第13卷4期
2005年12月应用基础与工程科学学报JOURNAL OF BASI C SC I ENCE AND E NGI N EER I N G Vol . 13, No . 4
Dece mber
2005
文章编号:100520930(2005) 0420424206 中图分类号:U461. 7 文献标识码:A
车辆道路行驶载荷谱测量及推断方法研究
何柏岩, 王树新, 高 峰, 金大成
912天安市韩国) 1122(1. 天津大学机械学院, 天津300072; 2. 中国汽车技术研究中心, 天津300162; 3. 韩国汽车技术研究院, 3302
摘要:采用车轮力传感器与加速度计进行道路行驶载荷谱的测量, 对力信号与加
速度信号分别进行功率谱密度分析, 区分出由驾驶习惯和道路条件引起的载荷。对驾驶习惯与道路条件两种情况引起的载荷与加速度信号分别进行相关分析与
统计推断, 数据表明推断载荷与实测载荷吻合良好。根据此关系进行中国部分
道路行驶载荷的推断, 值频次图。
关键词:载荷谱; 测量; 可靠性; 推断
, 而道路可靠, 道路可靠性试验一, 如搓板路、比利时路等。但目前的试验规范, 不能完全考察整车可靠性问题。整车可靠性与用户的实际行驶道路。因此根据用户用途来进行整车试验和设计对厂家来说尤为重要。可靠性试验可以分为实际道路试验、试验场道路试验、试验室试验三种情况, 通
[122]过寿命等效的原则可以建立三者的相关性。车辆道路行驶载荷对于指导厂家进行可
靠性设计、提高产品质量具有重要意义, 同时可为试验场中各种路型及其比例的选择提供科学依据。本文将着重讨论实际道路行驶载荷的测量以及利用加速度信号进行车辆载荷预测的方法。
1 车辆道路行驶载荷测量
车辆所承受的外部载荷是随时间而变化的动态载荷, 其中大部分是循环随机载荷, 在这种情况下, 汽车的许多构件上都产生动态应力, 引起疲劳损伤, 其最终破坏形式是疲劳断裂。测量车辆道路行驶载荷有两种方法:一是测量局部应力应变, 这种方法直接在零部件的高应力应变点布置应变片, 测量结果可直接用于疲劳损伤的计算, 但其结果不能换算
[3]到其它零部件。二是测量车辆的外部载荷, 这种方法一般采用车轮力传感器, 可以测
量作用于车轮轴头的六个分力; 经过多体系统动力学与有限元计算可得到车辆任一零部件的载荷, 从而计算出该零部件的疲劳寿命, 因此测量车辆外部载荷更具有广泛意义。 收稿日期:2005205225; 修订日期:2005209221
基金项目:国家863计划资助项目(2001AA501981201, 2001AA632010)
作者简介:何柏岩(1973—) , 男, 博士, 副教授.
No . 4 何柏岩等:
车辆道路行驶载荷谱测量及推断方法研究425
因轿车前轮集中了悬架、转向系、传动系,
承受的载荷较大, 故一般采用两个前轮车轮力传感器, 如图1所示。在实际测量中还可以布置其它一些传感器, 如温度传感器、加速度计等。如图2所示, 本文中在车辆的1, 2, 3点布置了三个三向加速度计, 其中测点1对应于底盘某位置, 测点2与3分别布置在左右前门槛内侧
。
2 车轮力与加速度信号相关分析
2. 1 , [4], 其
0. 65Hz 以下, 属于低频信
号。二为道路条件、铺装程度、管理情况引
起的, 可称为由道路条件引起的, 其信号频
[4]率一般在0. 65Hz 以上, 属于高频信号。
对测量得到的车辆垂直力信号进行功率谱
密度分析如图3所示, 可以明显的区分出两
种情况下的载荷
。对于加速度信号也有类图3 车辆垂直力信号的功率谱密度分析Fig . 3 PS D analysis of the vertical force
似的情况。对信号分别进行0. 65Hz 的
低通滤波和0. 65Hz 的高通滤波则可把
驾驶习惯和道路情况引起的载荷信号分
离出来。对驾驶习惯和道路条件的载荷
[526]信号分别进行程对计数如图4所示。
(1) H T =H M +H R
式中, H T 为滤波前垂直力或加速度的程
对计数信号, H M 为驾驶习惯信号的程对
计数(小于0. 65Hz ) , H R 为道路条件信
号的程对计数(大于0. 65Hz ) 。从统计
计数获得的实际累积频次分布的形状可图4 垂直力与加速度的程对计数图Fig . 4 Range pair count of the vertical f orce and accelerati on
426应用基础与工程科学学报 Vol . 13以是千差万别的。一般我们将获得的累积频次分布进行规格化整理, 然后与标准分布函
[728]数相比较, 看它是否属于图5所示的标准分布或是是否接近标准分布的一种。图5
中, (a ) n =∞:定振幅试验载荷; (b ) n >2:定振幅+正态分布载荷; (c ) 1
.
