什么是路谱迭代？

实车道路采谱试验就是为了得到汽车在实际道路行驶中的载荷（应变、加速度、力等信息），在该车的实际运用地区的公路以及试验场进行的实车道路试验。实车道路试验在汽车开发过程中占有十分重要的地位，通过道路试验可以分别评价汽车的耐久性、舒适性和安全性等个方面，同时考察各个系统和总成的性能。

道路试验是汽车开发过程中不可或缺的重要阶段，它包括在高速公路、普通路面、恶劣道路以及各种特殊路面上的测试，是一种检验汽车性能的有效手段。由于西方国家的路面条件与我国实际情况存在较大差异，因而难以参考国外引进的试验规范和试验路面谱，例如福特公司的JerryZ. Wang和Mark W. Muddiman等人曾于1996年至1997年对中国用户道路载荷谱与福特公司在美国和比利时的试车场道路载荷谱进行了比较研究，发现在国外某种道路路面上不会发生故障的零部件却在国内出现刚度强度问题。另外我国幅员辽阔，各地道路情况差异较大，因而也有必要对典型地区道路载荷谱进行分析，找出其与试车场道路载荷谱对应关系，可为制定适合我国的试验谱系及规范提供理论依据和有效参数。将地区道路等效成试车场道路不同路段混合而成的组合路段，即得到地区道路与试验场道路载荷谱的当量关系，就可在试车场按一定比例混合各种路面来再现目标用户地区道路载荷输入，进一步扩展外推后，便可了解较长里程后的损伤情况，达到加速试验的目的。

JerryZ. Wang和Mark W. Muddiman等人曾于1996年至1997年对中国用户道路载荷谱与福特公司在美国和比利时的试车场道路载荷谱进行了比较研究，发现在国外某种道路路面上不会发生故障的零部件却在国内出现刚度强度问题。另外我国幅员辽阔，各地道路情况差异较大，因而也有必要对典型地区道路载荷谱进行分析，找出其与试车场道路载荷谱对应关系，可为制定适合我国的试验谱系及规范提供理论依据和有效参数。将地区道路等效成试车场道路不同路段混合而成的组合路段，即得到地区道路与试验场道路载荷谱的当量关系，就可在试车场按一定比例混合各种路面来再现目标用户地区道路载荷输入，进一步扩展外推后，便可了解较长里程后的损伤情况，达到加速试验的目的。

道路采谱试验所采集参数，主要取决于路面不平度，所谓路面不平度它表征的是道路表面对于理想平面的偏离，它具有影响车辆动力性、行驶质量和路面动力载荷三者的数值特征。如卵石路、凹坑路、扭曲路、鱼鳞路和搓板路等典型路况路的路面不平度是不一样的。面不平度按波长可分为：长波、短波和粗糙纹理三种类型。其中长波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动，而粗糙纹理则引起轮胎的行驶噪音。在道路的横断面上，不平度则表现为车辙和横断面的不平，它引起车辆的侧倾。



由于路面不平度呈现出一种随机变化的特征，因此可将路面不平度看成是随机过程，采用统计方法进行研究。为了描述不平度，通常把路面相对基准平面的高度q，沿道路走向长度I的变化q（I），称为路面纵断面曲线或不平度函数。

路面不平度是车辆振动系统的主要振源。它使车辆在行驶中产生行驶阻力和振动。做为汽车振动输入的路面不平度主要采用路面位移、速度、加速度功率谱密度描述其统计特性．路面不平度的时问历程可以视作平稳随机过程处理。所以路面位移功率谱密度可采用幂函数形式表示如下：



对于汽车振动系统的输人除了路面不平度外，还要考虑车速u，为此需将空间功率谱转换为时间功率谱：



采集路谱就如同给不会说话的小婴儿做体检，如果想了解试验车在实际路面行驶过程中的受力、晃动幅度、应力变化等信息，只能通过在车上巧妙地布置测量力、力矩、加速度、位移、应变等各类的精密传感器，通过采集各种实车载荷数据。



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。

（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。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，一般需要至少6个测点的信号进行迭代，加速度的布置要分散，并且选择在刚度较大的地方。


（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，对变速器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。
初剪辑各特征路段的振动和应变信号选择如下图：

