基于路面平整度模拟的汽车行驶振动感应研究_罗晨晖.pdf

收稿日期:20220325第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02017205基于路面平整度模拟的汽车行驶振动感应研究罗晨晖1，麻友良2(1 武汉城市学院机电工程学部，湖北 武汉 430075;2 武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)摘要:由于当前应用较为广泛的智能车辆所需扭矩均较大，换挡后加速过程，车身前后振动明显，尤其在高速行驶时易出现方向盘抖动或跳动、发动机支撑不稳的问题。为此，提出考虑路面平整度的智能汽车行驶振动感应方法。构建路面平整度函数模拟，计算有效道路空间振动频率分量，计算汽车行驶过程中受到路面空间振动激励和响应。在路面激励模型中加入截至频率，构建车路间耦合性振动感应模型，计算车辆系统和道路系统间各种情况下振动。利用路面振动响应函数的速度谱和加速度谱函数，计算路面对车辆振动的激励和响应间关联度，结合相对坐标的函数推导，实现对智能汽车行驶振动的感应。实验结果显示，研究方法能准确计算出汽车行驶中的振动频率，且对振动的感应误差小，说明上述方法的应用具有准确性高，鲁棒性好的性能优势。关键词:路面平整度;智能汽车;振动感应;频率分量;路面粗糙度系数中图分类号:U461文献标识码:Besearch on Vehicle Driving Vibration InductionBased on oad oughness SimulationLUO Chenhui1，MA Youliang2(1 Division of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan City College，Wuhan Hubei 430075，China;2 Chool of Automotive and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China)ABSTACT:At present，common intelligent vehicles require high torque After shifting，the front and rear vibrationsof the car body are obvious during acceleration Especially，when driving at high speed，the vehicle is prone to theproblems of steering wheel shaking or jumping，and engine support instability Therefore，this paper proposed asensing method for intelligent vehicle driving vibration based on pavement roughness Firstly，a simulation of pavementroughness functions was constructed to calculate the vibration frequency component of available road space and theexcitation and response of spatial vibration of the road Then the cutoff frequency was added to the pavementexcitation model for building a coupling vibration induction model between vehicles and roads Secondly，the vibrationbetween vehicle systems and road systems was calculated in different conditions Moreover，the speed spectrum andacceleration spectrum function of the road vibration response function was used to calculate the correlation betweenthe excitation and response of the road surface to vehicle vibration Finally，combined with the function derivation ofrelative coordinates，the sensing for the driving vibration of the intelligent vehicle was achieved Experimental resultsprove that the proposed method can accurately calculate the vibration frequency of the vehicle driving state with lowerror of vibration，indicating the performance advantages of high accuracy and good robustnessKEYWODS:Pavement flatness;Intelligent vehicle;Vibration induction;Frequency component;oughnesscoefficient of pavement2711引言汽车产业的不断发展为人们的生产生活提供了相当的便利和舒适环境。