LMS系統(tǒng)在整車室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用_百度文庫(kù)

1、LMS 系統(tǒng)在整車室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用梁映珍 周鋐 王二兵 趙靜同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室摘要室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)不僅能消除氣候等因素的影響,而且能有效縮短試驗(yàn)周期、精度 高、可控性好,是汽車可靠性試驗(yàn)今后發(fā)展的趨勢(shì)。本文以某型小轎車為例,闡述 LMS 測(cè)試 系統(tǒng)在室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)前期路譜采集中的應(yīng)用,同時(shí)描述 LMS Tecware軟件在實(shí)測(cè)路 譜信號(hào)迭代前期處理方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞 道路模擬 道路普采集 數(shù)據(jù)分析Application of LMS System in Road Simulation TestLiang Yingzhen, Zhou Hong, Wang Erbing

2、, Zhao JingTongji University Automobile LabAbstractRoad simulation test can not only eliminate the influence of weather, road condition, but also can shorten experiment period effectively. It has high precision, good operational performance and it would become a development tendency of future vehicl

3、e reliability test. This paper takes a sedan as an example and illustrates the application of LMS system in acquisition of road spectra. Besides, this article describes the application of LMS Tecware software in road spectra signal processing before it would be used to iterate.KeywordsRoad Simulatio

4、n Test Road Spectral Acquisition Data Analysis引言室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)是近年來(lái)在試車場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的研究汽車整車可靠性 的重要手段之一。該試驗(yàn)的原理為:根據(jù)引起汽車疲勞損傷的主要因素,編排汽車在試驗(yàn)車 場(chǎng)行駛的路面,采集汽車在試車場(chǎng)行駛過(guò)程中車輪軸頭的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),通過(guò)對(duì)所采信號(hào)的 編輯和加速處理,獲得汽車在行駛過(guò)程中的道路譜;之后,將汽車置于室內(nèi)電液伺服振動(dòng)臺(tái) 上進(jìn)行迭代,此過(guò)程將汽車看作一個(gè)未知的控制系統(tǒng),先設(shè)置一個(gè)噪聲信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào),通過(guò)測(cè)量該噪聲信號(hào)產(chǎn)生的響應(yīng)以及計(jì)算頻率響應(yīng)函數(shù)識(shí)別該未知系統(tǒng);然后將處理后的道 路譜信號(hào)作為期望得

5、到的響應(yīng)信號(hào),由已獲知的頻率響應(yīng)函數(shù)反算第一次驅(qū)動(dòng)信號(hào),由于試 驗(yàn)系統(tǒng)是非線性的,而上述頻響函數(shù)矩陣的測(cè)定是基于系統(tǒng)為線性的,需要通過(guò)迭代逐漸修 正初始驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而得到模擬路面行駛所需的高精度目標(biāo)驅(qū)動(dòng)信號(hào);最后,將獲得的目標(biāo) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為輸入,使汽車在室內(nèi)進(jìn)行一定時(shí)間的可靠性試驗(yàn)。室內(nèi)汽車道路模擬試驗(yàn),可 以排除氣候等因素的影響,大大的縮短試驗(yàn)周期和節(jié)約資金,并且試驗(yàn)的可控性好,試驗(yàn)結(jié) 果的重復(fù)性強(qiáng)、精度高,因而能滿足汽車開(kāi)發(fā)的需要。本文以某型新開(kāi)發(fā)的小轎車為例,闡述 LMS Test.Lab 系統(tǒng)在道路模擬試驗(yàn)過(guò)程中道路譜 采集方面的應(yīng)用,同時(shí)描述如何使用 LMS Tecware軟件對(duì)所采

