CN118013643A - 用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，包括：构建整车动力学模型和模拟迭代系统；获取实测的响应信号和轮心五分力激励载荷信号，通过模拟迭代系统不断反求整车动力学模型四个车轮的轮心垂向位移信号，并将最后一次迭代的四个车轮轮心垂向位移信号和实测的轮心五分力激励载荷信号作为整车动力学模型最终的驱动信号；以灵敏度和线性度为指标，在电驱动总成模型上确定振动加速度响应测点；通过最终的驱动信号激励整车动力学模型，进而提取各个振动加速度响应测点的振动加速度，并根据灵敏度进行加权得到电驱动总成的振动加速度载荷谱。本发明能够提高电驱动总成振动加速度载荷谱提取的有效性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电驱动总成载荷谱提取技术领域，具体涉及用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法。
背景技术
电驱动总成是新能源汽车的一个核心总成，它的功能是根据电池和动力需求，把电能转换为旋转的机械能，输出给传动装置和轮胎。电驱动总成在电动汽车实际行驶过程中由于复杂的道路环境、有限的空间和自身产生振动等因素的影响容易产生振动，导致其性能变差甚至失效。所以振动试验及振动分析就成为了电驱动总成开发过程中必不可少的环节之一。而电驱动总成振动加速度载荷谱是电驱动总成振动试验和振动疲劳性能开发的重要基础载荷数据，因此准确提取电驱动总成实际振动载荷谱十分必要。
目前，针对车辆及零部件载荷谱的提取方面展开了诸多研究，主要包括道路载荷数据采集、汽车虚拟试验场技术VPG、约束车身加载法、模拟迭代法。其中比较简单得到载荷谱的方式为道路载荷数据采集。汽车虚拟试验场技术是用各种试验道路的路面垂向位移高度作为输入，通过动力学仿真得到部件关键处的载荷谱，但VPG技术由于需要用到许多非线性的材料参数导致建模和仿真时间非常久。约束车身加载法假设车身不会相对于地面运动，将车身与地面固定，采用试验实测车轮六分力载荷谱施加在车辆动力学模型的轮心处，六分力载荷激励动力学模型得到提取处载荷，但约束车身加载法可能导致提取的载荷数据与实际数据存在出入，是因为该方法没有考虑到底盘和车身之间的相对位移。模拟迭代法提取零部件载荷谱的方法，具有成本更低，精度更高的优势，得到了较广泛的应用。
但目前，模拟迭代法大多针对汽车各零部件进行载荷谱提取，还未应用于三合一电驱动总成振动载荷谱的提取。因此，如何设计一种基于模拟迭代法实现电驱动总成振动载荷谱提取的方法是亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，通过构建整车动力学模型和模拟迭代系统来反求期望的轮心垂向位移信号和轮心五分力激励载荷信号(即驱动信号)，同时以灵敏度和线性度为指标设置振动加速度响应测点并根据灵敏度进行加权，实现了基于模拟迭代法实现电驱动总成振动载荷谱提取，从而能够提高电驱动总成振动加速度载荷谱提取的有效性和准确性。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，包括：
S1：构建包含电驱动总成模型的整车动力学模型；
S2：为整车动力学模型构建模拟迭代系统；模拟迭代系统包括由四个车轮的轮心垂向位移信号和轮心五分力激励载荷信号组成的驱动信号以及响应信号；
S3：获取实测的响应信号和轮心五分力激励载荷信号，通过模拟迭代系统不断反求整车动力学模型四个车轮的轮心垂向位移信号，并将最后一次迭代的四个车轮轮心垂向位移信号和实测的轮心五分力激励载荷信号一起作为整车动力学模型最终的驱动信号；
S4：以灵敏度和线性度为指标，在电驱动总成模型上确定振动加速度响应测点；
S5：通过最终的驱动信号激励整车动力学模型，进而提取各个振动加速度响应测点的振动加速度，并根据振动加速度响应测点的灵敏度进行加权，得到电驱动总成的振动加速度载荷谱。
优选的，通过AdamsCar软件构建包含车身模型、电驱动总成模型、前悬架模型、后悬架模型、转向系模型和轮胎模型的整车动力学模型。
优选的，轮心五分力激励载荷信号包括轮心的侧向力、纵向力、回正力矩、滚动阻力矩和侧倾力矩。
优选的，响应信号以轮心垂向力信号作为输出信号，以减振器轴向力信号和轮心垂向加速度信号为监控信号。
优选的，通过如下步骤生成驱动信号：
S301：将为四个车轮轮心垂向位移生成的白噪声信号U(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号X(f)激励整车动力学模型，得到驱动信号X(f)激励输出的响应信号为Z(f)；
S302：根据驱动信号X(f)和对应的响应信号为Z(f)计算频率响应函数H(f)，进而根据传递函数计算对应的逆频率响应函数H-1(f)；
1)驱动信号X(f)和对应的响应信号为Z(f)之间的关系表示为：
Z(f)＝H(f)*X(f)；
2)频率响应函数H(f)表示为：
3)逆频率响应函数H-1(f)是频率响应函数H(f)的M-P广义逆矩阵；
S303：进行模拟迭代反算流程：
