基于制動(dòng)角加速度信號(hào)采集、處理和應(yīng)用

李亭 徐長(zhǎng)舉

摘 要：室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)在汽車可靠性研究方面起到了越來越重要的作用。本文針對(duì)某轎車的制動(dòng)角加速度試驗(yàn)，根據(jù)研究對(duì)象的特性和相關(guān)制動(dòng)規(guī)范確定了路譜采集方案，經(jīng)過對(duì)采集的路譜信號(hào)進(jìn)行篩選以及加速處理，得到具有較高置信度的制動(dòng)角受載加速度信號(hào)的功率譜密度曲線，經(jīng)過差值簡(jiǎn)化，從頻域模擬角度，確立了一種制動(dòng)角室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)加載譜的生成方法。

關(guān)鍵詞：載荷譜;頻域分析;道路模擬;臺(tái)架試驗(yàn);功率譜密度;均方根

0 引言

室內(nèi)道路模擬實(shí)驗(yàn)由于不受天氣條件制約、試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)結(jié)果精度高、重復(fù)性和可控性好等優(yōu)點(diǎn)，使整車開發(fā)在子系統(tǒng)和零部件的設(shè)計(jì)或強(qiáng)度缺陷能夠在設(shè)計(jì)的前期就能被發(fā)現(xiàn)，利于提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量和效率，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的成本。因此，道路模擬試驗(yàn)在汽車工程界越來越受重視。道路模擬試驗(yàn)技術(shù)主要是通過獲取路面激勵(lì)信號(hào)，并作為臺(tái)架試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于激勵(lì)臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)而開展車輛結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)。道路模擬試驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵是獲取準(zhǔn)確可靠的路面激勵(lì)信號(hào)，即道路路面譜[1]。本文主要是基于通用某車型的制動(dòng)角加速度試驗(yàn)，通過確定數(shù)采采集的方案，原始信號(hào)預(yù)處理，基于疲勞損傷和雨流算法的信號(hào)壓縮最終得到可以用于臺(tái)架試驗(yàn)的簡(jiǎn)化PSD曲線，確立了一種制動(dòng)角室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)加載譜生成的方法。

1 原始路譜信號(hào)采集

為了得到車輛制動(dòng)角位置的PSD信號(hào)，滿足制動(dòng)系統(tǒng)Knockback臺(tái)架試驗(yàn)要求，需要在車輛制動(dòng)角（主要是轉(zhuǎn)向節(jié)）附近區(qū)域選擇恰當(dāng)?shù)奈恢貌贾煤侠淼膫鞲衅鳌?/p>

傳感器布置點(diǎn)的選擇原則是[3]：

（1）采集點(diǎn)的信號(hào)盡可能與某一試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力成線性關(guān)系而與其它試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力成正交關(guān)系，即信號(hào)與其他方向信號(hào)的耦合性要低，便于迭代盡快收斂;

（2）采集點(diǎn)盡可能靠近監(jiān)測(cè)采集點(diǎn)，以便監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的道路模擬疲勞損傷接近實(shí)際道路損傷。

根據(jù)車輛制動(dòng)卡鉗的工作原理，路面激勵(lì)載荷通過車輪對(duì)制動(dòng)角位置處所產(chǎn)生的振動(dòng)是制動(dòng)卡鉗振動(dòng)產(chǎn)生的主要因素，因而把它作為道路模擬試驗(yàn)中的迭代再現(xiàn)控制數(shù)據(jù)是保證道路模擬試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。此次信號(hào)采集點(diǎn)定在卡鉗振動(dòng)的輸入端，即在轉(zhuǎn)向節(jié)靠近卡鉗的平面上布置三向加速度傳感器，得到每個(gè)車輪該位置處的三向（X、Y、Z）的加速度信號(hào)。其具體的布置位置照片如圖1所示：

由于制動(dòng)角的knockback試驗(yàn)的輸入信號(hào)主要是車輛在粗燥路面下的加速度信號(hào)，并且信號(hào)關(guān)注的頻率點(diǎn)主要是在12-19 Hz之間，本次實(shí)驗(yàn)選擇上汽通用廣德試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)道路的上進(jìn)行，選取的路面主要包括：常規(guī)比利時(shí)路，順時(shí)針路，耐久環(huán)路，操穩(wěn)路等路面等特征路面。