6、集的路譜進(jìn)行信號(hào)處理,以獲 得迭代所需要的目標(biāo)信號(hào)。道路譜的采集由于試驗(yàn)車最終在同濟(jì)大學(xué)四自由度的電液伺服振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行可靠性試驗(yàn),因此路譜采 集需要測(cè)量轎車四個(gè)車輪軸頭的振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)。為保證室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的有效性, 額外采集車身四個(gè)塔形支座上的振動(dòng)加速度信號(hào)用于后續(xù)迭代過(guò)程作參考。為方便對(duì)所采集 的響應(yīng)信號(hào)的剪輯和處理,設(shè)置一個(gè)麥克風(fēng)記錄轎車在試車場(chǎng)不同路面的起始和結(jié)束時(shí)間, 這可保證對(duì)各通道同一路面響應(yīng)信號(hào)的提取是同步的。 軸頭的響應(yīng)信號(hào)采用丹麥 BK 公司生產(chǎn) 的電荷加速度傳感器進(jìn)行拾取,車身的響應(yīng)信號(hào)采用美國(guó) ICP 公司生產(chǎn)的壓電加速度傳感器 進(jìn)行測(cè)量,記錄聲音信號(hào)所用的麥克風(fēng)

7、為德國(guó) GRAS 公司生產(chǎn)的 ICP 壓電式麥克風(fēng)。數(shù)采系 統(tǒng)為 LMS 公司生產(chǎn)的具有 20個(gè)通道的 SCADAS SC305W 信號(hào)放大和智能采集系統(tǒng)并用 LMS 公司的 Test.Lab 測(cè)試系統(tǒng)中的 Signature Testing模塊測(cè)試。由于 BK 的振動(dòng)加速度傳感器自身不帶電荷放大器, 需要采用 LMS 數(shù)采系統(tǒng)集成電荷放大 器的對(duì)其拾取的信號(hào)進(jìn)行放大,而 ICP 振動(dòng)加速度傳感器自身帶有電荷放大器,因此這兩種 傳感器測(cè)試時(shí)所用的數(shù)采模塊不相同。BK 傳感器對(duì)應(yīng)的是 PQCA 模塊,ICP 傳感器對(duì)應(yīng)的是 PQA 模塊,而麥克風(fēng)使用的是 PQMA 模塊。LMS 305數(shù)采系統(tǒng)通

8、過(guò)網(wǎng)線與 Test.Lab 測(cè)試系統(tǒng)相 連。將一逆變器與發(fā)動(dòng)機(jī)艙的電瓶相連,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)便可獲得 220V 的電源,以此解決數(shù) 采和測(cè)試系統(tǒng)的供電問(wèn)題?？紤]到測(cè)試過(guò)程中有些路段振動(dòng)幅度比較大,因此需要對(duì)數(shù)采和 逆變器作減振和固定處理。測(cè)試時(shí),將車配以 410kg 的負(fù)載(包括乘員的重量 ,該負(fù)載與室 內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的負(fù)載相同。采集路譜路面是根據(jù)該車型用戶所經(jīng)的主要路面并對(duì)該型車產(chǎn) 生主要疲勞損傷進(jìn)行編排的,本次路譜采集的路面包括蛇形卵石路、搓板路、共振路、井蓋路、坑洼路、長(zhǎng)波路、路面接縫路、礫石路、石塊路、砂石路等十余種,測(cè)試地點(diǎn)為湖北襄 樊國(guó)家試車場(chǎng)。測(cè)試前,需要在 Signature T

9、esting模塊 Channel Setup界面進(jìn)行各通道相關(guān)參數(shù)的設(shè) 置,并將事先標(biāo)定好的各傳感器的靈敏度輸入進(jìn)去,當(dāng)然也可以使用該測(cè)試系統(tǒng)提供的在線 傳感器靈敏度的標(biāo)定功能完成這一參數(shù)的設(shè)置。采樣頻率和譜線數(shù)是測(cè)試時(shí)需要設(shè)置的重要 參數(shù)。由于該試驗(yàn)中涉及振動(dòng)和聲音的測(cè)量,這兩種信號(hào)通常采用不同的采樣率,因此使用 Signature Testing Acquisition Setup界面 Multiple Sample Rates功能。一般情況下道 路譜的頻率在 50HZ 以下,但為了保證信號(hào)所有能量不丟失,將振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率設(shè)為 512HZ,而聲音信號(hào)為 4096Hz。量程設(shè)置也是影響測(cè)