S3031：根据实测的响应信号Y(f)和频率响应函数H(f)计算第一次迭代的驱动信号W1(f)；
1)实测的响应信号Y(f)表示为：
式中：y1(t)、y2(t)、y3(t)、y4(t)分别表示四个车轮实测的轮心垂向力信号；y5(t)、y6(t)、y7(t)、y8(t)分别表示四个车轮实测的减振器轴向力信号；y9(t)、y10(t)、y11(t)、y12(t)分别表示四个车轮实测的轮心垂向加速度信号；
2)第一次迭代的驱动信号W1(f)的计算公式为：
S3032：通过当前迭代的驱动信号W1(f)中的四个车轮轮心垂向位移信号U1(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号X1(f)激励整车动力学模型，得到当前迭代的响应信号Q(f)；
S3033：通过当前迭代的响应信号Q(f)和实测的响应信号Y(f)计算误差E(f)，并判断是否满足精度要求：若是，则进入步骤S3036；否则，进入步骤S3034；
误差E(f)的计算公式如下：
E(f)＝|Y(f)-Q(f)|；
S3034：通过误差E(f)和逆频率响应函数H-1(f)计算当前迭代的修正响应信号Qe(f)，进而根据当前迭代的修正响应信号Qe(f)和当前迭代的驱动信号计算下一次迭代的驱动信号；
1)当前迭代的修正响应信号的计算公式如下：
Qe(f)＝E(f)*H-1(f)；
2)下一次迭代的驱动信号的计算公式如下：
Wn(f)＝Qe(f)+Wn-1(f)；
式中：Wn(f)表示第n次迭代的驱动信号；Wn-1(f)表示第n-1次迭代的驱动信号；
S3035：将下一次迭代的驱动信号Wn(f)中的四个车轮轮心垂向位移信号Un(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号Xn(f)激励整车动力学模型，得到当前迭代的响应信号Q(f)，并返回步骤S3033；
S3036：将最后一次迭代的驱动信号中的四个车轮轮心垂向位移信号与实测的轮心五分力激励载荷信号一起作为整车动力学模型最终的驱动信号。
优选的，进一步判断将最后一次迭代的驱动信号是否满足精度要求：即判断最后一次迭代的响应信号和实测的响应信号的RMS值相对误差Er是否小于20％：若是，则满足精度要求；否则，不满足精度要求；
相对误差Er的计算公式如下：
式中：δ表示最后一次迭代的响应信号和实测的响应信号的绝对误差；x表示最后一次迭代的响应信号RMS值；L表示实测的响应信号的RMS值。
优选的，通过如下步骤设置振动加速度响应测点：
S401：在整车动力学模型的电驱动总成模型设置若干个初始响应测点，至少包括电驱动总成悬置支撑位置响应测点；
S402：对整车动力学模型进行三次不同强度的白噪声信号激励，并根据输出的测点响应加速度信号计算各个初始响应测点的灵敏度和线性度；
S403：根据各个初始响应测点在X、Y、Z三个方向的灵敏度和线性度确定最优的响应测点，并与悬置支撑位置响应测点共同组成最终的振动加速度响应测点。
优选的，灵敏度和线性度的计算公式如下：
式中：δ和λ表示初始响应测点的灵敏度和线性度；xa(t)和xb(t)表示前后两次不同的白噪声信号；ya(t)和yb)t(表示前后两次不同白噪声信号激励得到的测点响应加速度信号；δ1表示第一次和第二次白噪声信号激励得到的灵敏度；δ2表示第二次和第三次白噪声信号激励得到的灵敏度。
优选的，通过最终的驱动信号激励整车动力学模型，提取电驱动总成模型上各个振动加速度响应测点在X、Y、Z三个方向的振动加速度aix、aiy、aiz，然后根据灵敏度对各个振动加速度响应测点在X、Y、Z三个方向的振动加速度进行加权，得到用于总体描述电驱动总成振动特性的振动加速度载荷谱ax、ay、az；
公式描述为：
式中：δix表示第i个振动加速度响应测点X方向的灵敏度；δiy表示第i个振动加速度响应测点Y方向的灵敏度；δiz表示第i个振动加速度响应测点Z方向的灵敏度；n表示振动加速度响应测点的个数。
本发明中用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明以电动汽车的电驱动总成为研究对象建立了整车系统动力学模型，在此基础上以四个轮心的垂向位移及轮心五分力激励载荷信号作为驱动信号(输入信号)，四个轮心垂向力作为输出信号，四个减振器轴向力和四个轮心垂向加速度作为监控信号建立整车模拟迭代系统，然后通过模拟迭代算法不断反求整车动力学模型的轮心垂向位移信号最终得到期望的轮心垂向位移信号和轮心五分力激励载荷信号(即驱动信号)，最终通过期望的驱动信号激励整车动力学模型来提取各个振动加速度响应测点的振动加速度并根据灵敏度进行加权，得到电驱动总成的振动加速度载荷谱。一方面，本发明通过模拟迭代算法来建立整车动力学模型的响应信号与驱动信号之间的关联关系，并通过向整车动力学模型输入驱动信号来准确模拟汽车实际行驶时电驱动总成受到的载荷，能够有效提取电驱动总成振动加速度载荷谱，即实现了基于模拟迭代法实现电驱动总成振动载荷谱提取，从而能够保证电驱动总成振动加速度载荷谱提取的效果。另一方面，本发明以灵敏度和线性度为指标在电驱动总成模型上确定振动加速度响应测点，使得能够从电驱动总成模型上选取有效的响应测点(即主要位置)来准确反映电驱动总成的振动加速度，同时根据灵敏度来对各个振动加速度响应测点的振动加速度进行加权，得到用于总体描述电驱动总成振动特性的振动加速度载荷谱，从而能够进一步提高电驱动总成振动加速度载荷谱提取的准确性。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为电驱动总成振动加速度载荷谱提取方法的流程图；