（3） 信号的编辑
迭代所用的路谱通常都由多种不同路面组成的振动响应信号，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。形成不同组合的路面谱。
（4） 滤波
实践证明，道路激励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0.5－30Hz频带内的振动。由此，高于30Hz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，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，下图为转换成频域后的不同路段的PSD图。




不同路段的PSD图

（5）系统辨识
在振动台上，用白噪声作为激励识别整个系统（变速器＋振动台＋所有支撑变速器用的夹具）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，便可实现室内的可靠性耐久实验。
在处理得到期望的道路谱信号之后，将变速器置于室内振动台上，借助于振动台系统辨识模块对包括变速器与振动台在内的整个系统进行辨识。系统辨识的具体试验流程如图所示。由于系统的非线性影响，所以系统辨识一般是一个迭代的过程。



系统辨识

为了更有效地进行系统辨识工作，在使用白噪声得到最初的一个系统的频率响应函数之后，可以利用该频率响应函数和目标信号计算更加合理的激励信号，这就是更新激励信号。在更新激励信号的计算过程，软件对所计算得到的激励驱动信号必须进行随机相位处理，即保持其频谱不变，将其相位谱随机化。这是因为原始的目标信号可能彼此相关，从而使计算得到的激励信号也彼此相关，此时在激振后由响应信号和激振信号计算得到的频率响应函数将是奇异的矩阵函数，将影响目标模拟阶段激振信号的计算精度。



激振信号的更新

(6)目标信号迭代
在室内道路模拟试验的系统辨识过程中，假设整个系统是线性时不变系统，获取该系统的频率响应函数矩阵作为对该系统特性的描述。这样就可以根据系统的输入、输出和系统频率响应函数矩阵之间的关系，由实测的期望目标信号反推得到所需的激励信号。但实际上，由于整个试验系统的各个环节，包括变速器、液压作动器、测量系统等都存在一定程度的非线性，使得根据线性系统假设计算得到的激励信号去激励系统时，得到的响应和期望目标响应之间存在很大的误差。为了消除非线性的影响，需要通过迭代的计算方法逐步修正激励信号，使系统的响应信号趋近于目标信号。



目标信号的迭代计算流程。

根据试验系统的线性时不变假设, 可以由目标信号和识别出的系统频响特性计算出期望的驱动信号。但实际的试验系统在试验车辆及零部件、夹具、作动器控制和执行机构、测量系统等环节都存在不同程度的非线性因素, 因此利用基于线性系统假设所得到的驱动信号去激励系统时得到的响应与目标响应存在很大误差。为了消除非线性误差,需用迭代的方法逐步修正驱动信号, 从而再现试验车辆的各测点在实际路试时的振动响应。

初始驱动信号X0 的生成方法为:
X0=FRF- 1·α·β·Y (2)
式中, Y 为目标信号; α为目标信号的增益系数; β为初始驱动信号的增益系数。

α和β取值为0～1, 是为了防止因过大的初始驱动信号而损坏试验设备。本次试验取α=1、β=0.3。
用X0激励试验系统得到各测点的响应, 计算响应信号与目标信号之间的误差ΔY, 并乘以误差增益系数γ( 取值为0～1, 该试验在迭代时取0.2) , 然后与驱动信号迭加, 得到新的驱动信号X1:
X1=X0+FRF-1·γ·ΔY (3)

用X1再激励系统, 如此循环下去, 直到误差低于设定限值时停止迭代。对于重型汽车, 当迭代误差<15%时即可终止迭代。该试验用RMSERROR( 时域内目标信号与响应信号之差的均方根与目标信号均方根的比值) 作为迭代误差评价指标, 精度较高时限值10%的RMS误差。

提高道路模拟试验(加速试验或称关键寿命疲劳试验) 与实际道路试验条件的相关性主要取决于

以下几个重要关键点:
(1) 道路模拟疲劳试验所用的载荷谱是否具有一定的代表性,也就是说是否能反映驾驶习惯和行驶的道路情况，为了消除偶然因素和驾驶习惯的影响,采谱工作由2－3名驾驶员在规定的试车场道路上采样3－5次/人。
(2) 道路模拟试验台是否能模拟出整车或零部件某种受力情况以达到关键点疲劳损伤等同于道路上的累积损伤；在台架上的夹具有足够的刚度模拟试验件在整车上的运动姿态和受力状态。
(3) 道路环境模拟；
(4) 试验结果评价。