10、試的一個(gè)重要參數(shù),設(shè)置的合適與否直接關(guān)系到信號(hào)的有效性。若 量程設(shè)置偏大,則信噪比較差,所測(cè)信號(hào)的有效性較差;若量程設(shè)置偏小,則信號(hào)超出量程 的部分會(huì)失真,產(chǎn)生無(wú)效信號(hào)。因此測(cè)試時(shí),先將各通道的量程都設(shè)為最大,在試車場(chǎng)待采 路面上跑一圈,將這一圈內(nèi)最大的幅值設(shè)為傳感器的最大量程。之后,在實(shí)際測(cè)試中,對(duì)同 一種路面組合至少需要測(cè)量 3次以上,以此保證信號(hào)的重復(fù)性。路譜信號(hào)處理路譜采集完畢后,信號(hào)并不能馬上進(jìn)行迭代,首先需要對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢驗(yàn),包括隨機(jī) 性檢驗(yàn)和平穩(wěn)性檢驗(yàn),然后需要對(duì)其進(jìn)行剪輯、組合、濾波等處理。下面主要介紹如何使用 LMS Tecware軟件對(duì)已檢驗(yàn)的信號(hào)進(jìn)行迭代前的各種處理。(

11、1 有效信號(hào)的選擇對(duì)于相同路面組成的一個(gè)循環(huán)一般會(huì)進(jìn)行多次測(cè)量,需要從中選取一組數(shù)據(jù)代表實(shí)際組 合路面的道路譜進(jìn)行后續(xù)的處理和迭代。為保證選取的路譜信號(hào)能有效代表實(shí)際的道路譜, 首先需要檢查每次測(cè)量中各個(gè)通道信號(hào)的是否存在異常。在測(cè)量中,如果傳感器疏松黏貼、 電線磨損、插頭松接,會(huì)導(dǎo)致所測(cè)信號(hào)中有外來(lái)的噪聲信號(hào)輸入,由此使得所測(cè)信號(hào)沒(méi)有代 表性。圖 1為某次測(cè)量得到的四個(gè)車輪軸頭的響應(yīng)信號(hào),很明顯可以看出第三通道的信號(hào)存 在明顯的噪聲分量,因此此次測(cè)量的信號(hào)不能代表實(shí)際道路譜進(jìn)行迭代。在噪聲分量檢查完 畢后,需要對(duì)每一測(cè)點(diǎn)多次測(cè)量進(jìn)行幅值統(tǒng)計(jì),以獲得這一測(cè)點(diǎn)各組信號(hào)的平均值、方差、 最大值、

12、最小值等統(tǒng)計(jì)特性, 根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性可以有效的排除異常信號(hào)以及選取最佳代表信號(hào)。 圖 2為左邊前輪對(duì)某一循環(huán) 9次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)值,可見(jiàn) 9次統(tǒng)計(jì)的平均值基本為零而方差基本 相近,那么可以認(rèn)為這些數(shù)據(jù)重復(fù)性較好,為有效數(shù)據(jù)。為提高精度,除第一次、第二次和第四次方差偏離稍大的測(cè)量外,該通道的信號(hào)可從剩下的數(shù)據(jù)中任選取一組。對(duì)每個(gè)通道都進(jìn)行這樣的處理,最后能找到一組最有效的信號(hào)作為實(shí)際道路譜進(jìn)行迭代。 圖1 某次測(cè)量四個(gè)軸頭的響應(yīng)信號(hào) 圖 2 左邊前輪響應(yīng)信號(hào) 9次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)值(2 信號(hào)剪輯每個(gè)測(cè)試循環(huán)由一些試車場(chǎng)特制的路面以及一些過(guò)渡的一般路面組成,過(guò)渡路面產(chǎn)生的 振動(dòng)幅值和能量都很小,對(duì)整車及零部件疲

