关于汽车平顺性道路试验的数据处理

张崇波刘永腾 Zhang ChongboLiu Yongteng



关于汽车平顺性道路试验的数据处理

张崇波1，2，刘永腾1，2Zhang Chongbo，Liu Yongteng

（1. 北京汽车研究所有限公司，北京100079；2. 国家汽车质量监督检验中心（北京顺义），北京101300）

汽车平顺性是反映汽车性能好坏的一项重要指标。根据汽车平顺性试验方法GB/T 4970—2009搭建整车平顺性道路试验测试平台，能够快速准确地采集并实时存储国标中规定的各测试位置的振动加速度信号。基于Matlab环境编写试验数据后处理软件，实现车辆平顺性评价指标的自动化计算，大大提升平顺性试验的数据处理速度。最后针对某样车进行平顺性道路试验及评价，验证试验平台和后处理软件的有效性。

平顺性；道路试验；加速度均方根

0 引 言

随着汽车技术的迅猛发展，人们对汽车舒适性要求也越来越高，因此，快速准确地进行汽车道路行驶试验并做出平顺性评价十分必要。汽车的平顺性不仅影响到驾驶员、乘员的疲劳程度，而且也影响到汽车的燃油经济性和运输效率乃至安全问题[1]。

汽车平顺性是指行驶过程中所产生的振动与冲击不致使人体感到不舒适、疲劳、甚至损害健康的性能，是汽车性能好坏的一项重要指标。汽车平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理感受及对保持货物完整性的影响制定的[2]。国内外相关标准中，通常以加权加速度均方根值作为主要的平顺性评价指标[3-4]，振动加速度数据的后处理是重点也是评价的难点。悬架的刚度和阻尼、轮胎的刚度以及车辆的载荷分布等都会影响汽车平顺性[5]。

1 汽车平顺性道路试验要求

1.1 试验项目及道路环境要求

汽车平顺性试验方法包括2种工况：脉冲输入行驶和随机输入行驶。采用加权加速度均方根值作为评价指标，把汽车座椅、靠背和地板处的振动加速度与人体的主观感觉联系起来，划分为不同的舒适级别，用以评价车辆在不同路面、不同车速下的平顺性能。

试验场地应平直、干燥，纵向坡度不大于1%，试验时风速不大于5 m/s。脉冲输入试验道路采用A级路面，并摆放三角形的单凸块；随机输入试验道路为沥青或水泥路面。试验车速由基于GPS的车速仪监控，车速偏差不超出±4%。

1.2 车辆配载及传感器安装

在试验过程中，路面不平度通过汽车轮胎、悬架、座椅等弹性阻尼元件将振动传递到人体，为获得准确的振动数据，保证各元件处于标准规定的状态十分必要。轮胎压力误差不超过厂家规定值的±3%；汽车载荷均匀分布，固定牢固在试验过程中无晃动；驾驶员要保持坐姿不变，减少对靠背处振动加速度的影响。按标准要求试验需要测量3个位置共9个方向的加速度时间历程，传感器安装必须满足标准要求。靠背和座垫传感器严格按照GB/T 4970—2009标准安装，脚部地板上的传感器布置在驾驶员两脚之间。

2 平顺性试验硬件平台的搭建

2.1 平台硬件组成

平顺性试验需要采集各个测点随机振动数据，在实际试验过程中设计了一套能够在现场快速安装，信号传递安全可靠，系统高度集成的测试方案，其工作流程如图1所示。

在道路试验平顺性振动数据测试中需要的设备包括：三轴向振动加速度传感器、数据采集分析仪、GPS速度计以及用于数据后处理的电脑等。三轴向振动加速度传感器采用的是PCB三轴加速度传感器，测量范围为-10—10，灵敏度为10 mV/（m/s2），通过串行接口连接到数据采集设备，可以实时将振动加速度信号传输到数据采集系统，传感器的采集精度和范围能够满足平顺性试验要求。数据采集系统是DEWE-2601可扩展多通道便携式模块化数据采集仪，具有80 MB/s数据传输率，内置64路模拟信号输入，可扩展，采样率可达20 kHz，能对接电压、电流、热电偶等多种传感器，数据可以存储到主机，也可以通过USB接口转存到后处理电脑。车辆行驶速度通过Racelogic的Vbox 3I GPS速度计显示，采集车速精度可达0.01 km/h，能够对车速实施精确监测。

2.2 数据采集及预处理

在道路测试中，利用三轴向加速度传感器实时获取座垫、靠背、地板等测点的垂向加速度、横向加速度和纵向加速度，基于GPS速度计实时监测行驶车速，振动数据以模拟电压量形式传输给数据采集仪，经A/D转换后，直观地显示在屏幕上，试验人员可在试验中实时监控。数据采集仪直接采集的数据是离散的振动加速度时间历程，利用其频谱分析功能进行预处理，将加速度时间历程通过快速傅立叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）计算出加速度自功率谱，导出加速度自功率谱密度Ga（）函数（离散值），最后通过开发的汽车平顺性后处理程序计算出总加权加速度均方根值v，如图2所示。

3 数据后处理软件开发

软件基于Matlab环境，输入数据为Excel格式，可以计算脉冲试验垂向最大加速度、振动剂量（VDV，Vibration Dose Value），随机试验各点总加权加速度均方根值，综合总加权加速度均方根v，并且能够导出1/3倍频程曲线、v和车速的关系曲线等，为平顺性测试与分析提供强有力的工具，提高试验报告的编写效率。

