重型车整车道路模拟试验

重型车整车道路模拟试验

中国重汽技术中心柴春正王政于林涛李文英任松茂赵洁绪辉

[摘要] 道路模拟试验是在试验室模拟路面振动最先进的试验方法之一。本文在以重型车为试验对象，完成了从道路谱采集到获取满足精度要求的最终驱动信号的整个道路模拟试验过程。采用轮耦合连接，可以有效地防止车轮跳离托盘平面，消除由此而产生的非线性环节。详细介绍了数据编辑处理的方法，采用数字滤波消除趋势项、毛刺和偏移等。通过设置合适的红白噪声参数获取精确的系统模型，总结出了频响函数FRF、紧固件松动或脱落、作动器的伺服阀性能三大影响迭代质量的因素及其解决措施。

主题词：整车道路模拟，作动器，轮耦合连接，系统识别，迭代

引言

普通公路试验虽能真实反映汽车的实际使用状况，但需要消耗大量的人力和物力，而且试验周期长，试验条件很难控制。为此，人们修建了集中各种苛刻路面的汽车试验场。汽车试验场虽能在一定程度上节约了时间，加速了试验的进程，但仍不能满足日益发展的汽车工业的需要。随着液压伺服设备和数字式程序控制器的产生，人们逐步建立了汽车室内道路模拟试验的方法。

汽车室内道路模拟试验运用的是RPC (Remote Parameter Control) 远程参数控制技术，其原理是将汽车近似看作一个控制系统，将车辆在室外道路行驶时的原始响应信号作为室内模拟试验所需要的期望信号，然后计算系统的频率响应函数，由此求得模拟试验的初始驱动信号；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最终驱动信号。

本文在国内首次以重型车为试验对象，在安徽定远国家汽车试验场进行信号采集，对信号进行编辑、识别和迭代，尝试将前人在轿车、轻型车上的经验和方法移植到重型车上，全面分析重型车在道路模拟方面的特点。具体工作涉及载荷谱的采集、轮胎耦合连接、道路谱的加速处理、系统识别和目标仿真。

1载荷谱的采集

我们去安徽定远国家汽车试验场进行载荷谱的采集，试验车辆为6×4牵引头重型载货车，该试验车辆经过2000公里磨合，试验状况良好，满载工况。试验路段为上坡、下

坡、连接沥青、连接石块、扭曲、碎石、卵石、搓板、沥青病害、高速环路和蛇形路等。试验前，我们检查减振器、汽车钢板弹簧限位块和轮胎的气压，确保它们处于正常的状态。按照设计的装载要求，货箱装载13吨的配重块，并摆放均匀。驾驶室副座由测量仪器和采谱人员模拟乘员重量，行驶时车辆保持恒速，配重块之间及配重块与货箱之间无撞击现象。

选取的迭代控制点应对路面不平度比较敏感，这样有利于提高信号的信噪比，同时还应靠近振动台上的作动器位置，将来有利于再现道路模拟试验。为此，加速度传感器应尽可能安装在车桥上靠近车轮的位置。考虑到车桥结构的复杂和可用空间的限制，对6个加速度模拟控制点的布置分别是中、后桥左右侧板簧座下正中位置，前桥上方左右侧板簧座夹紧螺栓外侧，这是前桥靠车轮最近的平整位置。另一方面，我们从大量的桥壳疲劳试验来看，前、后桥的板簧座处是最容易发生断裂的部位。采集信号过程中，要注意防止出现加速度传感器超出量程的现象，所以必须固定好传感器和信号线，将其所受干扰降至最低。传感器或信号线出现问题，往往会导致信号失真，比如本应是高频的加速度峰值却错误地出现在低频的位置。

图1前桥左加速度传感器位置图2中桥右加速度传感器位置采集到加速度信号之后，我们当即检查各个通道的一致性和信号是否有奇异值，然后对加速度信号进行两次积分，求得位移信号。如果位移信号多处存在突变，意味着未来的道路模拟试验中作动器将无法响应这类失真信号。因此，需要就地重新采集，每种路段尽可能多采集几次。我们的数采设备是比利时LMS公司的数据采集与分析系统，使用的软件是谱采集、通程验证和处理平台，可用于采集分析应变和加速度信号。加速度传感器有ICP（内置电荷放大转换器式加速度传感器）和非ICP两种。我们采用的是ICP方式，即加速度传感器是依靠集成在本体内的电荷放大转换器把质量块振动时冲击压电晶体产生的微小电荷量放大并转换成电压输送到信号调理和数据采集系统中。电压量不易受导线的电容和阻抗等因素的影响，因此在1000Hz以下时导线长度可长达30～50米，这对车体较长的重型车布置信号线是相当方便的。

2 轮胎耦合连接

重型车道路模拟试验台是轮胎耦合连接，将车辆的轮胎用托盘限定于六个作动器上。室内台架疲劳试验时，以位移控制的方式控制作动器。在组成振动台的6个作动器按轴距、轮距调整到位并固定后，我们就开始试验车辆的放置工作。由于试验车辆总长在10米左右，自重12吨，若采用轿车和轻型车那样开上振动平台的方式，不仅要求很大的转向空间，而且要求刚度、强度都很大的平台，这些都是不易实现的。为此，我们采取把空车吊运到试验台上的方式。驾驶室的座位上各放上70kg的袋装石子，以模拟采集信号时驾乘人员的重量。

何泽民先生认为如果输入激励过大，迫使轮胎跳离托盘平面，这样系统就会产生间隙。间隙是一种十分严重的非线性环节，这个非线性环节无法用最小二乘技术的逼近法加以消除，因而系统的传递函数就会被破坏。南京汽车研究所经过多次研究和改进，采用约束式轮连接方式。这种连接方法，即用金属铰链把车轮和托盘连接在一起，同时具有轴连接的特点和轮连接的优点，见图3。通过试验可以证明这种连接能有效地防止车轮跳离托盘平面，消除由此而产生的非线性环节，使得台架系统得以逼近最佳传递函数。

但此法用在重型车上有明显不足，原因是重型车吨位大，其轮胎受到的冲击力远远超过轻型车。金属铰链与轮胎的接触面积过小，在剧烈振动下，金属铰链很快会发生移位和脱落，甚至断裂，需要重新安装，并调节其预紧力。这是很繁琐的工作，耗费大量人力和时间。我们改进的方法是用高强度尼龙带来代替金属铰链，见图4。尼龙带与轮胎的接触面积大，不容易脱离轮胎，同时可避免金属铰链磨损轮胎的现象。单根尼龙带承受10吨的瞬间冲击力，延伸率小，能使试验长时间地顺利进行。

图3 金属铰链连接轮胎和托盘图4 高强度尼龙带连接轮胎和托盘

3载荷谱的加速处理