为汽车初始设计提供很好的设计参数，如何挖掘出这些信息尤为重要。

当前对于新车设计通常先采用一般经验值，经过反复的试验-试制-试验-试制过程确定最佳的参数设计，耗时长成本高。通过找到不同汽车之间的联系，从已有车辆数据为新车开发得到参考，将大幅缩短开发时间，同时为新车性能和使用载荷的选取提供依据。

1 载荷谱的采集

方案安排4台前置前驱的乘用车在试验场按规范采集试验，加速度传感器的布置点分别为车身4个车轮轮毂包上方正中间位置。剩余采集通道有驱动前桥左右半轴两个扭矩信号通道，GPS采集仪车速、经度、纬度、海拔四个信号通道，逻辑开关信号。为了监控行驶车辆状态，以变速器左右输出轴的扭矩作为转向依据，GPS作为地理位置依据，逻辑开关辅助判断典型工况时间起始点。载荷谱采集系统组建如图1。

图1 采集系统组建

系统布置主要遵循以下几条原则[6]：

（1）测试采集工况运行准确，载荷谱数据真实有效；

（2）传感器布置位置准确；

（3）粘贴布置牢靠，能够长期试验；

（4）走线安装和试验车各运动部分不发生干涉。

载荷谱试验规范包括强化路采集规范和稳态工况采集规范，其中详细规定了车辆行驶路面、路面顺序、对应路面速度、油门踏板、刹车状态，驾驶员只需要依据试验规范在规定的路面按试验规范控制速度和油门开度就能完成数据采集。试验场不同的典型路面考核车辆在不同用户用途路面的疲劳寿命和可靠性，为保证采集载荷谱数据的准确性，试验聘用3名经验丰富的司机依据规范进行。强化路采集载荷谱如图2。

2 典型路面车身加速度提取及均方根计算

2.1 车身加速度提取

试验场路面信号采集依据试验规范连续进行，依次采集强化路、综合路多个工况，采集过程不能中断。试验场路面是真实用户用途道路提取、连接、强化的面积小而工况齐全的典型路面，同时，强化路作为试验场路面的一部分，面积较小、路面集中，每段路面行驶距离短。还有一部分时域信号特征、路面起始点、路面结束点不易区分的路面，如规则长波路、不规则长波路、右侧倾斜路、住宅路ABS路等路面特征，ABS路、坑洼路A、坑洼路B、铁轨路、弹跳坑等起始点和结束点不易区分。这些部分都给时域信号提取带来困难。

本文采用GPS信号结合逻辑开关信号判断各路面区域。GPS信号包括经度、纬度、海拔和车速信号，逻辑开关能准确地分出每一种路面，缺点是不能精准地捕捉路面开始和结束的时间，但结合速度信号和试验规范后可以弥补缺陷。此次共提取各路面的车身悬置前Z方向载荷谱的比利时路、大石铺装路、振动路1、振动路2、振动路3、坑洼路A、坑洼路B、车身扭转路、卵石路、接缝路、弹跳坑、路缘冲击路、碎石路等多种时域信号，各路面信号特征示例如下图3－图5。

图2 试验场强化路采集载荷谱

图3 冲击路、坑洼路A、坑洼路B、弹跳坑、接缝路

2.2 加速度均方根值计算

路面时域载荷特征包括最大值、最小值、均值、标准差、均方根值。最大值、最小值和极值描述载荷范围，均值表现载荷分布集中趋势，标准差反映载荷谱相对平均值的偏离程度，均方根值描述激励对响应作用的有效性，均方根值越大，说明路面激励对测点作用越大。加速度均方根值能描述不同路面单位时间平均振动能量大小，可以较为直观地反映载荷谱特征。实车采集载荷信号是一种随机的有限时间间隔的信号，这样的信号总是能量有限且不为零，对于能量有限的信号为能量信号。

图4 扭转路、比利时路、大石路、卵石路

图5 碎石路、振动路1、振动路2、振动路3

实车采集离散随机信号f(x)采样N次，能量E

该段信号的平均功率

离散点均方根值的定义式

图6 车轮-车身双质量振动模型

汽车路面行驶过程的随机振动中，振动加速度去正负值的概率基本相等，因此其均值近似为零，由均值、标准差、均方根的定义式可知

结合式（7）、式（8）式得到

当以白噪声路面速度输入均方根谱计算车身加速度均方根时得到

式（3）是加速度均方根值的计算式，从式子中看出，加速度均方根值反映单位时间内载荷谱平均振动能量，能量表征试验场整条试验路对车辆载荷谱振动做功的大小，平均功率表征单位时间内路面对车辆载荷谱振动能量大小。

3 加速度影响因素分析

实际路面载荷谱与驾驶员习惯、气候、温度、路面、实际行驶速度、车辆载荷、悬置方式、测点结构等息息相关，而实际行驶速度、车辆载荷和悬置方式对路面载荷特征影响尤为明显，如根据文献[1]中的研究结果，3点悬置比4点悬置极限载荷较大，速度和载荷对载荷谱的影响根据路面输入和车身响应分析。

如图6车身和车轮的双质量振动模型，将汽车车身-车轮振动系统近似为线性系统，路面只经过1个车轮对系统输入时，振动响应的功率谱密度对路面输入的功率谱密度有如下简单关系[2，7]

其中:是车身振动加速度响应，是路面不平度速度输入。

同时车身加速度与车轮速度幅频特性用如下公式表示

式（7）和式（8）代入式（6）可得下式

车身加速度与车轮速度幅频特性由双质量系统的传递特性

其中：

其中u是汽车行驶车速，n0是路面空间频率，Gq(n0)是参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，μ为车身与车轮质量比，γ为刚度比，λ为频率比，ζ为阻尼比。