3.1 随机输入数据处理

数据处理中采用如下参数：

1）截止频率：90 Hz；

2）频率分辨率和独立样本数：=0.125，=25；

3）采样频率：5 000 Hz；

4）使用窗函数：汉宁窗；

5）试验时间：200 s。

软件开始界面如图3所示，分为振动数据输入区、操作区、加速度均方根计算区、1/3倍频程曲线显示区和车速-v关系区。数据输入区显示输入的特定车速的振动加速度功率谱密度离散值，单位为m/s2，格式为Excel，可选择导入单个数据文件，也可导入多个数据文件计算多次试验的结果。操作区项目选择包括计算单个车速点的结果和平均多次试验结果。均方根计算结果显示区，能够看到3个测点9个方向的单轴加权加速度均方根，每个测点的总加权加速度均方根和综合总加权加速度均方根；另外根据GB/T 4970—2009汽车平顺性试验方法，加权加速度均方根值与人的主观感觉之间关系，能够输出对应车速下人体主观感觉的判定结果。1/3倍频程曲线显示区可以同时显示同一测点3个方向的加速度均方根值曲线。不同车速和v的变化曲线显示在界面右下方，同时可以导出.jpg格式的图片。

3.2 脉冲输入数据处理

数据后处理界面如图4所示，包括数据导入区、计算区和结果曲线显示区。其中数据导入区与随机输入相同，输入文件为汽车通过凸块过程中加速度时间历程；计算区能够显示各个测点的垂向最大加速度max和振动剂量值VDV；结果显示区可以直观地观察加速度和VDV随车速变化的情况，并能输出.jpg格式的图片。

4 平顺性试验实例分析

4.1 试验条件

应用所建立的试验测试系统和后处理软件，以某乘用车进行汽车平顺性道路试验，分析车辆的平顺性能。试验地点为交通部通州试验场的组合路中的长直一般路面，路面条件良好，试验数据采集时间200 s。

该车整备质量为1 520 kg，试验时均匀加载，包括测试仪在内总质量为2 035 kg，试验过程中车辆保持满载状态，样车具体参数见表1。

表1 试验样车数据

参数参数值参数参数值 整备质量/kg1 520后悬架形式扭力梁式 满载质量/kg2 035轮胎型号205/55 R16 前悬架形式麦弗逊式轮胎气压/kPa230

4.2 脉冲输入试验结果

根据GB/T 4970—2009试验要求，脉冲输入试验时汽车左右车轮同时驶过凸块，凸块放置在与汽车行驶方向垂直的直线上，每个车速下试验需要进行5次，取垂向加速度平均值。脉冲试验处理结果如图5所示。

从图5可以看出，低速行驶时，随着车速增加各个测点的垂向加速度增大，在车速达到40 km/h后，垂向加速度出现波动，并有一定程度的下降。由于没有座椅的缓冲作用，地板处振动最大，达到16.9 m/s2。根据ISO 2631 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole- body vibration中振动对人体健康影响的评价方法，max＞43.0 m/s2时，会严重损害人体健康，max＜31.4 m/s2时，不会对人体健康产生不利影响，max介于31.4～43.0 m/s2之间时，对人体健康有一定影响。可以看出，在脉冲输入下，样车舒适性符合要求，不会损害人体健康。

4.3 随机试验处理结果

样车分别以标准规定的各车速通过长直水泥路面，得到各测点振动加速度，经过后处理软件计算得到加权加速度均方根值，见表2和图6所示。

表2 随机输入试验结果

车速/（km/h）aw/（m/s2）av/（m/s2）车速/（km/h）aw/（m/s2）av/（m/s2） 40地板0.1830.41160地板0.2050.441 座垫0.302座垫0.325 靠背0.209靠背0.215 50地板0.1850.39370地板0.2010.396 座垫0.286座垫0.272 靠背0.194靠背0.206

表3为国标规定的人体主观舒适性评价标准，对比表2和表3中的数据，样车的加权加速度均方根均落在0.315～0.63之间，人体主观感觉为有些不舒适。

表3 加权加速度与主观感觉的关系

总加权加速度均方根值/（m/s2）人的主观感觉 < 0.315没有不舒适 0.315～0.63有些不舒适 0.5～1比较不舒适 0.8～1.6不舒适 1.25～2.5很不舒适 >2极不舒适

5 结 论

汽车平顺性是从人体主观舒适的角度考察不同路面输入下车辆衰减振动的能力，车辆的颠簸不仅会妨害乘坐人员的生理和心理感受，还会对汽车部件的使用性能产生不利影响。文中的论述为测试分析平顺性提供了一个重要的途径。通过对样车进行平顺性道路试验，建立完善的平顺性试验硬件流程，形成一体化试验数据采集平台，简易直观，可操作性强，实用性好。以Matlab为基础编写了试验数据后处理软件，软件算法基于最新的平顺性试验方法GB/T 4970—2009，能够对平顺性数据进行客观分析，明显提升试验数据的处理速度，具有实际的工作意义。

[1]夏均忠，马宗坡，方中雁，等. 汽车平顺性评价方法综述[J]. 噪声与振动控制，2012，32（4）：1-5.

[2]徐中明，张志飞，贺岩松. 对汽车平顺性评价方法的探讨与建议[J]. 汽车工程，2010，32（1）：73-76.

[3]客车平顺性评价指标及限值：QC/T 474—2011[S].

[4]汽车平顺性试验方法：GB/T 4970—2009[S].

[5]余志生. 汽车理论（第5版）[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

1002-4581（2017）03-0019-04

U461.4

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.005