道路谱在车辆耐久性台架试验中的应用

向华荣,谢 飞,王万英

(1.重庆西部汽车试验场管理有限公司, 重庆 408300; 2.中国汽车工程研究院股份有限公司, 重庆 401122;3.重庆长安汽车股份有限公司, 重庆 401120)

道路谱主要用路面不平度进行表征，通常用来描述路面的起伏程度，是汽车行驶过程中受到的主要激励，它使车辆在行驶中产生行驶阻力和振动，影响车辆行驶的平顺性、操纵稳定性、零部件疲劳寿命等。因此，获取准确的道路谱信息是对车辆受激振动特性进行分析和评价的关键[1]。

本文试验的目的是为了验证道路谱作为驱动信号输入四立柱道路模拟机台架进行汽车耐久性试验的可行性。分别分析了道路谱作为驱动信号和载荷谱作为驱动信号的特点[2-4]。本次试验从两方面进行：① 让四立柱道路模拟机再现路面高程；② 路面载荷谱输入四立柱道路模拟机台架进行试验，模拟汽车道路行驶效果。

1 道路谱的测量

1.1 道路谱的测量

道路谱即路面不平度的测量方法和仪器有很多，这些仪器大致分为断面类和响应类两种。断面类仪器通常有静态纵断面测量和动态纵断面测量两类[5-8]。

本次试验采用某国家课题中开发的道路谱综合测试系统[9-12]。 该系统主要通过激光位移传感器和加速度传感器等配合测量得到道路路面的不平度曲线信号。该系统主要由激光断面仪(内置激光位移传感器、高频和低频加速度传感器)，精密陀螺仪(测量车身姿态变化信息参数)，GPS测量设备(实时测量道路的经纬海拔高等信息)，高速摄像机(测量试验路段的视频信息)，车速及距离传感器(测量试验路段的距离脉冲信息)以及一些辅助的测量设备(采集控制箱、工控机、UPS电源、磁盘阵列)组成，如图1所示。该系统采用激光传感器和垂直加速度传感器、GPS以及姿态仪等组合实时测量得到道路路面的不平度曲线信号，其中短波长信号用激光位移传感器与加速度传感器信号联合计算获得，大波长信号使用GPS与姿态仪进行数据融合获得。该系统可在正常车速的条件下对路面进行长距离快速自动检测和实时数据分析与评价。

图1 道路谱测量系统

1.2 试验样车

本次试验采用某小型普通客车作为试验采集样车，样车主要技术参数见表1。

表1 某小型普通客车的主要技术参数

1.3 道路谱的采集

本次试验的采集线路结合样车的用户使用状态、行驶路线及重庆周边的地形地貌等特点进行选取，采集了重庆附近的渝邻高速、渝遂高速的部分路段的数据作为高速公路的代表；采集了210 国道海尔路、城市道路的数据作为一般路的代表；采集了歌乐山、铁山坪附近道路的数据作为山路的代表；采集了东阳至三汇道路的数据作为乡村路的代表；采集了永川地区黄瓜山山路的数据作为山区坏路的代表。试验道路采集线路如图2所示,其中乡村坏路采集情况如图3所示。

图2 道路谱采集线路

图3 乡村坏路采集

本次在道路谱数据采集的同时采集载荷谱数据，为达到道路谱数据和载荷谱数据的同步性，两套采集系统同时采集同一路信号。本文采集车辆前后轮附近轴头的垂直加速度，为在室内台架上进行载荷谱数据的验证做准备。其中，车辆前轮轴头加速度采集装置的布置如图4所示。

图4 车辆前轮附近轴头的加速度采集装置的布置

2 道路谱台架试验

2.1 台架信号迭代方法

在进行道路谱和载荷谱台架试验时，首先对采集的原始数据进行编辑和处理，获得期望响应信号。其次，用白噪声信号通过电液伺服控制系统驱动机械液压装置，对试验系统加载，据此计算输入谱、输出谱和互谱，求得试验系统的频率响应函数。根据频率响应函数矩阵的逆与期望响应，计算生成出事道路模拟试验的初始驱动信号。最后，利用初始驱动进行台架加载。由于整个被试验系统是非线性的，而频率响应函数矩阵的测定是基于线性系统的，因此需要反复迭代修正初始驱动信号，从而得到模拟路面行驶所需要的最终驱动信号。道路模拟试验台迭代流程见图5。

2.2 道路谱数据的滤波

在进行台架迭代时，试验样车的装载质量、轮胎气压等影响样车动态特性的参数要与道路数据采集时保持一致。由于造成疲劳损伤的路面载荷一般在40 Hz以内，因此在迭代前先将道路谱迭代目标信号进行40 Hz的低通滤波，滤波前后道路谱的频谱对比如图6所示。