汽車在行駛過程中，路面的不平度會(huì)使車輪受到來自路面的沖擊載荷。載荷通過車輪傳遞到制動(dòng)卡鉗位置，由于路面沖擊主要為垂向沖擊，所產(chǎn)生的垂向加速度振動(dòng)信號(hào)要大于縱向和側(cè)向加速度，所以本次試驗(yàn)主要以采集制動(dòng)角在垂直方向的加速度振動(dòng)信號(hào)作為迭代的主控制信號(hào)，縱向和側(cè)向加速度信號(hào)主要是用作參考信號(hào)，不作為住控制信號(hào)使用，盡最大可能性保持路面激勵(lì)的主要載荷，所采集的加速度信號(hào)時(shí)域圖如圖2所示。

2 時(shí)域載荷譜處理

2.1 時(shí)域載荷的預(yù)處理

由于數(shù)據(jù)采集中得到的原始信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后常包含著不利于分析的成分，如在采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)混入各種噪聲，受到其他電磁設(shè)備的干擾，測(cè)試儀器的非線性失真等，這些不必要的成分可能對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，載荷譜采集完成后，要對(duì)異值信號(hào)進(jìn)行剔除，剔除異值后對(duì)載荷譜進(jìn)行對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，本文采用LMS_TaceWare軟件對(duì)采集的載荷譜進(jìn)行預(yù)處理，剔除異值后對(duì)載荷譜的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

2.2 信號(hào)壓縮處理

載荷譜的壓縮處理是應(yīng)用疲勞損傷等效原理，對(duì)載荷譜進(jìn)行時(shí)域分析、濾波以及時(shí)間關(guān)聯(lián)等編輯后，刪除時(shí)域信號(hào)中損傷較小的部分。壓縮后的信號(hào)與原信號(hào)相比，所產(chǎn)生的疲勞損傷及損傷分布基本一致，而時(shí)間歷程卻大大縮短。在進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算之前首先需要進(jìn)行相關(guān)的計(jì)數(shù)過程，由于對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷的因素主要是應(yīng)力幅值和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可以將實(shí)測(cè)的隨機(jī)載荷時(shí)間歷程簡(jiǎn)化為一系列的全循環(huán)或半循環(huán)的過程。目前國內(nèi)外在工程上最常用的相關(guān)統(tǒng)計(jì)的計(jì)數(shù)法是雨流計(jì)數(shù)法。相比于其他的計(jì)數(shù)方法，雨流算法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[3]：①能夠?qū)⑤d荷的統(tǒng)計(jì)分析和材料的疲勞特性建立起一定的聯(lián)系，使人們更容易理解和接受。②雨流計(jì)數(shù)法是雙參數(shù)的計(jì)數(shù)法，這種計(jì)數(shù)法既可以統(tǒng)計(jì)信號(hào)的趨勢(shì)又不會(huì)遺失小的交變信號(hào)。③雨流計(jì)數(shù)法可以使載荷時(shí)間歷程的每一部分都參加到計(jì)數(shù)過程中，并且只是參與一次計(jì)算而不會(huì)重復(fù)。④雨流計(jì)數(shù)法便于計(jì)算機(jī)處理，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。

基于雨流統(tǒng)計(jì)的載荷譜壓縮就是同步刪除各通道載荷譜中損傷小的雨流計(jì)數(shù)循環(huán)，并保持各通道相位一致，以加速試驗(yàn)。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的加速信號(hào)的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果如圖3所示。

2.3 功率譜密度PSD和均方根值RMS

功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是一條功率譜密度值—頻率值的關(guān)系曲線，功率譜密度函數(shù)表示振動(dòng)能量在頻域上的分布，其定義是隨機(jī)分布在微小頻帶寬度內(nèi)的均方根除以帶寬[2]，即：

式中T表示頻率周期;t為時(shí)間變量。

數(shù)學(xué)上，均方根（RMS）定義為功率譜密度曲線積分的二次根，表示振動(dòng)所具有的總能量。RMS數(shù)值將為后面載荷通道的選擇提供依據(jù)。