图2为模拟迭代系统的结构示意图；
图3为原始载荷谱：(a)表示左前轮六分力载荷谱，(b)表示轮心垂向加速度载荷谱，(c)表示减震器轴向应变载荷谱；
图4为整车模型简化结构图；
图5为整车动力学模型的示意图；
图6为静平衡仿真质心位置；
图7为静平衡四轮载荷仿真结果；
图8为最终轮心垂向位移输入信号；
图9为轮心垂向力响应信号；
图10为电驱动总成初始响应测点选取点的示意图；
图11为测点2振动加速度载谱的示意图；
图12为测点3振动加速度载荷谱的示意图；
图13为测点5振动加速荷谱的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。例如“水平”仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
本实施例中公开了一种用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法。
如图1所示，用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，包括：
S1：构建包含电驱动总成模型的整车动力学模型；
S2：为整车动力学模型构建模拟迭代系统；模拟迭代系统的驱动信号包括四个车轮的轮心垂向位移信号和轮心五分力激励载荷信号，响应信号包括四个车轮的轮心垂向力信号、减振器轴向力信号和轮心垂向加速度信号；
本实施例中，轮心五分力激励载荷信号包括轮心的侧向力、纵向力、回正力矩、滚动阻力矩和侧倾力矩。响应信号以轮心垂向力信号作为输出信号，以减振器轴向力信号和轮心垂向加速度信号为监控信号。
构建的模拟迭代系统如图2所示，其中X1(f)、X2(f)、X3(f)、X4(f)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮心垂向位移；M(f)为轮心五分力激励载荷信号包括侧向力、纵向力、回正力矩、滚动阻力矩、侧倾力矩；Y1(f)、Y2(f)、Y3(f)、Y4(f)为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮心垂向力；Y5(f)、Y6(f)、Y7(f)、Y8(f)为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的减震器轴向力；Y9(f)、Y10(f)、Y11(f)、Y12(f)为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮心垂向加速度。
S3：获取实测的响应信号和轮心五分力激励载荷信号，通过模拟迭代系统不断反求整车动力学模型四个车轮的轮心垂向位移信号，并将最后一次迭代的四个车轮轮心垂向位移信号和实测的轮心五分力激励载荷信号一起作为整车动力学模型最终的驱动信号；
本实施例中，需要采集实测的六分力载荷谱、轮心垂向加速度载荷谱、减振器轴向应变载荷谱。
S4：以灵敏度和线性度为指标，在电驱动总成模型上确定振动加速度响应测点；
S5：通过最终的驱动信号激励整车动力学模型，进而提取各个振动加速度响应测点的振动加速度，并根据振动加速度响应测点的灵敏度进行加权，得到电驱动总成的振动加速度载荷谱。
本发明以电动汽车的电驱动总成为研究对象建立了整车系统动力学模型，在此基础上以四个轮心的垂向位移及轮心五分力激励载荷信号作为驱动信号(输入信号)，四个轮心垂向力作为输出信号，四个减振器轴向力和四个轮心垂向加速度作为监控信号建立整车模拟迭代系统，然后通过模拟迭代算法不断反求整车动力学模型的轮心垂向位移信号最终得到期望的轮心垂向位移信号和轮心五分力激励载荷信号(即驱动信号)，最终通过期望的驱动信号激励整车动力学模型来提取各个振动加速度响应测点的振动加速度并根据灵敏度进行加权，得到电驱动总成的振动加速度载荷谱。一方面，本发明通过模拟迭代算法来建立整车动力学模型的响应信号与驱动信号之间的关联关系，并通过向整车动力学模型输入驱动信号来准确模拟汽车实际行驶时电驱动总成受到的载荷，能够有效提取电驱动总成振动加速度载荷谱，即实现了基于模拟迭代法实现电驱动总成振动载荷谱提取，从而能够保证电驱动总成振动加速度载荷谱提取的效果。另一方面，本发明以灵敏度和线性度为指标在电驱动总成模型上确定振动加速度响应测点，使得能够从电驱动总成模型上选取有效的响应测点(即主要位置)来准确反映电驱动总成的振动加速度，同时根据灵敏度来对各个振动加速度响应测点的振动加速度进行加权，得到用于总体描述电驱动总成振动特性的振动加速度载荷谱，从而能够进一步提高电驱动总成振动加速度载荷谱提取的准确性。
一、载荷谱采集
本发明中，实测的响应信号和轮心五分力激励载荷信号需要通过试验采集。
