朱淮烽，刘东俭，张榕梁
（中汽研汽车试验场股份有限公司，江苏 盐城 224100）
可靠性是汽车产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力，是衡量汽车产品质量和技术水平的关键指标，也是影响产品市场竞争力、塑造产品品牌的重要因素[1]。汽车行业竞争日益激烈，提高产品的可靠性水平成为整车企业整体实力提升的一项重要工作，也是中国汽车产业由大到强的主攻方向之一。作为汽车可靠性正向开发的一环，汽车耐久性试验是在汽车试验场以较短的时间复现车辆在用户手中全生命周期内的使用状态，在产品投入市场前发现固有缺陷或隐患，并为产品的轻量化设计、测试开发提供依据。为保证汽车耐久性试验规范可以代表绝大多数用户的使用情况，在制定规范前需要采集大量用户的载荷数据，在随机分散的用户数据中统计出“典型用户”的“典型驾驶工况”，由此外推、计算出可以被目标用户所接受的车辆全生命周期疲劳损伤，最终再将这一目标损伤等效转移至汽车试验场工况[2-4]。
周德泉等[5]研究了关联用户实际使用的整车结构耐久试验规范开发流程，证明的用户关联的可行性。李文亮等[6]研究了从用户工况到试验场测试工况转化的定量评价，验证了用户关联的有效性。但以上研究均是以单一车型的耐久性试验规范制定为目标，其制定出的汽车耐久性试验规范不具有普适性。为了方便缺少实际产品和车型数据积累的造车新势力开展相关试验，需要制定具有普适性的汽车耐久性试验规范，这要求在用户数据采集之前了解多种车型对用户载荷数据的影响趋势，明确哪些车型的用户数据可以通用。比如：在相同平台上开发的、具有类似动力形式和悬架结构的车型在相同工况下的载荷数据也具有相似性，那么这类车型的用户数据可以通用。这样的结果可以指导规范制定者合理设置用户采集车辆的数量，在确保数据收敛的情况下减少工作量。为验证这一设想，需要研究不同车型在相同工况下对路面的振动反馈差异。本文在某汽车试验场使用6种车型搭载多个三向加速度传感器和数据采集系统，采集4种典型工况的载荷数据[7-8]，并从轴头垂向加速度的频域分析角度展开，以研究车辆行驶通过随机路面时的振动反馈情况。
1.1 数据采集方案
根据汽车可靠性正向开发的要求，汽车耐久性试验规范是可以覆盖90%用户汽车疲劳损伤强度的“典型工况”，这一损伤强度是在采集大量实际用户车辆行驶数据后统计、计算出来的[9]。经过过往的调查问卷发现：一款车型的大多数目标用户在使用车辆时，会以相似的驾驶习惯经常性通过路面状况相近的道路，这样的驾驶工况产生的振动反馈是一致的，从疲劳损伤的角度分析，在不考虑零件结构的情况下，这样的振动造成的疲劳损伤也应该是一致的[10]。但对于不同车型之间的差异及其影响因素，就需要观察他们在类似工况下的振动反馈是否也具有相似性，并且以车辆行驶时某些具体参数的变化来表征。
车轮是整个汽车中唯一与地面接触的零件，是车辆对路面最直接的感知系统，可以直接获得与道路相互作用的反馈信息[11]。除去发动机自身的振动，振动信号由车轮经底盘杆件传递至车身，先前的一些研究证明：轴头加速度信号与车轮受力具有较好的相关性，可以很好的估计车轮载荷情况[12]。因此，车辆轴头加速信号可以较好地反映随机振动信号的特征，车辆受相同外部因素产生的振动反馈的一致性，可以显示为轴头加速度信号在频域上能量分布特征的相似性。
如图1所示，试验在不同型号的车辆轴头上搭载三向加速度传感器，连接数据采集系统，按一定车速与载荷要求行驶通过汽车试验场的特征坏路，从而采集到特定工况下的轴头加速度原始数据，之后使用专业数据处理软件对原始数据进行去毛刺、去漂移处理，获得可用于后期分析使用的“干净”数据。由于采集工况未包含制动工况，且试验道路以直道为主，没有较大的连续弯道，所以Z轴方向上的加速度数值较大、变化特征更为明显。最终，如图2通过专业数据处理软件生成轴头加速度信号的功率谱密度图，可以观察到随机振动信号在单位频率上的能量分布特征[13-15]，也方便对比同一车型在不同特征坏路上的振动能量分布情况，以及不同车型在同一特征坏路上的振动能量分布差异。
图1 加速度传感器安装点位
图2 功率谱密度分析流程
1.2 车型信息及工况信息