2.4 參考通道信號(hào)選取

本次采集的數(shù)據(jù)來自左前、右前、左后、右后四個(gè)車輛制動(dòng)角的加速度信號(hào)，從理論上分析，在實(shí)驗(yàn)室制動(dòng)臺(tái)架上對(duì)四個(gè)點(diǎn)的加載信號(hào)應(yīng)該是一致的，以此可以作為判斷原始采集信號(hào)是否正確的一個(gè)依據(jù)，根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性，本次實(shí)驗(yàn)以各點(diǎn)加速度信號(hào)的功能譜密度（PSD）曲線作為研究對(duì)象，由功率譜密度函數(shù)的物理意義可知，PSD曲線下方的面積即為整個(gè)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的均方值。能量分布情況有PSD曲線來表示，能量的大小由均方根值RMS來表示。四個(gè)點(diǎn)的PSD曲線圖如圖4所示。

從采集的試驗(yàn)場(chǎng)信號(hào)的PSD信號(hào)可以看出，信號(hào)一階振動(dòng)頻率為13 Hz，符合相關(guān)規(guī)范中對(duì)于制動(dòng)角12 Hz-19 Hz的考核要求，可以作為后期制動(dòng)腳振動(dòng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的信號(hào)。

2.5 參考通道信號(hào)壓縮

根據(jù)曲線的形狀，尤其是原始PSD曲線的拐點(diǎn)位置，從中選取幾個(gè)插值點(diǎn)進(jìn)行插值簡(jiǎn)化，插值的點(diǎn)盡量和原始的PSD曲線相接近，同時(shí)將原始PSD曲線的絕大部分包絡(luò)進(jìn)來，本次由采集信號(hào)的簡(jiǎn)化PSD曲線的插值點(diǎn)，繪得的插值曲線如圖5所示，從而得到制動(dòng)角振動(dòng)加速度PSD的包絡(luò)圖。

由圖5可以看出插值簡(jiǎn)化后的PSD曲線與原始PSD曲線的能量分布具有較高的重合度，這就意味著簡(jiǎn)化后的PSD曲線對(duì)應(yīng)的信號(hào)的能量和原始信號(hào)的能量基本一致，可以用作室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)用的激勵(lì)載荷，由于整個(gè)頻域只是選取了其中特定的幾個(gè)頻率點(diǎn)，從而大大減少了實(shí)驗(yàn)的頻域的加載次數(shù)，而只是在對(duì)應(yīng)的幾個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行加載，從而可以有效的縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)還保證了加載信號(hào)的能量與原始信號(hào)的能量卻相差不大，從而保證了加載信號(hào)的有效性，提升實(shí)驗(yàn)的效率，起到了信號(hào)壓縮的目的。

3 結(jié)束語

本文以汽車制動(dòng)角作為研究對(duì)象，根據(jù)制動(dòng)角的工作特性和相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范要求，制定了有效的試驗(yàn)道路振動(dòng)加速度信號(hào)的采集方案，和相關(guān)數(shù)據(jù)的處理方法，最終得到可以用于室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)的簡(jiǎn)化的PSD包絡(luò)曲線，應(yīng)用于室內(nèi)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)后有效的提升了相關(guān)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效率，本論文中對(duì)加速度信號(hào)的處理方法對(duì)以后數(shù)據(jù)的處理具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋勤，等.道路模擬試驗(yàn)載荷譜的采集、處理與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（03）：104-106.

[2]劉松林，等.基于頻域模擬的汽車前大燈振動(dòng)激勵(lì)載荷編[J].現(xiàn)代制造工程，2014（11）.

[3]余卓平.道路模擬實(shí)驗(yàn)用載荷譜樣本選擇方法[J].汽車工程，2004

（03）：220-223.

[4]徐宜，等.基于雨流法的機(jī)械疲勞分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2008

（03）：11-14.

作者簡(jiǎn)介：李亭（1983-），女，河北樂亭人，碩士研究生，工程師，質(zhì)量安全運(yùn)營及技師發(fā)展經(jīng)理，研究方向：整車試驗(yàn)認(rèn)證。