试验场的采集试验规范详细规定了车辆的行驶路线和不同路面的行驶速度、油门刹车控制情况等，因此驾驶员只需在驾驶时按照试验规范操控车速及油门开度便能完成载荷谱采集试验。为了避免各驾驶员的驾驶习惯差异影响，保证采集载荷谱的重复性，每位驾驶员完成一次采集试验，试验循环次数共为3次。在进行载荷谱采集前，对六分力、加速度等传感器进行检查并完成平衡置零工作。按照采集路况和试验场规范进行实车载荷谱采集，每一个循环结束后要对采集到的数据、车辆状态、测试系统安装走线等进行检查，采集到的原始载荷谱如图3所示。再对获取的原始信号进行预处理，为后文模拟迭代所需的激励信号及监测信号提供数据。
二、整车系统动力学建模及验证
1、整车系统动力学模型的建立
本发明通过AdamsCar软件构建包含车身模型、电驱动总成模型、前悬架模型、后悬架模型、转向系模型和轮胎模型的整车动力学模型。采用的AdamsCar是ADAMS软件的一个专业模块，可以让研究人员快速创建精确的整车设计软件包，包括悬架系统、轮胎模型、转向系统等。使用AdamsCar进行整车建模顺序自下而上，首先创建模板属性.tpl文件，再构建子系统模型.sub文件，最后组合成整车模型.asy文件。
汽车是由数万个零部件构成的复杂系统，在建立整车系统动力学模型时，应该尽量简化整车结构。为了便于后文的整车模拟迭代，将实车简化成如图4所示的整车结构图。根据企业提供的车辆信息及数据，该汽车的驱动形式为前置前驱，前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为扭力梁式半独立悬架，整车基本参数如表1所示。
表1整车基本参数
该实车车身为承载式，将整车质心点定义为原点，通过对整车质心空间位置、车身质量和转动惯量等参数的计算，赋予给简化后的车身子系统，导入软件自带的无质量壳体作为整车外形，完成车身模型的搭建。依据相关资料，对三合一电驱动总成三维模型进行适当简化后，将电驱动总成作为实体导入AdamsCar软件，其质心坐标为(-1537.32，-3.21，-185.04)，赋予电驱动总成质量135kg，根据电驱动总成悬置参数，建立电驱动总成模型。前悬架类型为麦弗逊悬架，后悬架为扭力梁式半独立悬架，转向系统为传统的齿轮齿条型转向系统，通过三维模型测量获取零部件关键位置坐标参数和各部件的约束关系分别建立前后悬架模型和转向系模型。最后，依据轮胎的相关参数，建立轮胎模型。
具体的：
1、车身模型
实车车型为承载式车身，对整车的质心位置进行计算。在整车迭代仿真过程中，将车身子系统简化为忽略空气阻力的刚体球体，位于整车质心位置，导入软件自带的无质量壳体作为整车外形，并将下文计算的车身质量和转动惯量等信息赋予给刚体球体。
2、电驱动总成模型
本发明主要研究对象电驱动总成主要由驱动电机、减速器及电机控制器三部分组成。根据相关资料，对电驱动总成三维模型进行适当简化后，将电驱动总成作为实体导入AdamsCar软件，将其移动到实际安装位置，其质心坐标为(-1537.32，-3.21，-185.04)，赋予电驱动总成质量135kg。本发明研究的某车型电驱动总成由3个线性橡胶悬置连接车身。
3、前悬架模型
实车前悬架类型为轿车常用的麦弗逊悬架，主要由转向节总成、减振器、螺旋弹簧、转向拉杆和一体式三角下控制臂构成。通过三维模型测量获取零部件关键位置的硬点坐标参数，然后创建几何外形以及对各零部件间的约束关系进行定义建立模型。
4、后悬架模型
该车辆后悬架为扭力梁式半独立悬架。扭力梁悬架主要由承受垂向和侧向力矩的横梁、焊接在横梁两侧的纵梁、螺旋弹簧及减振器等组成，扭力梁式半独立悬架三维模型。根据后悬架硬点参数及各部件约束关系参照前悬架建模方法。
5、转向系模型
本发明研究的车型转向系统为传统的齿轮齿条型转向系统，主要由方向盘、齿轮、齿条和转向轴等部件构成。
6、轮胎模型
轮胎是整车模型中不可缺少的部件，它能和悬架系统协同作用，减轻地面的冲击和振动，同时承担整车的重量，确保与地面接触良好。本文轮胎采用简化的刚性模型，依据企业提供的轮胎相关参数建立轮胎模型。
由于实车实际行驶时各部件的运动关系比较复杂，而本发明重点考虑轮心垂向激励对电驱动总成的振动影响。因此，忽略部分零部件连接的弹性元件，明确各部件的相对运动形式对约束连接进行简化，由此，本文构建的整车动力学模型包含了36个活动部件，12个固定副，5个圆柱副，4个虎克副，13个转动副，4个等速副，4个球铰副、1个移动副以及齿轮齿条啮合。基于上文建立好的电驱动总成、前后悬架、转向系及轮胎模板属性.tpl文件，在标准模式下完成各子系统模型.sub文件的建立，然后装配成整车模型.asy文件，各子系统之间的装配关系由通讯器定义，搭建成完整的车辆动力学模型，最终将实车简化成如图4所示的整车结构图。
依据相关资料，对三合一电驱动总成三维模型进行适当简化后，将电驱动总成作为实体导入Adams Car软件，建立电驱动总成模型。前后悬架，转向系统通过三维模型测量获取零部件关键位置坐标参数和各部件的约束关系分别建立前后悬架模型和转向系模型。最后，依据轮胎的相关参数，建立轮胎模型。基于建立好的各子系统模型，进行装配，搭建成整车模型如图5所示。
2、整车系统动力学模型静平衡验证
