CN106679990A - 汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，该方法包括：建立坐标系、布置测点及安装传感器、布置激励点及测量激励点坐标、测量频率响应函数、求解从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵、求解从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量、路试、求解激励功率谱密度矩阵、验证激励功率谱密度矩阵识别有效性、计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率。本发明与现有技术相比具有如下优点：(1)能够同时考虑路面对车辆的激励力和激励力矩，从而消除了现有技术中因忽略激励力矩而带来的误差；(2)能够计算存在相关性的各自由度轮心力对车辆振动噪声的能量贡献率，从而避免了采用常相干系数法或者多重相干系数法带来的误差。

Description

汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率的计算方法

技术领域

本发明属于车辆工程技术领域，涉及一种汽车测试技术，具体涉及一种能够适用于存在相关性的并同时考虑激励力和激励力矩的汽车六自由度轮心力测试及车辆振动噪声能量贡献率的计算方法。

背景技术

随着改革开放以来我国科学技术日新月异的发展和人民生活水平的提高，在汽车等交通工具的使用越来越普及的同时，人们对汽车的NVH(噪声、振动和声振粗糙度)性能也提出了越来越高的要求。而识别路面对汽车的激励并计算各自由度激励对车辆振动噪声的能量贡献率，是进行汽车NVH性能开发研究及问题分析的前提。

路面对汽车轮毂中心激励的识别属于平稳随机动载荷识别问题，已为广大学者所研究，这是一个典型的求逆问题，通常采用频响函数矩阵求逆法。而目前针对汽车轮毂中心激励的测试中只考虑了激励力，而并没有考虑激励力矩，这势必在后续的分析中，如主成分分析、多参考传递路径分析带来误差。而之所以没有考虑激励力矩，主要是因为很难通过实验方法直接测量力矩—加速度频响函数。而且由于汽车直线行驶时前轮与后轮经过的路面只有一个时间差，左轮与右轮悬架对称且路面平整度基本相同，因此作用在不同车轮上的各自由度激励间存在着较大的相关性，采用常相干系数法或者多重相干系数法计算各自由度激励对车辆振动噪声的能量贡献率会引入比较大的误差。

发明内容

基于上述汽车测试技术的缺陷核问题，本发明的目的是提供一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率的计算方法，通过同时考虑路面对车辆的激励力和激励力矩，能够消除汽车测试中因忽略激励力矩而带来的误差；通过计算存在相关性的各自由度轮心力对车辆振动噪声的能量贡献率，从而避免了采用常相干系数法或者多重相干系数法带来的误差，解决了现有汽车测试技术存在的上述问题。

本发明所采用的技术方案是，一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，该方法包括：建立坐标系、布置测点及安装传感器、布置激励点及测量激励点坐标、测量频率响应函数、求解从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵、求解从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量、路试、求解激励功率谱密度矩阵、验证激励功率谱密度矩阵识别有效性、计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率；

所述方法的具体步骤如下：

(1)建立坐标系：在驾驶员和副驾驶位置放置两个假人或与路试人员质量相近的重物，用弹性绳绕过每个车轮将整车吊起，使与所有车轮底部相切平面保持水平；以第j个车轮的轮毂中心为原点o_j，以车辆前进方向为x轴的正方向，以驾驶员左侧方向为y轴的正方向，以竖直向上为z轴的正方向，建立局部空间直角坐标系o_j-xyz，j＝1,2,3…n，n为车轮总数；

(2)布置测点及安装传感器：在每个车轮附近非旋转位置处布置至少两个响应点，设第i个响应点为r_i，i＝1,2,3…m，在每个r_i处安装一个三向加速度传感器；在对车辆振动噪声关心的位置布置目标点，以目标点a为例，根据目标点a测量的物理量属性布置相应类型的传感器；

(3)布置激励点及测量激励点坐标：在第j个车轮轮毂上选择p个激励点,p≥3，设第j个车轮轮毂上的第k个激励点为e_jk，k＝1,2,3…p，测量其在o_j-xyz中的坐标(x_jk,y_jk,z_jk)，构建坐标矩阵T_jk：

