LMS系统在整车室内台架道路模拟试验中的应用

LMS系统在整车室内台架道路模拟试验中的应用

梁映珍 周鋐 王二兵 赵静

同济大学汽车学院实验室

摘要

室内台架道路模拟试验不仅能消除气候等因素的影响，而且能有效缩短试验周期、精度高、可控性好，是汽车可靠性试验今后发展的趋势。本文以某型小轿车为例，阐述LMS测试系统在室内台架道路模拟试验前期路谱采集中的应用，同时描述LMS Tecware软件在实测路谱信号迭代前期处理方面的应用。

关键词 道路模拟道路普采集 数据分析

Application of LMS System in Road Simulation Test

Liang Yingzhen, Zhou Hong, Wang Erbing, Zhao Jing

Tongji University Automobile Lab

Abstract

Road simulation test can not only eliminate the influence of weather, road condition, but also can shorten experiment period effectively. It has high precision, good operational performance and it would become a development tendency of future vehicle reliability test. This paper takes a sedan as an example and illustrates the application of LMS system in acquisition of road spectra. Besides, this article describes the application of LMS Tecware software in road spectra signal processing before it would be used to iterate.

Keywords

Road Simulation Test Road Spectral Acquisition Data Analysis

引言

室内台架道路模拟试验是近年来在试车场试验的基础上发展起来的研究汽车整车可靠性的重要手段之一。该试验的原理为：根据引起汽车疲劳损伤的主要因素，编排汽车在试验车场行驶的路面，采集汽车在试车场行驶过程中车轮轴头的振动响应信号，通过对所采信号的编辑和加速处理，获得汽车在行驶过程中的道路谱；之后，将汽车置于室内电液伺服振动台上进行迭代，此过程将汽车看作一个未知的控制系统，先设置一个噪声信号作为驱动信号，

通过测量该噪声信号产生的响应以及计算频率响应函数识别该未知系统；然后将处理后的道路谱信号作为期望得到的响应信号，由已获知的频率响应函数反算第一次驱动信号，由于试验系统是非线性的，而上述频响函数矩阵的测定是基于系统为线性的，需要通过迭代逐渐修正初始驱动信号，从而得到模拟路面行驶所需的高精度目标驱动信号；最后，将获得的目标驱动信号作为输入，使汽车在室内进行一定时间的可靠性试验。室内汽车道路模拟试验，可以排除气候等因素的影响，大大的缩短试验周期和节约资金，并且试验的可控性好，试验结果的重复性强、精度高，因而能满足汽车开发的需要。

本文以某型新开发的小轿车为例，阐述LMS b系统在道路模拟试验过程中道路谱采集方面的应用，同时描述如何使用LMS Tecware软件对所采集的路谱进行信号处理，以获得迭代所需要的目标信号。

道路谱的采集

由于试验车最终在同济大学四自由度的电液伺服振动台上进行可靠性试验，因此路谱采集需要测量轿车四个车轮轴头的振动加速度响应信号。为保证室内道路模拟试验的有效性，额外采集车身四个塔形支座上的振动加速度信号用于后续迭代过程作参考。为方便对所采集的响应信号的剪辑和处理，设置一个麦克风记录轿车在试车场不同路面的起始和结束时间，这可保证对各通道同一路面响应信号的提取是同步的。轴头的响应信号采用丹麦BK公司生产的电荷加速度传感器进行拾取，车身的响应信号采用美国ICP公司生产的压电加速度传感器进行测量，记录声音信号所用的麦克风为德国GRAS 公司生产的ICP 压电式麦克风。数采系统为LMS公司生产的具有20个通道的SCADASⅢ SC305W 信号放大和智能采集系统并用LMS 公司的b测试系统中的Signature Testing模块测试。

由于BK的振动加速度传感器自身不带电荷放大器，需要采用LMS数采系统集成电荷放大器的对其拾取的信号进行放大，而ICP振动加速度传感器自身带有电荷放大器，因此这两种传感器测试时所用的数采模块不相同。BK传感器对应的是PQCA模块，ICP传感器对应的是PQA模块，而麦克风使用的是PQMA模块。LMS 305数采系统通过网线与b测试系统相连。将一逆变器与发动机舱的电瓶相连，当发动机启动时便可获得220V的电源，以此解决数采和测试系统的供电问题。考虑到测试过程中有些路段振动幅度比较大，因此需要对数采和逆变器作减振和固定处理。测试时，将车配以410kg的负载（包括乘员的重量），该负载与室内道路模拟试验的负载相同。采集路谱路面是根据该车型用户所经的主要路面并对该型车产生主要疲劳损伤进行编排的，本次路谱采集的路面包括蛇形卵石路、搓板路、共振路、井盖

路、坑洼路、长波路、路面接缝路、砾石路、石块路、砂石路等十余种，测试地点为湖北襄樊国家试车场。

测试前，需要在Signature Testing模块Channel Setup界面进行各通道相关参数的设置，并将事先标定好的各传感器的灵敏度输入进去，当然也可以使用该测试系统提供的在线传感器灵敏度的标定功能完成这一参数的设置。采样频率和谱线数是测试时需要设置的重要参数。由于该试验中涉及振动和声音的测量，这两种信号通常采用不同的采样率，因此使用Signature Testing Acquisition Setup界面Multiple Sample Rates功能。一般情况下道路谱的频率在50HZ以下，但为了保证信号所有能量不丢失，将振动信号的采样频率设为512HZ，而声音信号为4096Hz。

量程设置也是影响测试的一个重要参数，设置的合适与否直接关系到信号的有效性。若量程设置偏大，则信噪比较差，所测信号的有效性较差；若量程设置偏小，则信号超出量程的部分会失真，产生无效信号。因此测试时，先将各通道的量程都设为最大，在试车场待采路面上跑一圈，将这一圈内最大的幅值设为传感器的最大量程。之后，在实际测试中，对同一种路面组合至少需要测量3次以上，以此保证信号的重复性。

路谱信号处理

路谱采集完毕后，信号并不能马上进行迭代，首先需要对所测信号进行检验，包括随机性检验和平稳性检验，然后需要对其进行剪辑、组合、滤波等处理。下面主要介绍如何使用LMS Tecware软件对已检验的信号进行迭代前的各种处理。

（1） 有效信号的选择

对于相同路面组成的一个循环一般会进行多次测量，需要从中选取一组数据代表实际组合路面的道路谱进行后续的处理和迭代。为保证选取的路谱信号能有效代表实际的道路谱，首先需要检查每次测量中各个通道信号的是否存在异常。在测量中，如果传感器疏松黏贴、电线磨损、插头松接，会导致所测信号中有外来的噪声信号输入，由此使得所测信号没有代表性。图1为某次测量得到的四个车轮轴头的响应信号，很明显可以看出第三通道的信号存在明显的噪声分量，因此此次测量的信号不能代表实际道路谱进行迭代。在噪声分量检查完毕后，需要对每一测点多次测量进行幅值统计，以获得这一测点各组信号的平均值、方差、最大值、最小值等统计特性，根据统计特性可以有效的排除异常信号以及选取最佳代表信号。图2为左边前轮对某一循环9次测量的统计值，可见9次统计的平均值基本为零而方差基本相近，那么可以认为这些数据重复性较好，为有效数据。为提高精度，除第一次、第二次和