试验使用市场占有率较高的几款车型，车型级别包含紧凑型轿车、中型轿车、SUV与皮卡，其前后悬架形式使用不同的几类独立、非独立悬架配置，用以对比观察车辆悬架配置对试验结果的影响。车辆加载后称重，所有车辆总重按大约200 kg左右的梯度差距上升，用以对比观察车辆载荷对试验结果的影响。详细车辆信息如表1所示，其中C、D、E三款车型各项参数设置相近，且C、D两款汽车属于同平台车型。试验使用整车耐久性试验中常用的特征坏路工况，包含三种凸起型坏路与一种凹陷型坏路，其中比利时路与鹅卵石路工况输入的是典型的随机振动信号，工况信息如表2所示。
表1 车型信息
表2 工况信息
各车型在比利时工况下的轴头垂向加速度信号如图3所示，从加速度的极值角度观察，已经可以粗略地看出：不同车型在相同的工况下，车辆的振动加速度极值是有差距的，随着车辆载荷的增加，加速度极值先降低再增大，即当车辆载荷过小（如F车型）或过大（如A车型）时，相同速度下的车辆振动加速度极值都会较大。
图3 各车型同工况下的轴头垂向加速度信号
2.1 同一车型在不同工况下的加速度功率谱密度
A、B、C、F四款车型的轴头垂向加速度功率谱密度如图4所示。对比他们在不同工况下的能量分布特征，可见：同款车型在不同工况下能量分布特征相近，其能量峰值出现频段、能量集中频率范围以及能量波动趋势都有较好的一致性。A、B车型均随着振动频率的增加出现能量提升至最高点后下降，并再次出现2～3次较低能量峰值的波动的现象；
C、D、F车型均随着振动频率的增加，出现能量提升至最高点后直接下降至最低点的现象，期间少有明显的能量波动。虽然同一车辆在不同道路工况下的能量峰值大小各异，但4款车型在不同工况下的能量峰值大小排序是一致的，均为溅水路工况下的峰值最高，鹅卵石路工况下的峰值最低。综上，采集车辆使用同种车型时，车辆受外部因素施加后产生的振动反馈一致性较高，且即使是面对不同的特征道路工况，振动反馈仍然可以保持较好的一致性。
图4 同款车型在各工况下轴头垂向加速度功率谱密度
2.2 不同车型在相同工况下的加速度功率谱密度
6种车型在相同工况下轴头垂向加速度功率谱密度如图5所示，由图可知：6种车型能量峰值出现的频段范围相近，但其能量峰值大小不尽相同。其中C、D、E三款车型的能量变化趋势、能量峰值和能量集中频率范围都较为接近。F车型与这3款车型的能量变化趋势和能量集中频率范围也较为接近，但在相同频率上的能量数值更大，且为6款测试车型中的最高值。而A、B两款车型的能量分布特征与其他四款车型有明显不同，其能量集中频率范围更广，能量波动的次数更多。
图5 各工况下不同车型的轴头垂向加速度功率谱密度
结合车型信息来看：（1）C、D、E三款车型的悬架形式、轴距、载荷条件相近，其受外部因素施加后产生的振动反馈特征具有较好的一致性；
（2）与前3款车辆相比，A、B车型的悬架形式不同，且载荷明显偏大，在受到相同外部因素施加后产生的振动反馈特征有明显区别，主要表现为能量峰值更高，能量集中的频率范围更广，且出现多次能量峰值较小的波动；
（3）与前3款车辆相比，F车型在受到相同外部因素施加后产生的振动反馈特征有类似之处，但其悬架形式不同、载荷明显偏小，导致在相同频率分布上的能量明显更高。这些现象说明悬架形式、载荷条件的确会影响到车辆行驶时的振动反馈特征。
（1）同一车型在的振动反馈特征具有较好的一致性，即使是在不完全相同的道路条件下，这样的一致性仍然可以较好的保持。
（2）不同车型的振动反馈特征受到车辆悬架形式、载荷、轴距等内部因素的影响，内部因素接近的车型在相同工况下的振动反馈特征相近。在相同的情况下，当车辆轴距相差200 mm以上时，振动反馈特征在能量峰值和变化趋势上有较大的区别，轴距与载荷相比均远小的车型，相同频率上分布的能量值可能更高。
（3）为了方便数据对比与统计收敛，用户采集数据前应约束车辆悬架形式、轴距、载荷等条件，依照诸如级别化、平台化的原则对车型分类，同类别下的采集数据进行统计分析。
（4）在制定具有普适性的汽车耐久性试验规范时，应该针对几种类别的车型分别制定各自的耐久性试验规范，再通过限定条件的方式将这几个试验规范进行融合。
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