然而机动车所造成的能耗与废气排放也对环境造成一定的污染。因此，目前相关领域专家正着手于研发新型智能汽车，主要方向为智能驾驶和新能源智能利用，汽车的智能驾驶系统在提高汽车感知和控制性能的同时，能够大大提升驾驶员的驾驶体验感，同时减少驾驶疲劳。但是，对于智能汽车行驶过程，最大的影响因素在于行驶过程中产生的振动情况。为了提高行车过程中的舒适度，增强智能汽车的振动感知能力是有必要的。针对这一问题，陈广华等人1 研究了一种行车振动检测法，利用竖向振动加速度的平均绝对偏差，建立行车速度敏感度参数，评估行车振动情况;韩毅2 提出了一种基于时域分析的车辆轴承振动信号感应方法。该方法以地铁为例，针对车辆滚动轴承故障，选取旋转机械固有的振动信号，运用信号的统计参数来完成车辆轴承振动信号的感应。张金喜3 研究了一种平整度智能检测法，提取振动加速度特征值，建立神经网络分析车辆行驶过程中，振动加速度数据和路面不平整度之间的关系，实现车辆行驶振动检测;虽然上述方法已经取得了较好的应用效果，但是由于均未考虑到车路之间的振动激励和响应情况，因此得到的振动感知结果存在一定的误差。对此本文充分考虑路面平整度对车辆行驶过程中的振动影响，建立了道路不平度因子模型，并对车辆在行驶中所受的影响进行了深度分析，主要围绕道路空间振动对车辆的激发与反应，计算路面相对不平度位移和功率谱密度，建立车路之间的耦合性振动感应模型，根据车路随机振动相关原理，计算路面对车辆振动的激励和响应间关系，实现最终的振动感应。2路面平整度及其功率谱密度的计算本文在研究汽车行驶过程中发生的振动感应时，首先考虑到路面的平整因素给汽车行驶带来的相应影响，构建函数模拟路面平整度的功率谱密度拟合公式Gx(n)=Gx(n0)nwn0(1)式中，n 表示路面在空间上的振动频率，n 是振动波长 的倒数，代表每米路面长度中所包含的波长数量，n0表示路面的参考空间振动频率，取值保持在 0.1m1，Gx(n0)表示参考 n0后得出的公路路面功率谱具体密度值，代表的是路面的不平整系数，主要判断依据是公路具体的路面等级4，w 表示路面空间振动频率指数，主要决定路面功率谱密度函数值的震荡频率结构，w 为常数，通常情况下取值为 2。影响汽车振动系统的主要因素除了路面平整度之外，还需要着重考虑汽车行驶过程中的车速，假设车辆的平均行驶速度为 v，以该速度均匀驶过空间振动频率为 n 的不平整路面时，负责车辆承重和减振的轮胎部位受到的激振频率可表示为f=vn(2)这里为了方便研究和模拟，假设所研究智能汽车发生振动的主要固定频率范围维持在(f1，fu)，由此能够获得路面平整度对应的功率谱密度，在实际有效路面空间振动频率的上限和下限并分别表示为nu=fuv(3)n1=f1v(4)一般的车辆都会配备一定的隔振装置5，以应付某一频率的路面激励所引起的位移，使其与路面受力的加速度对应，故在计算路面平坦度时，可适当地忽略这些不必要的频率分量的影响，使车辆所需的有效道路空间振动频率分量上下限为Gx(n)=Gx(n0)nwn0(nl n nu)0(other)(5)式中，nu和 nl分别表示有效路面空间振动频率的上限和下限，为了保证车辆行驶过程中是保持匀速行驶的，需要对路目标包含汽车振动系统的固定频率，空间振动频率 n 的取值范围为(0.011，2.830)，若车辆行驶速度 v 保持在 1030ms1 时，可以保证轮胎处的激振频率 f 维持在 0.3328.3Hz。在该激振频率范围内，可以有效覆盖车辆自身产生的固定频率 12Hz，以及车轮和轮胎的总重量产生的固定频率 1015Hz。针对路面的平整度进行数据采样，将采样结果 xm进行傅里叶离散6 变化可得Xk=N1m=0 xme2kmiN(k=0，1，2，N 1)(6)式中，m 表示采样数据的误差量，i 表示采样数据集合变化分量。此时根据式(6)进一步计算 Xk和路面平整度的功率谱密度 Gx(nk)之间存在的函数对应关系Xk=N2lGx(nk)k=0，1，2，N2()nk=kn，l=L/N，n=1/L(7)其中，l 表示路面平整度采样距离间隔，l 表示采样路面对应的空间频率分辨率，L 为路面平整度采集距离总米数，N 表示路面采样点数。经过傅里叶函数计算，可以得出路面平整度的系数平均值，从而得到路面平整度模拟结果。3汽车行驶过程中对路面的激励作用分析根据上文求得的路面平整度的功率谱密度 Gx(n0)，可以将路面细化为 AH 八个等级，利用滤波白噪声7，8 建立路面对汽车行驶产生的激励模型，并对路面激励进行时域仿真分371析，首先在传递函数 G(j)中随机输入强度为 1 的白噪声，经过函数推导后输出路面相对不平度位移 q9，滤波路面过程中的功率谱密度表示为Gq(f)=Gq(n0)n20nuf2=|G(f)|22(8)q=G(j)w(9)在该模型中，2表示随机白噪声 w 对应的函数方差且为常数，该变量的数值为 1，j 代表函数中特定虚单元。将圆频率 带入到式(10)中，可得到改写后的功率谱密度Gq()=Gq(f)2=2Gq(n0)n20u2=|G()|2222=1(10)式中，u 表示上限系数此时得到路面不平度位移具体的时域表达式q(t)=2n0Gq(n0)uw(t)(11)其中，w(t)表示随机白噪声的均值是 0、方差是 1，那么可以得知式(11)表达的是积分白噪声函数模型。若路面的空间振动频率处在低频范围内，可以将道路大致看作是水平的，这时，在公路路面对车辆行驶的激励模型中加入一个截至频率10 f0Gq(f)=Gq(n0)n20u(f+f0)2(12)公式中截至频率 f0的取值范围维持在 0.01Hz 附近。在实际的路面空间范围振动情况下，下截至频率属于路面的空间频率:q(t)=2n1uq(t)+2n0Gq(n0)uw(t)(13)式中，n1表 示 路 面 空 间 范 围 内 的 下 截 至 频 率，且 n1=0.01m1。4车路耦合线性振动感应基于对汽车行驶过程中对路面的激励作用的分析，本文在研究车辆振动感应的过程中，考虑道路结构体系中存在的不平整因