(4)测量频率响应函数：将力锤及各传感器连接至数据采集器，数据采集器连接至便携式计算机。使用力锤在各激励点分别沿平行于o_j-xyz的三个坐标轴方向敲击，得到所有的频率响应函数。设从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjkx，从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjkx，从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjkx，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjky，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjky，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjky，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjkz，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjkz，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjkz，它们组成了从激励点e_jk到响应点r_i的频响矩阵H_ijk；设从激励点e_jk的正x方向到目标点a的频率响应函数为h_ajkx，从激励点e_jk的正y方向到目标点a的频率响应函数为h_ajky，从激励点e_jk的正z方向到目标点a的频率响应函数为h_ajkz，它们组成了从激励点e_jk到目标点a的频率响应函数向量H_ajk：

H_ajk＝[h_ajkx h_ajky h_ajkz]；

(5)求解从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵：从o_j到r_i的频响矩阵为

其中，B_ij＝[H_ij1 … H_ijk … H_ijp]，T_j＝[T_j1 … T_jk … T_jp]，

上标T表示转置，上标-1表示矩阵求逆，

所有的H_ij组成了从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵H：

(6)求解从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量：从o_j到目标点a的频率响应函数向量为

其中B_aj＝[H_aj1 … H_ajk … H_ajp]，

所有的H_aj组成了从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量，

H_A＝[H_a1 … H_an]；

(7)路试：保持各响应点及目标点传感器位置及数据采集器各通道连接不变，除去力锤，车辆驾驶员及副驾驶位置坐人，后排座椅空出，使车辆在发动机熄火、变速器挂空挡的状态下在路面以恒定车速行驶，采集各测点时域信号；利用实测时域信号计算响应点响应功率谱密度矩阵S_yy和目标点响应功率谱密度G'_yy；

(8)求解激励功率谱密度矩阵：激励功率谱密度矩阵S_xx＝H^*+·S_yy·H^T+，其中上标*表示复共轭，上标T表示转置，上标+表示广义逆矩阵，采用截断奇异值分解法求解；

(9)验证激励功率谱密度矩阵识别有效性：计算目标点响应功率谱密度与实测目标点响应功率谱密度G'_yy比较，在二者一致性良好的频段，认为激励识别是有效的；

(10)计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率：设S_xx的奇异值分解表示为S_xx＝U·S_x'x'·U^H，其中U为奇异向量矩阵，S_x'x'为奇异值矩阵，上标H表示共轭转置；激励i对目标点响应y的能量贡献率为：

其中u_ii'为U的第i行、第i'列的元素；G_yi'为中的第i'个元素；S_i'i'为S_x'x'的对角线上第i'个元素。

本发明所述的一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，其特征还在于：

所述方法同时考虑了轮毂中心的激励力和激励力矩。

所述方法采用截断奇异值分解法来求广义逆矩阵。

所述方法采用虚相干系数法来计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率。

本发明汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，与现有技术相比具有如下优点：

(1)能够同时考虑路面对车辆的激励力和激励力矩，从而消除了现有技术中因忽略激励力矩而带来的误差；

(2)能够计算存在相关性的各自由度轮心力对车辆振动噪声的能量贡献率，从而避免了采用常相干系数法或者多重相干系数法带来的误差。

附图说明

图1是本发明测试计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，如图1所示，该方法包括：建立坐标系、布置测点及安装传感器、布置激励点及测量激励点坐标、测量频率响应函数、求解从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵、求解从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量、路试、求解激励功率谱密度矩阵、验证激励功率谱密度矩阵识别有效性、计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率。

本发明汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法拟通过力锤激励法测试所有轮毂激励点到悬挂下靠近车轮的响应点处的频率响应函数，以及路试采集各响应点的时域信号，最终得到路面激励功率谱密度矩阵并计算路面激励对车辆振动噪声的能量贡献率。

其具体测试步骤如下：

(1)建立坐标系：在驾驶员和副驾驶位置放置两个假人或与路试人员质量相近的重物，用弹性绳绕过每个车轮将整车吊起，使与所有车轮底部相切平面保持水平；以第j个车轮的轮毂中心为原点o_j，以车辆前进方向为x轴的正方向，以驾驶员左侧方向为y轴的正方向，以竖直向上为z轴的正方向，建立局部空间直角坐标系o_j-xyz，j＝1,2,3…n，n为车轮总数。