13、勞損傷的貢獻(xiàn)很小,為了縮短室內(nèi)道路模擬試驗(yàn) 的時(shí)間,可以將這些過(guò)渡路面的信號(hào)剪掉。在進(jìn)行信號(hào)剪輯前,可以通過(guò) TestLab 將測(cè)試時(shí) 記錄的聲音信號(hào)回放, 便可獲得每段路面開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間, 根據(jù)這些時(shí)間點(diǎn), 可用 Tecware 軟件 Time edit模塊定義 Interval 便可精確的選擇和刪除過(guò)渡路面信號(hào)(圖 3 。 圖 3 間隔信號(hào)的選取(3 信號(hào)的拼接迭代所用的路譜通常都由多種不同路面組成的軸頭響應(yīng)信號(hào),在測(cè)試時(shí)這些路面不一定 在一個(gè)循環(huán)內(nèi)都?xì)v經(jīng),因此通常需要將不同路面的信號(hào)進(jìn)行拼接。圖 4(a為兩種不同組合 的路面譜,采用 Tecware 軟件 Timen edit模塊的 I

14、nsert 功能拼接在一起形成了圖 4(b的信號(hào)。 圖 4(a兩種不同路面組合的路譜信號(hào) 圖 4(b拼接后形成的信號(hào) (4 濾波 實(shí)踐證明,對(duì)汽車振動(dòng)和疲勞影響較大的是路面不平度的中低頻部分,其頻率大致在 0.05-5 周/米范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為 20-0.2 米.根據(jù)長(zhǎng)度頻率和時(shí)間頻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系,汽車在 試車場(chǎng)的車速為 10m/s 左右,將激發(fā) 0.5-50Hz 頻帶內(nèi)的振動(dòng).由此,高于 50Hz 的能量認(rèn)為 是噪聲信號(hào)的能量,需要把這一部分能量過(guò)濾掉.采用 Tecware 傅里葉濾波的功能對(duì)拼接好 的信號(hào)進(jìn)行 0.5-50Hz 低通濾波,圖 5 為濾波前后波形的對(duì)比.圖 6 為濾波前后信號(hào)的

15、功率譜 密度,紅線和綠線分別代表原始信號(hào)和濾波后信號(hào)的能量分布,可以明顯看出路譜的能量主 要分布在 9-13Hz 之間,經(jīng)濾波后能量在 50Hz 有急劇的衰減. 圖 5 濾波前后信號(hào)波形對(duì)比圖 圖 6 濾波前后信號(hào)的 PSD 對(duì)比圖 所有測(cè)點(diǎn)信號(hào)濾波完成后,可對(duì)明顯存在毛刺的去除,便可得到用于迭代的目標(biāo)響應(yīng)信 號(hào).在振動(dòng)臺(tái)上,用白粉紅噪聲作為激勵(lì)識(shí)別整個(gè)汽車系統(tǒng)的頻響函數(shù),再經(jīng)多次迭代找到 目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)信號(hào),便可實(shí)現(xiàn)整車室內(nèi)的可靠性耐久實(shí)驗(yàn). 結(jié)論 本文以某型小轎車為例,闡述了 LMS 測(cè)試系統(tǒng)及 Tecware 軟件在室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn) 前期的道路譜采集和信號(hào)處理過(guò)程中的應(yīng)用.LMS 數(shù)采系統(tǒng)集成電荷放大器,具有多種不同 測(cè)試模塊,支持多通道振動(dòng)和聲音信號(hào)的同時(shí)測(cè)量,TestLab 實(shí)時(shí)的測(cè)試軟件支持聲音信號(hào) 的回放,這些特點(diǎn)都使得 LMS 數(shù)采和測(cè)試系統(tǒng)在路譜采集中有廣泛應(yīng)用.Tecware 軟件是 L