在Adams Car软件中将装配好的整车动力学模型对其质心位置及载荷两方面进行静平衡验证。首先得到整车模型质心各轴坐标值，如图6所示，根据图中的X轴、Y轴和Z轴可知质心位置为(-0.09，-0.07，0.08)。三个坐标轴数值与设置的质心位置(0，0，0)数值相差0.1，在可接受正常范围内。
然后对前后轴载荷误差进行分析，整车静平衡仿真得到四个车轮受到的垂向力如图7所示，根据前后轴实测载荷参数进行误差分析如表2所示。
表2整车静平衡仿真误差分析
由上表可以看到绝对误差值较小，整车模型静平衡状态得到验证，对整车模型进行了初步的验证，可用于后续进行整车模拟迭代仿真。
三、整车道路模拟迭代
1、模拟迭代法求得载荷谱本质上是求解非线性系统的逆问题。首先基于整车载荷谱试验采集系统的响应信号(如力、加速度或应变等)，然后构建整车系统动力学模型，接着根据响应信号不断迭代反求系统的驱动信号(如轮心的垂向位移)，再以最后一次迭代得到的驱动信号激励整车模型获得研究对象关键位置的载荷谱。
1.1系统频响函数获取
本发明通过如下步骤生成驱动信号：
S301：将为四个车轮轮心垂向位移生成的白噪声信号U(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号X(f)激励整车动力学模型，得到驱动信号X(f)激励输出的响应信号为Z(f)；
本实施例中，频率响应函数是传递函数的一种形式，它可以用来分析系统的动态特性，系统的频响函数反映了系统对不同频率输入的增益和相位变化。本文所研究的系统具有24个输入信号和12个输出信号，因此令该系统的4个轮心垂向位移输入信号分别为：x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)；其它4个车轮的五个轮心六分力分量分别为：m(t)＝[x5(t)、x6(t)...x24(t)]T，其中，x5(t)、x6(t)、x7(t)、x8(t)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮侧向力；x9(t)、x10(t)、x11(t)、x12(t)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮纵向力；x13(t)、x14(t)、x15(t)、x16(t)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮回正力矩；x17(t)、x18(t)、x19(t)、x20(t)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮滚动阻力矩；x21(t)、x22(t)、x23(t)、x24(t)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮侧倾力矩，其在迭代过程中保持不变。4个轮心垂向力响应信号分别为：y1(t)、y2(t)、y3(t)、y4(t)，4个减振器轴向力输出监测信号分别为：y5(t)、y6(t)、y7(t)、y8(t)，4个轮心垂向加速度输出监测信号分别为：y9(t)、y10(t)、y11(t)、y12(t)。
1)白噪声信号U(f)在频域上的表达如下：
式中：U1(f)、U2(f)、U3(f)、U4(f)分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的白噪声信号输入；
2)实测的轮心五分力激励载荷信号在频域上的表达如下：
式中：x5(t)、x6(t)、x7(t)、x8(t)分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的侧向力；x9(t)、x10(t)、x11(t)、x12(t)分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力；x13(t)、x14(t)、x15(t)、x16(t)分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的回正力矩；x17(t)、x18(t)、x19(t)、x20(t)分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的滚动阻力矩；x21(t)、x22(t)、x23(t)、x24(t)分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的侧倾力矩；
3)驱动信号表示为：
4)白噪声响应信号表示为：
式中：Z1(f)、Z2(f)、Z3(f)、Z4(f)分别表示白噪声激励后左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮心垂向力(输出)信号；Z5(f)、Z6(f)、Z7(f)、Z8(f)分别表示白噪声激励后左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的减振器轴向力(监测)信号；Z9(f)、Z10(f)、Z11(f)、Z12(f)分别表示白噪声激励后左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮心垂向加速(监测)信号；