根据式（11）可以看出车身加速度均方根值与路面不平度Gq(n0)、车速u都成正比关系。Δ和λ都与车辆载荷有关，可以肯定的是均方根值也一定受车辆载荷影响，但是由于公式复杂难以分析出变化趋势。

3.1 速度对加速度均方根值影响

为了分析试验车行驶速度对加速度均方根值的影响，试验制定了汽车稳态行驶工况的方案，试验车需要以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h和60 km/h分别在同一平直的路面上匀速行驶一段距离。图7共采集了3个相同样本，截取每段匀速行驶状态下车身加速度信号并计算得到加速度均方根值，其中截取的数据长度尽可能长以使数据准确。

3个样本采集重复性较好，以各速度下的加速度均方根值的平均值拟合曲线，拟合函数为y=0.009x+0.035，确定系数为0.984。图7看出，当车速增加时，加速度均方根也随之增加，这一关系和式（11）中的变化趋势一致，拟合效果约以0.009的线性斜率随速度变化。

3.2 路面对加速度均方根值影响

试验按强化路行驶规范在多种强化路面上采集了4台车的载荷谱数据。对每辆汽车分别采集3个样本，均方根值取3个样本平均值，降低司机操作失误和其他一些偶然误差。计算得到了强化路和普通路的均方根值及其相对值。普通路是强化路连接路段的水泥辅路部分，以30 km/h速度行驶，代表最为典型和使用最多的实际行驶工况。

将各路面的有效值绘制柱状图如图8－图11，振动路2，振动路3，振动路1，冲击路，坑洼路B，卵石路，比利时路，坑洼路A，大石路，弹跳坑加速度均方根依序减小。振动路2取值0.38 g～0.56 g，振动路3取值0.35 g～0.52 g，振动路1取值0.34 g～0.43 g，冲击路取值0.24 g～0.41 g，坑洼路B取值0.25 g～0.37 g，卵石路取值0.18 g～0.31 g，比利时路取值0.17 g～0.31 g，坑洼路A取值0.19 g～0.28 g，大石路取值0.11 g～0.19 g，弹跳坑取值0.10 g～0.16 g。

表1 不同路面加速度均方根值/g

图8 车1在不同典型路面加速度均方根值

图9 车2在不同典型路面加速度均方根值

图10 车3在不同典型路面加速度均方根值

图11 车4在不同典型路面加速度均方根值

为了更好的分析和表征试验路面的加速度均方根值，以强化路面均方根值与普通路均方根值之比得到了各路面加速度均方根相对值。相对值表示试验车在典型路面以30 km/h匀速行驶时，相对普通水泥路的振动加速度均方根。

表2 不同路面加速度相对值

其代表最为典型和使用最多的实际行驶工况。典型路面加速度均方根值相对值概念的提出，根据和驾驶员使用频率最高的工况对比，可以对典型路面的振动情况进行更加直观的分析和了解。

振动路2，振动路3，振动路1，冲击路，坑洼路B、卵石路、比利时路坑洼路A，大石路，弹跳坑加速度均方根相对30 km/h行驶在普通水泥路的值同样依序减小。振动路2取值7.7～10.4，振动路3取值7.1～9.7，振动路1取值6.9～8.1，冲击路取值4.9～7.6，坑洼路B取值5.0～7.0，卵石路取值3.7～5.6，比利时路取值3.5～5.1，坑洼路A取值3.8～5.1，大石路取值2.2～3.4，弹跳坑取值2.0～3.0。

3.3 载荷对加速度均方根值的影响

为了考察载荷对加速度均方根值的影响，试验时每辆车都配重到满载工况，车1到车4试验载荷依次增加，如表3。

表3 试验车载荷信息

根据表1的均方根值、表2的均方根的相对值，结合表3的车辆载荷信息，在这几种路面上，随着载荷质量的增加，加速度均方根值减小，如图12－图14列举了振动路3、卵石路、冲击路的趋势。

图中看出，减小趋势在低载荷时候变化较小，不太明显，随着载荷的增加，趋势逐渐变大，变化明显。这种变化不是受载荷的比例变化，可能受配重方式、悬架结构、材料参数的影响，但是加速度均方根变化总与载荷成负相关关系。

图12 不同车辆在振动路3加速度均方根值

图13 不同车辆在卵石路加速度均方根值

图14 不同车辆在冲击路加速度均方根值

4 结语

通过对载荷谱测试系统的搭建，完成了4辆前置前驱乘用车在试验场强化路多种路面上的试验，试验按稳态试验和强化路试验规范进行并采集车身轮毂包加速度、半轴扭矩等其他辅助通道的载荷谱。提取各段路面数据进行统计分析后，计算了各路段加速度均方根的大小，并分析了部分因素对其的影响，为新车开发性能评价和使用载荷选取提供依据。

（1）加速度均方根和车辆行驶速度成约斜率为0.009的线性正关系。

（2）加速度均方根和路面种类相关，振动路2、振动路3、振动路1、冲击路、坑洼路B、卵石路、比利时路、坑洼路A、大石路、弹跳坑加速度均方根和相对30 km/h行驶在普通水泥路的值依次减小；提出相对值概念，并计算得到了对应的取值和相对值。

（3）加速度均方根与车身载荷成负相关，随载荷的增加而变小，这种变化在低载时变化不明显，随着载荷增加，趋势愈加明显。

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