(2)布置测点及安装传感器：在每个车轮附近非旋转位置处布置至少两个响应点，设第i个响应点为r_i，i＝1,2,3…m，在每个r_i处安装一个三向加速度传感器；在对车辆振动噪声关心的位置布置目标点，这里以目标点a为例，根据目标点a测量的物理量属性布置相应类型的传感器。

(3)布置激励点及测量激励点坐标：在第j个车轮轮毂上选择p个激励点,p≥3，设第j个车轮轮毂上的第k个激励点为e_jk，k＝1,2,3…p，测量其在o_j-xyz中的坐标(x_jk,y_jk,z_jk)，构建坐标矩阵T_jk：

(4)测量频率响应函数：将力锤及各传感器连接至数据采集器，数据采集器连接至便携式计算机。使用力锤在各激励点分别沿平行于o_j-xyz的三个坐标轴方向敲击，得到所有的频率响应函数。设从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjkx，从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjkx，从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjkx，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjky，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjky，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjky，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjkz，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjkz，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjkz，它们组成了从激励点e_jk到响应点r_i的频响矩阵H_ijk；设从激励点e_jk的正x方向到目标点a的频率响应函数为h_ajkx，从激励点e_jk的正y方向到目标点a的频率响应函数为h_ajky，从激励点e_jk的正z方向到目标点a的频率响应函数为h_ajkz，它们组成了从激励点e_jk到目标点a的频率响应函数向量H_ajk：

H_ajk＝[h_ajkx h_ajky h_ajkz]。

(5)求解从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵：从o_j到r_i的频响矩阵为

其中，B_ij＝[H_ij1 … H_ijk … H_ijp]，T_j＝[T_j1 … T_jk … T_jp]，

上标T表示转置，上标-1表示矩阵求逆；所有的H_ij组成了从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵H：

(6)求解从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量：从o_j到目标点a的频率响应函数向量为

其中B_aj＝[H_aj1 … H_ajk … H_ajp]，

所有的H_aj组成了从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量H_A＝[H_a1 … H_an]。

(7)路试：保持各响应点及目标点传感器位置及数据采集器各通道连接不变，除去力锤，车辆驾驶员及副驾驶位置坐人，后排座椅空出，使车辆在发动机熄火、变速器挂空挡的状态下在路面以恒定车速行驶，采集各测点时域信号；利用实测时域信号计算响应点响应功率谱密度矩阵S_yy和目标点响应功率谱密度G'_yy。

(8)求解激励功率谱密度矩阵：激励功率谱密度矩阵S_xx＝H^*+·S_yy·H^T+，其中上标*表示复共轭，上标T表示转置，上标+表示广义逆矩阵，采用截断奇异值分解法求解。

(9)验证激励功率谱密度矩阵识别有效性：计算目标点响应功率谱密度与实测目标点响应功率谱密度G'_yy比较，在二者一致性良好的频段，认为激励识别是有效的。

(10)计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率：设S_xx的奇异值分解表示为S_xx＝U·S_x'x'·U^H，其中U为奇异向量矩阵，S_x'x'为奇异值矩阵，上标H表示共轭转置；激励i对目标点响应y的能量贡献率为其中u_ii'为U的第i行、第i'列的元素；G_yi'为中的第i'个元素；S_i'i'为S_x'x'的对角线上第i'个元素。

上述实施方式只是本发明的一个实例，不是用来限制发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。

Claims (4)

1.一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，其特征在于，该方法包括：建立坐标系、布置测点及安装传感器、布置激励点及测量激励点坐标、测量频率响应函数、求解从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵、求解从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量、路试、求解激励功率谱密度矩阵、验证激励功率谱密度矩阵识别有效性、计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率；

所述方法的具体步骤如下：

(1)建立坐标系：在驾驶员和副驾驶位置放置两个假人或与路试人员质量相近的重物，用弹性绳绕过每个车轮将整车吊起，使与所有车轮底部相切平面保持水平；以第j个车轮的轮毂中心为原点o_j，以车辆前进方向为x轴的正方向，以驾驶员左侧方向为y轴的正方向，以竖直向上为z轴的正方向，建立局部空间直角坐标系o_j-xyz，j＝1,2,3…n，n为车轮总数；

(2)布置测点及安装传感器：在每个车轮附近非旋转位置处布置至少两个响应点，设第i个响应点为r_i，i＝1,2,3…m，在每个r_i处安装一个三向加速度传感器；在对车辆振动噪声关心的位置布置目标点，以目标点a为例，根据目标点a测量的物理量属性布置相应类型的传感器；