S302：根据驱动信号X(f)和对应的响应信号为Z(f)计算频率响应函数H(f)，进而根据传递函数计算对应的逆频率响应函数H-1(f)；
1)驱动信号X(f)和对应的响应信号为Z(f)之间的关系表示为：
Z(f)＝H(f)*X(f)；
2)频率响应函数H(f)表示为：
3)逆频率响应函数H-1(f)是频率响应函数H(f)的M-P广义逆矩阵；
S303：进行模拟迭代反算流程：
S3031：根据实测的响应信号Y(f)和频率响应函数H(f)计算第一次迭代的驱动信号W1(f)；
1)实测的响应信号Y(f)表示为：
式中：y1(t)、y2(t)、y3(t)、y4(t)分别表示四个车轮实测的轮心垂向力信号；y5(t)、y6(t)、y7(t)、y8(t)分别表示四个车轮实测的减振器轴向力信号；y9(t)、y10(t)、y11(t)、y12(t)分别表示四个车轮实测的轮心垂向加速度信号；
2)第一次迭代的驱动信号W1(f)的计算公式为：
3)驱动信号W1(f)在频域上的表达如下：
式中：W11(f)、W12(f)、W13(f)、W14(f)分别表示第一次迭代得到的四个车轮的轮心垂向位移信号；M(f)为四个车轮实测的轮心五分力激励载荷信号，在迭代过程中保持不变；
S3032：通过当前迭代的驱动信号W1(f)中的四个车轮轮心垂向位移信号U1(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号X1(f)激励整车动力学模型，得到当前迭代的响应信号Q(f)；
第一次迭代的驱动信号W1(f)得到的响应信号Q1(f)在频域上的表达如下：
S3033：通过当前迭代的响应信号Q(f)和实测的响应信号Y(f)计算误差E(f)，并判断是否满足精度要求(本实施例中，通过迭代的响应信号和实测的响应信号的RMS值相对误差Er是否小于20％来判断是否满足精度要求：若是，则满足，否则不满足)：若是，则进入步骤S3036；否则，进入步骤S3034；
1)误差E(f)的计算公式如下：
E(f)＝|Y(f)-Q1(f)|；
2)误差E(f)在频域上的表达如下：
S3034：通过误差E(f)和逆频率响应函数H-1(f)计算当前迭代的修正响应信号Qe(f)，进而根据当前迭代的修正响应信号Qe(f)和当前迭代的驱动信号计算下一次迭代的驱动信号；
1)当前迭代的修正响应信号的计算公式如下：
Qe(f)＝E(f)*H-1(f)；
2)下一次迭代的驱动信号的计算公式如下：
Wn(f)＝Qe(f)+Wn-1(f)；
式中：Wn(f)表示第n次迭代得到的激励；Wn-1(f)表示第n-1次迭代得到的激励。
其中第二次迭代的驱动信号W2(f)在频域上的表达如下：
式中：W21(f)、W22(f)、W23(f)、W24(f)分别表示第二次迭代得到的四个车轮的轮心垂向位移信号；M(f)为四个车轮实测的轮心五分力激励载荷信号，在迭代过程中保持不变；
S3035：将下一次迭代的驱动信号Wn(f)中的四个车轮轮心垂向位移信号Un(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号Xn(f)激励整车动力学模型，得到当前迭代的响应信号Q(f)，并返回步骤S3033；
S3036：将最后一次迭代的驱动信号中的四个车轮轮心垂向位移信号与实测的轮心五分力激励载荷信号一起作为整车动力学模型最终的驱动信号。
2.2迭代结果及验证
迭代精度满足收敛条件，停止迭代，得到期望的驱动信号，即最后一次迭代的轮心垂向位移信号和实测五分力信号，其中轮心垂向位移输入信号如图8所示。激励整车迭代模型得到的目标响应信号轮心垂向力如图9所示。
模拟迭代最重要的一环是对迭代的结果进行判定，验证模拟迭代结果的正确与否，主要是对比模拟迭代得到的目标信号、监测信号与实测信号一致性程度。迭代结果是否达到收敛准则通常通过迭代值与实测值的均方根值(RMS)相对误差小于20％来判定。本发明进一步判断将最后一次迭代的驱动信号是否满足精度要求：若满足，则输出最后一次迭代的驱动信号中的轮心垂向位移信号；否则继续迭代。
具体的，判断最后一次迭代的响应信号和实测的响应信号的RMS值相对误差Er是否小于20％：若是，则最后一次迭代的驱动信号满足精度要求；否则，最后一次迭代的驱动信号不满足精度要求；
相对误差Er的计算公式如下：
式中：δ表示最后一次迭代的响应信号和实测的响应信号的绝对误差；x表示最后一次迭代的响应信号RMS值；L表示实测的响应信号的RMS值。
具体的，分别对轮心垂向力、减振器轴向力、轮心垂向加速度整体迭代信号与实测信号的均方根值的相对误差，进行计算统计分别得到表3、表4和表5，可以看到相对误差值都在5％以内，能够满足迭代准则相对误差值小于20％的要求。
表3轮心垂向力均方根值(RMS)相对误差
表4减振器轴向力均方根值(RMS)相对误差
表5轮心垂向加速度均方根值(RMS)相对误差
四、振动载荷谱的提取
1、提取测点确定
本发明通过如下步骤设置振动加速度响应测点：