对于图4中的H M 与H R d , 如图6所示. 图5=H 0×e -2X n
(2)
H 0.
2. 2车轮力传感器测量得到的力信号与同侧的加速度计测量得到的加速度信号存在一定的相关关系. 定义作用于车轮的纵向力为F X , 横向力为F Y , 垂直力为F Z . 则由驾驶习惯(M ) 和路面情况(R ) 引起相应信号分别为F X, M , F X, R , F Y, M , F Y, R , F Z, M , F Z, R ; 同理加速度信号分别为A X, M , A X, R , A Y, M , A Y, R , A Z, M , A Z, R .
经过不同车型的大量的试验数据分析, 我们得到如下的车轮力与加速度信号的相关关系. F X, M 与A
X, M 、F Y, M 与A Y, M 保持直接相关关系. 如图7所示(四种车型) :
No . 4 何柏岩等:车辆道路行驶载荷谱测量及推断方法研究427相关关系式分别为:
F X, M =0. 68×A X, M
F Y, M =0. 12×(A Y, M ) 2(3) (4) +0. 51×A Y, M
F X, R 与A Z, R , F Y, R 与A Z, R , F Z, M 与A Y, M , F Z, R 与A Z, R 保持间接相关关系, 不能用函数关系直接表达出来. 但是按照式(2) 进行曲线拟合后, 可以得到如下关系:F X, R , F Y, R , F Z, R 与A Z, R 的参数σ, n 一致, X a 则分别相差一个确定的倍数; F Z, M 与A Y, M 的参数n 一致, X a , σ则分别相差一个确定的倍数, 这些倍数关系完
全可由数据统计得到.
因此对于同一车型, 根据以上相关关系
可以由加速度信号对车轮载荷进行统计
推断.
2. 3 同一车型实测载荷与推断载荷的比较
根据2. 2节中所论述的加速度信号与载
荷的相关关系, 对某一车型的实测载荷与预
测载荷进行了对比, 如图9—11所示. 可见推
断的载荷曲线与实测载荷曲线吻合较好. 图
. on force
图10 车轮横向力比较
Fig . 10 Comparis on of the lateral force 图11 车轮垂直力比较Fig . 11 Comparis on of the vertical f orce
3 中国部分道路行驶载荷的推断
为进行车辆行驶载荷的推断, 按照图2的
测点分别布置三个三向加速度计. 加速度计采
用Cr oss 2bow I
nc 的三向加速度计, 数据采集系
统为MAS M icr o Ⅱ, 采样频率为200Hz, 试验
车辆为韩国Hyundai 公司的S ONAT A 排量为
2. 0L. 为反映实际用户的使用情况, 选择的试
图12 车轮纵向力验路线为环线:天津—济南—郑州—西安—太
Fig . 12 Longitudinal force 原—天津. 整个环线的路型分配为高速公路
30%, 高等级国道29%, 低等级国道14%, 城市道路23%, 粗糙路面4%.
分别对原始加速度数据进行剔除奇异点、消除趋势项、滤波等预处理后. 按照3. 2节
428应用基础与工程科学学报 Vol .
13中论述的方法分别按照驾驶习惯和道路情况两方面对车轮力信号进行统计推断. 得到高速公路、高等级国道、低等级国道、城市道路和粗糙路面的车辆行驶载荷, 如图12—14所示
.
图13 车轮横向力
Fig . 13 Lateral force
图14 车轮垂直力Fig . 14 Vertical f orce
可见, 载荷排列的大小顺序为:粗糙路面、路. 图形数据反映了客观情况, 选择等.
4 结论
(, 从而可对两种信号分别进行程对计数, 进行曲线拟合;
(2) 根据加速的信号与行驶载荷的相关关系, 可以在仅仅测量加速度信号的条件下推断出同一车型的道路行驶载荷;
(3) 道路行驶载荷的测量为进行汽车试验场、试验室复现方案和试验规范的确定更提供了科学根据.
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Study on the M easure ment and Predi cti on
M ethod of Vehi cle Road Load Spectru m
HE Baiyan , WANG Shuxin , G AO Feng , KI M Daesung 1112
(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. China Aut omotive Technol ogy and Research Center, Tianjin 300162, China; 3. Korean Aut omotive Technol ogy I nstitute, Chungna m 3302912, Korea )
Abstract
W heel f orce transducer and acceler ometer are adop ted t o the r oad Po wer s pectru m density analysis is made f or the f orce on . l by driving maneuver and r oad conditi ons is PS bet w een the l oad caused by on caused by driving r is the r oad l oad can be obtained based the that the p redicted l oad and the measured l oad is in According t o the correlati on, s ome typ ical r oad l oad s pectrum in China is p . W ith range 2pair counting method, the cu mulative a mp litude 2frequency diagra m s are got .
Keywords :r oad l oad s pectru m; measure ment; reliability; p redicti on