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LMS系统在整车室内台架道路模拟试验中的应用 |
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作者：梁映珍 周鋐 王二兵 赵静 |
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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
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 Test.Lab 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Test.Lab 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Test.Lab 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、第二次和第四次方差偏离稍大的测量外，该通道的信号可从剩下的数据中任选取一组。对每个通道都进行这样的处理，最后能找到一组最有效的信号作为实际道路谱进行迭代。
图1 某次测量四个轴头的响应信号
图2 左边前轮响应信号9 次测量的统计值
（2） 信号剪辑
每个测试循环由一些试车场特制的路面以及一些过渡的一般路面组成，过渡路面产生的振动幅值和能量都很小，对整车及零部件疲劳损伤的贡献很小，为了缩短室内道路模拟试验的时间，可以将这些过渡路面的信号剪掉。在进行信号剪辑前，可以通过TestLab 将测试时记录的声音信号回放，便可获得每段路面开始和结束的时间，根据这些时间点，可用Tecware软件Time edit 模块定义Interval 便可精确的选择和删除过渡路面信号（图3）。
图3 间隔信号的选取
（3） 信号的拼接
迭代所用的路谱通常都由多种不同路面组成的轴头响应信号，在测试时这些路面不一定在一个循环内都历经，因此通常需要将不同路面的信号进行拼接。图4（a）为两种不同组合的路面谱，采用Tecware 软件Timen edit 模块的Insert 功能拼接在一起形成了图4（b）的信号。
图4（a）两种不同路面组合的路谱信号
图4（b）拼接后形成的信号
（4） 滤波
实践证明，对汽车振动和疲劳影响较大的是路面不平度的中低频部分，其频率大致在0.05-5 周/米范围内，对应波长为20-0.2 米。根据长度频率和时间频率的转换关系，汽车在试车场的车速为10m/s 左右，将激发0.5-50Hz 频带内的振动。由此，高于50Hz 的能量认为是噪声信号的能量，需要把这一部分能量过滤掉。采用Tecware 傅里叶滤波的功能对拼接好的信号进行0.5-50Hz 低通滤波，图5 为滤波前后波形的对比。图6 为滤波前后信号的功率谱密度，红线和绿线分别代表原始信号和滤波后信号的能量分布，可以明显看出路谱的能量主要分布在9-13Hz 之间，经滤波后能量在50Hz 有急剧的衰减。
图5 滤波前后信号波形对比图
图6 滤波前后信号的PSD 对比图
所有测点信号滤波完成后，可对明显存在毛刺的去除，便可得到用于迭代的目标响应信号。在振动台上，用白粉红噪声作为激励识别整个汽车系统的频响函数，再经多次迭代找到目标响应信号对应的目标驱动信号，便可实现整车室内的可靠性耐久实验。
结论
本文以某型小轿车为例，阐述了LMS 测试系统及Tecware 软件在室内台架道路模拟试验前期的道路谱采集和信号处理过程中的应用。LMS 数采系统集成电荷放大器，具有多种不同测试模块，支持多通道振动和声音信号的同时测量，TestLab 实时的测试软件支持声音信号的回放，这些特点都使得LMS 数采和测试系统在路谱采集中有广泛应用。Tecware 软件是LMS公司开发的疲劳载荷处理软件，较强的时域信号处理、傅里叶滤波、毛刺修正等功能使得它在实测路谱信号迭代前期处理方面有很好的应用。
参考文献
[1] 周鋐、冯展辉、周炜，远程参数控制技术在轿车车身结构动强度试验中的应用.汽车技术，2001，No.2。
[2] 易明，台架模拟轿车车头子系统道路载荷谱的方法研究，同济大学博士学位论文，2003。
[3] 张基全，载荷谱的数据采集与处理技术，工程机械，1996.6。
[4] 周炜、金锋，轿车车身强度道路模拟试验技术研究，上海汽车，2006.3。
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(5/15/2011) |
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