S401：在整车动力学模型的电驱动总成模型设置若干个初始响应测点，至少包括电驱动总成悬置支撑位置响应测点；
本实施例中，对于电驱动总成振动载荷谱提取的测点选择至关重要。首先，加速度响应测点应选择对激励信号振动敏感度高、距离轮心输入处比较接近的位置，其次，保证响应测点与输入信号具有较好的相关性，最后，应采用尽量少的测点尽全面地反映电驱动总成实际振动响应情况。根据工程经验及使用统计情况统计反馈，电驱动总成各部件连接处以及悬置等位置对实际行驶道路的振动冲击相对更敏感。根据以上原则初步选取8个初始响应测点如图10所示。
S402：对整车动力学模型进行三次不同强度的白噪声信号激励，并根据输出的测点响应加速度信号计算各个初始响应测点的灵敏度和线性度；
S403：根据各个初始响应测点在X、Y、Z三个方向的灵敏度和线性度确定最优的响应测点，并与悬置支撑位置响应测点共同组成最终的振动加速度响应测点。
具体的，灵敏度和线性度的计算公式如下：
式中：δ和λ表示初始响应测点的灵敏度和线性度；xa(t)和xb(t)表示前后两次不同的白噪声信号；ya(t)和yb(t)表示前后两次不同白噪声信号激励得到的测点响应加速度信号；δ1表示第一次和第二次白噪声信号激励得到的灵敏度；δ2表示第二次和第三次白噪声信号激励得到的灵敏度。
选择频率范围0-40Hz的1/f粉红噪声信号作为四个轮心垂向位移输入信号，三次加载的白噪声时域位移最大值分别为10、20和30mm。计算得到8个测点在X、Y、Z三个方向的灵敏度和线性度如表6所示。
表6电驱动总成各测点各方向的灵敏度与线性度
对表6进行分析可得：X方向上综合灵敏度和线性度，测点2、3、7为最佳响应测点；Y上也是测点2、3、7为最佳测点；而Z上测点1、2、3为最佳测点。此外，测点2、3、7分别位于电驱动总成悬置附近和电机与传递系统连接区域，能反映实际行驶时路面激励对整个电驱总成的振动情况。综合以上分析，选择测点2、测点3和测点7作为电驱动总成振动载荷谱的提取位置。
2、振动载荷谱提取
通过最终的驱动信号(在Femfat—Lab软件中)激励整车动力学模型，载荷分解仿真完成后，通过查找Request编号来提取电驱动总成模型上各个振动加速度响应测点在X、Y、Z三个方向的振动加速度aix、aiy、aiz(i表示第i个振动加速度响应测点)，仿真完成后通过查找Request编号提取到测点2、测点3和测点7的三个方向振动加速度载荷谱如图11、图12和图13所示。然后根据灵敏度对各个振动加速度响应测点在X、Y、Z三个方向的振动加速度进行加权，得到用于总体描述电驱动总成振动特性的振动加速度载荷谱ax、ay、az；
式中：δix表示第i个振动加速度响应测点X方向的灵敏度；δiy表示第i个振动加速度响应测点Y方向的灵敏度；δiz表示第i个振动加速度响应测点Z方向的灵敏度；n表示振动加速度响应测点的个数。
对于单个方向上的灵敏度计算，分别通过如下公式计算分别单个方向第一次和第二次白噪声激励得到的灵敏度δ1以及第二次和第三次白噪声激励得到的灵敏度δ2，然后取灵敏度δ1和δ2的平均值为单个方向的灵敏度。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于，包括：
S1：构建包含电驱动总成模型的整车动力学模型；
S2：为整车动力学模型构建模拟迭代系统；模拟迭代系统包括由四个车轮的轮心垂向位移信号和轮心五分力激励载荷信号组成的驱动信号以及响应信号；
S3：获取实测的响应信号和轮心五分力激励载荷信号，通过模拟迭代系统不断反求整车动力学模型四个车轮的轮心垂向位移信号，并将最后一次迭代的四个车轮轮心垂向位移信号和实测的轮心五分力激励载荷信号一起作为整车动力学模型最终的驱动信号；
S4：以灵敏度和线性度为指标，在电驱动总成模型上确定振动加速度响应测点；
S5：通过最终的驱动信号激励整车动力学模型，进而提取各个振动加速度响应测点的振动加速度，并根据振动加速度响应测点的灵敏度进行加权，得到电驱动总成的振动加速度载荷谱。
2.如权利要求1所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于，步骤S2中，通过AdamsCar软件构建包含车身模型、电驱动总成模型、前悬架模型、后悬架模型、转向系模型和轮胎模型的整车动力学模型。
3.如权利要求1所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于，步骤S2中，轮心五分力激励载荷信号包括轮心的侧向力、纵向力、回正力矩、滚动阻力矩和侧倾力矩。
4.如权利要求3所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于，步骤S2中，响应信号以轮心垂向力信号作为输出信号，以减振器轴向力信号和轮心垂向加速度信号为监控信号。
5.如权利要求4所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于，步骤S3中，通过如下步骤生成驱动信号：
S301：将为四个车轮轮心垂向位移生成的白噪声信号U(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号X(f)激励整车动力学模型，得到驱动信号X(f)激励输出的响应信号为Z(f)；
