解析汽车平顺性试验
1平顺性概述
汽车行驶过程中,由于路面不平、车速的变化等因素激起汽车振动,而乘员处于这样的振动环境中,振动影响着乘员的舒适性、工作效能和身体健康。保持振动环境的舒适性,以保证驾驶员在复杂的行驶和操纵条件下,具有良好的心理状态和准确灵敏的反应,它影响人车系统的操纵稳定性,对确保行驶安全起非常重要的作用。
分析与控制汽车的噪声与振动,可以将任何一个振动噪声系统按“源-路径-接受者”模型来表示,实际上,也可以称为“输入-振动系统-输出”模型,如图1所示。汽车的平顺性也可由图1所示的汽车振动系统模型来分析。汽车受到的“输入”主要是由汽车以一定的车速驶过随机的路面不平度所引起,这个输入经过由轮胎、悬架、车身、座椅等弹性阻尼元件和悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统,传递到悬挂质量或人体,这两部分的加速度就是“输出”的振动物理量(加速度)。然后根据人体对振动的反应:乘员的舒适程度,来评价汽车的平顺性。汽车振动系统的“输出”通常还要同时考虑车轮与路面之间的动载荷,它与车轮接地性有关,影响操纵稳定性。
图1 平顺性的“输入-振动系统-输出”模型
2数据采集要求
根据标准GB/T 4970-2009,汽车平顺性评价具有以下要求:
1. M类车辆:采集驾驶员及同侧后排座椅座垫上方、座椅靠背及脚步地板三个位置,每个位置测量三个方向的振动。对于N类车辆而言,除了测量驾驶员上述三个位置之外,还需要采集车厢地板中心以及驾驶员同侧距车厢边板、后板各300mm处的车厢地板垂向振动。
2. 评价汽车平顺性的1/3倍频程中心频率为0.5~80Hz,由于中心频率为80Hz的上限频率为90Hz,因此,要求采集的时域信号带宽不低于90Hz。
3. 对随机输入行驶评价指标采用自功率谱密度计算时,国标要求频率分辨率不高于0.2Hz。但由于1/3倍频程中心频率0.5Hz的下、上限频率为0.45Hz和0.57Hz,为了保证在这个频带内至少存在一条谱线,因此,频率分辨率不能高于0.19Hz。
4. 对于随机输入行驶独立样本数q≥25,独立样本数即数据帧数,因此,要求采集的时域信号长度应大于25帧(一帧数据长度为频率分辨率的倒数)。
5. 对于随机输入行驶,计算自功率谱密度时使用汉宁窗。
6. 每种车速的有效试验次数不少于5次。
3数据处理理论
平顺性评价可能需要考虑脉冲输入和随机输入两种工况,而对这两种工况数据处理方法截然不同。
对于脉冲输入而言,首先要计算加权加速度时域信号的峰值系数(也称为峰值因子)
峰值系数=峰值/有效值
如正弦信号的峰值系数为1.414。 注意,计算峰值系数不是用原始的加速度时域信号,而是用加权的加速度时域信号。
如果计算得到的峰值系数小于9,选取所有测量位置中最大加速度(绝对值)代数平均值(平均有效试验次数)来评价。
如果峰值系数大于9,则用振动剂量值VDV(单位m/s1.75)来评价
式中,aw是加权加速度时域信号,T是作用时间(从汽车前轮接触凸块到汽车驶过凸块且冲击响应消失的时间段)。
对于随机输入而言,计算单轴向加权加速度有效值āw可采用频域法或时域法。频域法计算思路:首先计算原始时域信号的自功率谱密度函数(PSD),然后计算每个1/3倍频程带(0.5-80Hz)的加速度有效值,再计算加权加速度有效值āw。
式中,aj是第j个1/3倍频带的加速度有效值,wj是第j个1/3倍频程带的加权系数,根据测点位置和方向不同取wk、wd、wc,见表1,三个加权系数具体取值见表2。
表1 不同测点、方向的倍频程带的加权系数
表2 1/3倍频程带的主要加权系数
如果采用时域方法,则对原始时域加速度信号按表2的频率加权滤波得到加权加速度时域信号,然后计算加权加速度有效值āw。
得到每个测点单向的加权加速度有效值āw之后,按以下公式计算各个测点的总加权加速度有效值āvj(j=1,2,3分别代表座椅座垫上方、靠背和地板三个测量位置),
kx,ky,kz为各个坐标方向的加权系数,见表3。