(3)布置激励点及测量激励点坐标：在第j个车轮轮毂上选择p个激励点,p≥3，设第j个车轮轮毂上的第k个激励点为e_jk，k＝1,2,3…p，测量其在o_j-xyz中的坐标(x_jk,y_jk,z_jk)，构建坐标矩阵T_jk：

$T_{jk}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\\ 0& -z_{jk}& y_{jk}\\ z_{jk}& 0& -x_{jk}\\ -y_{jk}& x_{jk}& 0\end{array}\right];$

(4)测量频率响应函数：将力锤及各传感器连接至数据采集器，数据采集器连接至便携式计算机。使用力锤在各激励点分别沿平行于o_j-xyz的三个坐标轴方向敲击，得到所有的频率响应函数。设从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjkx，从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjkx，从激励点e_jk的正x方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjkx，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjky，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjky，从激励点e_jk的正y方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjky，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正x方向之间的频率响应函数为h_ixjkz，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正y方向之间的频率响应函数为h_iyjkz，从激励点e_jk的正z方向到响应点r_i的正z方向之间的频率响应函数为h_izjkz，它们组成了从激励点e_jk到响应点r_i的频响矩阵H_ijk；设从激励点e_jk的正x方向到目标点a的频率响应函数为h_ajkx，从激励点e_jk的正y方向到目标点a的频率响应函数为h_ajky，从激励点e_jk的正z方向到目标点a的频率响应函数为h_ajkz，它们组成了从激励点e_jk到目标点a的频率响应函数向量H_ajk；

$H_{ijk}=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{ixjkx}& h_{ixjky}& h_{ixjkz}\\ h_{iyjkx}& h_{iyjky}& h_{iyjkz}\\ h_{izjkx}& h_{izjky}& h_{izjkz}\end{array}\right]$

H_ajk＝[h_ajkx h_ajky h_ajkz]；

(5)求解从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵：从o_j到r_i的频响矩阵为

其中，B_ij＝[H_ij1 … H_ijk … H_ijp]，T_j＝[T_j1 … T_jk … T_jp]，

上标T表示转置，上标-1表示矩阵求逆，

所有的H_ij组成了从轮毂中心到响应点的频率响应函数矩阵H：

(6)求解从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量：从o_j到目标点a的频率响应函数向量为

其中B_aj＝[H_aj1 … H_ajk … H_ajp]，

所有的H_aj组成了从轮毂中心到目标点的频率响应函数向量，

H_A＝[H_a1 … H_an]；

(7)路试：保持各响应点及目标点传感器位置及数据采集器各通道连接不变，除去力锤，车辆驾驶员及副驾驶位置坐人，后排座椅空出，使车辆在发动机熄火、变速器挂空挡的状态下在路面以恒定车速行驶，采集各测点时域信号；利用实测时域信号计算响应点响应功率谱密度矩阵S_yy和目标点响应功率谱密度G'_yy；

(8)求解激励功率谱密度矩阵：激励功率谱密度矩阵S_xx＝H^*+·S_yy·H^T+，其中上标*表示复共轭，上标T表示转置，上标+表示广义逆矩阵，采用截断奇异值分解法求解；

(9)验证激励功率谱密度矩阵识别有效性：计算目标点响应功率谱密度与实测目标点响应功率谱密度G'_yy比较，在二者一致性良好的频段，认为激励识别是有效的；

(10)计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率：设S_xx的奇异值分解表示为S_xx＝U·S_x'x'·U^H，其中U为奇异向量矩阵，S_x'x'为奇异值矩阵，上标H表示共轭转置；激励i对目标点响应y的能量贡献率为：

其中u_ii'为U的第i行、第i'列的元素；G_yi'为中的第i'个元素；S_i'i'为S_x'x'的对角线上第i'个元素。

2.根据权利要求1所述的一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，其特征在于：所述方法同时考虑了轮毂中心的激励力和激励力矩。

3.根据权利要求1所述的一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，其特征在于：所述方法采用截断奇异值分解法来求广义逆矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种汽车六自由度轮心力测试及振动噪声贡献率计算方法，其特征在于：所述方法采用虚相干系数法来计算各自由度激励对目标点响应的能量贡献率。