S302：根据驱动信号X(f)和对应的响应信号为Z(f)计算频率响应函数H(f)，进而根据传递函数计算对应的逆频率响应函数H-1(f)；
1)驱动信号X(f)和对应的响应信号为Z(f)之间的关系表示为：
Z(f)＝H(f)*X(f)；
2)频率响应函数H(f)表示为：
3)逆频率响应函数H-1(f)是频率响应函数H(f)的M-P广义逆矩阵；
S303：进行模拟迭代反算流程：
S3031：根据实测的响应信号Y(f)和频率响应函数H(f)计算第一次迭代的驱动信号W1(f)；
1)实测的响应信号Y(f)表示为：
式中：y1(t)、y2(t)、y3(t)、y4(t)分别表示四个车轮实测的轮心垂向力信号；y5(t)、y6(t)、y7(t)、y8(t)分别表示四个车轮实测的减振器轴向力信号；y9(t)、y10(t)、y11(t)、y12(t)分别表示四个车轮实测的轮心垂向加速度信号；
2)第一次迭代的驱动信号W1(f)的计算公式为：
S3032：通过当前迭代的驱动信号W1(f)中的四个车轮轮心垂向位移信号U1(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号X1(f)激励整车动力学模型，得到当前迭代的响应信号Q(f)；
S3033：通过当前迭代的响应信号Q(f)和实测的响应信号Y(f)计算误差E(f)，并判断是否满足精度要求：若是，则进入步骤S3036；否则，进入步骤S3034；
误差E(f)的计算公式如下：
E(f)＝|Y(f)-Q(f)|；
S3034：通过误差E(f)和逆频率响应函数H-1(f)计算当前迭代的修正响应信号Qe(f)，进而根据当前迭代的修正响应信号Qe(f)和当前迭代的驱动信号计算下一次迭代的驱动信号；
1)当前迭代的修正响应信号的计算公式如下：
Qe(f)＝E(f)*H-1(f)；
2)下一次迭代的驱动信号的计算公式如下：
Wn(f)＝Qe(f)+Wn-1(f)；
式中：Wn(f)表示第n次迭代的驱动信号；Wn-1(f)表示第n-1次迭代的驱动信号；
S3035：将下一次迭代的驱动信号Wn(f)中的四个车轮轮心垂向位移信号Un(f)和实测的轮心五分力激励载荷信号M(f)作为驱动信号Xn(f)激励整车动力学模型，得到当前迭代的响应信号Q(f)，并返回步骤S3033；
S3036：将最后一次迭代的驱动信号中的四个车轮轮心垂向位移信号与实测的轮心五分力激励载荷信号一起作为整车动力学模型最终的驱动信号。
6.如权利要求5所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于：步骤S3036中，进一步判断将最后一次迭代的驱动信号是否满足精度要求：即判断最后一次迭代的响应信号和实测的响应信号的RMS值相对误差Er是否小于20％：若是，则满足精度要求；否则，不满足精度要求；
相对误差Er的计算公式如下：
式中：δ表示最后一次迭代的响应信号和实测的响应信号的绝对误差；x表示最后一次迭代的响应信号RMS值；L表示实测的响应信号的RMS值。
7.如权利要求l所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于，步骤S4中，通过如下步骤设置振动加速度响应测点：
S401：在整车动力学模型的电驱动总成模型设置若干个初始响应测点，至少包括电驱动总成悬置支撑位置响应测点；
S402：对整车动力学模型进行三次不同强度的白噪声信号激励，并根据输出的测点响应加速度信号计算各个初始响应测点的灵敏度和线性度；
S403：根据各个初始响应测点在X、Y、Z三个方向的灵敏度和线性度确定最优的响应测点，并与悬置支撑位置响应测点共同组成最终的振动加速度响应测点。
8.如权利要求7所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于，步骤S302中，灵敏度和线性度的计算公式如下：
式中：δ和λ表示初始响应测点的灵敏度和线性度；xa(t)和xb(t)表示前后两次不同的白噪声信号；ya(t)和yb(t)表示前后两次不同白噪声信号激励得到的测点响应加速度信号；δ1表示第一次和第二次白噪声信号激励得到的灵敏度；δ2表示第二次和第三次白噪声信号激励得到的灵敏度。
9.如权利要求7所述的用于电驱动总成的振动加速度载荷谱提取方法，其特征在于：步骤S5中，通过最终的驱动信号激励整车动力学模型，提取电驱动总成模型上各个振动加速度响应测点在X、Y、Z三个方向的振动加速度aix、aiy、aiz，然后根据灵敏度对各个振动加速度响应测点在X、Y、Z三个方向的振动加速度进行加权，得到用于总体描述电驱动总成振动特性的振动加速度载荷谱ax、ay、az；
公式描述为：
式中：δix表示第i个振动加速度响应测点X方向的灵敏度；δiy表示第i个振动加速度响应测点Y方向的灵敏度；δiz表示第i个振动加速度响应测点Z方向的灵敏度；n表示振动加速度响应测点的个数。
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