表3 各个坐标方向的加权系数
最后计算三个测量位置的总加权加速度有效值āv,
总加权加速度有效值āv,也可以按下式转换成分贝形式(基准a0=1×10-6m/s2)
总加权加速度有效值āv及分贝形式Lav与人的主观感受之间的关系见表4。
表4 总加权加速度有效值与人的主观感受之间的关系
4软件处理流程
当使用Test.Lab软件按标准GB/T 4970-2009计算平顺性评价指标时,需要使用插件Human Body Vibration和Time Signal Calculator。
首先,考虑脉冲输入类型的时域信号数据处理。需要计算加权加速度时域信号的峰值系数,以确定进一步的处理。在Time Signal Calculator模块中使用函数FILTER_ISO2631对原始时域信号进行加权处理,由于原始数据是座椅座垫Z向,因此加权系数为wk,FilterType设置为1(见表2),得到加权加速度时域信号如图2中绿色曲线所示,红色为原始的时域信号。从图中可以看出,在脉冲输出的时间段内,两个信号的有效值不同,峰值也不同,因而,得到的峰值系数是不相同的。原始时域信号的峰值为1.00098g,而加权后的峰值为0.63296g,得到的峰值系数分别为4.57和4.69。
图2 原始的时域信号与加权后的加速度信号
如果加权加速度的峰值系数小于9时,用所有测点中的单向加速度最大值来评价。如果峰值系数大于9,则需要用到加权加速度剂量值VDV来评价。计算VDV需要用到函数POWER和INTEGRATE。
接下来考虑随机输入类型的数据处理,计算单轴向加权加速度有效值āw时用时域方法。首先计算各个测量位置(j=1:座椅座垫上方;j=2:座椅靠背;j=3:驾驶室地板)的总加权加速度有效值āvj,在Time Signal Calculator中输入如下的公式:
SQRT(kx2*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<x>;<w>))*(CH<x>/CH<x>))^2+ky2*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<y>;<w>))*(CH<y>/CH<y>))^2+kz2*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<z>;<w>))*(CH<z>/CH<z>))^2)
函数FILTER_ISO2631()是对原始时域信号进行加权,RMS()是对函数求有效值。输入上述公式有两点注意事项:1)坐标加权系数k的平方,须输入平方之后的数值;2)(CH<x>/CH<x>)这一项看起来等于1,但是如果没有这一项,公式会报错。
如座椅座垫上方的三向加速度分别为CH18~20,座椅靠背的三向加速度分别为CH21~23,则计算āv1和āv2的公式分别为:
SQRT(1*(RMS(FILTER_ISO2631(CH18;2))*(CH18/CH18))^2+1*(RMS(FILTER_ISO2631(CH19;2))*(CH19/CH19))^2+1*(RMS(FILTER_ISO2631(CH20;1))*(CH20/CH20))^2)
和
SQRT(0.64*(RMS(FILTER_ISO2631(CH21;4))*(CH21/CH21))^2+0.25*(RMS(FILTER_ISO2631(CH22;2))*(CH22/CH22))^2+0.16*(RMS(FILTER_ISO2631(CH23;2))*(CH23/CH23))^2)
计算得到的座椅座垫上方和座椅靠背的总加权加速度有效值āv1和āv2如图3所示。最后计算三个测量位置的总加权加速度有效值āv,对比表4进行主观感受评价。
图3 总加权加速度有效值
参考:GB/T 4970-2009 汽车平顺性试验方法
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