图5 道路模拟试验台迭代流程

图6 滤波前后道路谱频谱对比

2.3 后轮道路谱期望信号的生成

道路谱驱动试验要求试验车车轮垂向位移按照试验车道路行驶时左右车轮轮迹处路面的高程变化运动，即把测试的道路谱信号作为道路模拟机两个前轮作动器的试验期望响应信号。两个后轮作动器试验的期望响应信号根据测试的道路谱信号、试验车速和试验车轴距按式(1)生成。

xr(t)=xf(t-B/V)

(1)

式中：xf(t)、xr(t)分别为前后轮作动器试验驱动期望信号；V为试验车速；B为样车轴距。

本次试验路面采集的数据量较大，考虑车速的变化对道路谱采集的影响，台架试验选取48 s非匀速工况的乡村坏路数据作为输入。以所选取路段采集的轴头加速度为期望信号，同时测试的该段路段的道路谱信号经过处理后作为期望信号。期望信号如图7所示。

图7 乡村坏路非匀速工况期望信号

3 道路谱台架试验

以所选取路段采集的轴头加速度为期望信号，迭代出四通道台架的载荷谱驱动信号。同时测试的该段路段的道路谱信号经过处理后作为期望信号，迭代出四通道台架的道路谱驱动信号。分别使用两种驱动信号作为输入进行道路模拟试验，同时测量试验车辆响应信号，并进行比较。在台架上分别进行道路谱与载荷谱对比测试，并实时采集车辆上相同测点的加速度。台架试验的照片如图8所示。

图8 台架试验照片

图9表示乡村坏路道路谱期望信号与响应信号经7次迭代后的时域和频域对比。

图10表示乡村坏路载荷谱期望信号与响应信号经11次迭代后的时域和频域对比。

从图9可以看出，各道路谱的期望信号与响应信号在时域及频域中均高度拟合，说明利用台架能复现道路谱，且复现的精度较高。同时迭代次数少，可以利用道路谱作为迭代期望信号进行道路模拟试验。

4 试验结果

通过迭代获得驱动信号后开始进行道路台架模拟试验。图11为乡村坏路道路谱驱动信号和载荷谱驱动信号的频谱图(深色曲线为道路谱，浅色曲线为载荷谱)。从图中可以看出：低频时(一般在6 Hz以下，不同工况有所差别)载荷谱驱动信号的能量高于道路谱，高频时(一般在10 Hz以上)道路谱驱动信号的能量高于载荷谱。

图9 乡村坏路非匀速道路谱期望信号与响应信号对比(7次迭代)

图10 乡村坏路非匀速载荷谱期望信号与响应信号对比(11次迭代)

图11 乡村坏路非匀速工况台架驱动信号频谱

本文分别采用频谱分析和雨流计数对道路谱与载荷谱用于台架耐久性试验响应进行比较。图12、13为台架测试与道路测试乡村坏路各响应点的频谱图和雨流图。图12、13中：红色表示实际道路响应信号，蓝色表示用路面谱进行台架试验的响应信号，绿色表示用载荷谱进行台架试验的响应信号。

从图12、13中可以看出：用道路谱进行台架试验的加速度响应信号在低频范围内(6 ～10 Hz)能量低于道路实测信号，而在高频范围内(10 Hz以上)又高于道路实测信号。用载荷谱进行台架试验的加速度响应信号的频谱与道路实测信号一致，其雨流信息也一致。

图12 乡村坏路非匀速工况轴头加速度频谱图

图13 乡村坏路非匀速工况轴头加速度雨流图

5 结束语

本次试验研究结果表明，道路模拟试验台能良好地再现道路谱和载荷谱，可以用道路谱(托盘位移信号)作为迭代目标进行耐久性试验，且其迭代次数比载荷谱少，收敛速度比载荷谱快。可以利用道路谱作为迭代期望信号进行道路模拟汽车耐久性试验。同时也可以看出，用道路谱进行台架试验的加速度响应信号与道路实测型号有差异，可能的原因有：

1) 由于直接用道路谱进行台架试验时只保留了激光测得的高程信号，并没有考虑路型的趋势变化，这可能会造成低频部分的缺失，从而导致低频部分能量的不足。

2) 对于高频部分来说，道路谱直接加载，虽然采用低通滤波滤掉了40 Hz以上的高频信号，但是对于40 Hz以下的信号，并没有考虑轮胎的包容特性和悬架的非线性，所以造成能量偏高。

3) 未考虑车辆在行驶过程中的横向和纵向的冲击以及悬架特性的影响。

未来的研究中要将上述因素的影响作为考虑的重点。