新能源汽车动力总成轻量化悬置路谱采集及处理

随着新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，新能源汽车产业正进入加速发展的新阶段，不仅为各国经济增长注入强劲新动力，也有助于减少温室气体排放，应对气候变化挑战，改善全球生态环境。新能源汽车电机和减速器系统激励和传统燃油车相比呈现明显的不同，其激励源主要有电机转子的旋转运动加上磁力线切割作用，以及减速器齿轮旋转受力，此外新能源动力总成振动具有频率范围宽，阶次激励源多等特点；从机械动力学角度来看，悬置系统即是激励源也是受隔振对象，因此设计一套良好新能源动力总成悬置系统，既要满足悬置系统轻量化要求、动力总成支撑限位和整车NVH，又要满足产品耐久^[1]；新能源动力总成悬置受力复杂，其载荷受到电机、减速器及传动轴重量、扭转、阶次激励及车辆速度和不同路况等多因素影响，通过动力学软件不足以精确模拟载荷，因此新能源汽车动力总成悬置载荷采集和分析在悬置系统开发中不可或缺^[2]。

本文主要介绍轻量化悬置路谱采集和路谱缩减分析方法；通过对传感器选择、路谱采集工装设计分析、主要路况采集、时域信号处理及路谱缩减研究，为后期新能源汽车轻量化悬置系统平台化及开发提供了参考依据。

路谱采集需根据客户要求选择采集车辆的状态和采集工况等，制定传感器型号、采集点位置及工装设计的技术方案，检查工装预装和数据预采集有无异常，并罗列采集清单。

2.1 采集工况的确认

悬置路谱采集工况主要由客户确认针对新能源汽车动力总成轻量化悬置系统工况条件，如综合工况和强化坏路扭曲路、石块路、卵石路、砂石路、搓板路、长波路的车速及里程数，以满足此产品质保期；

2.2 路谱采集传感器选择

悬置路谱采集传感器三向解耦的三分力传感器表1，输出时域信号为力（N）。

表1 常用路谱采集传感器

2.3 采集路谱工装设计

采集路谱工装设计主要考虑以下几个方面：

（a）依据轻量化悬置结构设计，见图1；路谱工装设计主要刚性连接三分力传感器，采集动力总成主动激励力，见图2。

（b）采集路谱工装模态和强度分析，见图3；路谱工装满足最大工况力要求，路谱工装强度不足可能造成路谱工装断裂，损坏传感器或者其他部件；路谱工装满足模态要求，路谱工装模态不足可能由局部共振引起采集载荷力叠加，造成数据不准确。

（c）满足传感器不受任何损坏，与工装联接只能通过传感器的安装面，非安装面必须保留足够的安装间隙，传感器必须有定位设计，不能产生转动或滑移。

（d）设计工装时要预先确定好传感器的安装方向和整个系统的装配顺序，确保装配顺畅，并记录传感器方向与整车坐标的对应关系。

图1 轻量化悬置结构

图2 悬置采集路谱工装

图3 路谱工装模态及强度分析

本文主要介绍新能源动力总成轻量化悬置路谱采集包含三个方向X、Y、Z载荷力；路谱设备采用SoMat eDAQ数采仪，采集前检查各传感器的设置方向，预采一段进行核对，以免方向混淆，需将传感器清零（传感器长时间工作会产生偏移）；

悬置路谱采集的载荷时域信号，因驾车操作不规范及仪器使用环境变化，采集员测试过程中操作失误导致意外中断，或者测试数据存在偏移等，需要对路谱时域信号进行预处理。本文使用nCode Glyhworks软件进行异常峰值信号，毛刺，数据漂移，删除无效数据，对路谱载荷信号预处理，为下一步路谱载荷信号分析奠定基础^[3]。

4.1 毛刺探测和无效信号处理

毛刺探测主要测试，变换或者传输过程中出现干扰和偶然错误造成的，这主要是应变式三分力测试信号中很常见，因为测试值为毫伏，极容易被外界电子噪声所干扰，此时需要确认时域信号的毛刺现象是否为真实工况前具有统计意义。毛刺漂移探测和删除过程中，经验和对各个采集路谱的熟悉同样不可或缺；必须正确辨别哪些信号波峰和波谷是正常时域信号，哪些是毛刺^[4]。

毛刺的探测和消除一般使用莱茵达准则，莱茵达准则主要适用于大样本测定，故本文使用莱茵达准则探测和处理路谱中毛刺。

对于采集的一组数据x1，x2…xn，计算其评价值和标准差，即：

利用莱茵达准则，当|xi-|＞3δ时，认为该点为毛刺，反之认为为正常点。探测到毛刺趋于后，可以删除毛刺点，并用正弦曲线连接剩余各点^[5]。

4.2 数据漂移和mean值异常

路谱数据中的时域信号漂移也是很常见的，环境及机舱内高温条件下，可能导致应变片和被测部件的膨胀程度不协调，应变片输出数据就可能发生漂移。数据漂移一般是低频的，可以使用高通滤波器，可以去除均值漂移。

5.1 时域信号缩减

零件的疲劳损伤大部分都是来自原始数据中的大载荷，有很多的小载荷（例如平滑路面）

对损伤的贡献很小而又占用了大部分的时间，这部分的数据应该被缩减掉，以达到试验能快速准确的完成，如图7；时域信号路谱疲劳试验为高周疲劳，最大应变力远低于材料极限强度，试验循环次数远大于104，故一般采用S-N曲线描述橡胶材料的高周疲劳特性，FEA分析橡胶主簧载荷-应力值；输入S-N参数或曲线；分析路谱缩减前后损伤值不大于1或者损伤比不大于10%。

图7 时域信号缩减前后

5.2 时域信号路谱迭代分析

对路谱数据进行快速FFT分析可以清楚看出路谱数据的能量分布，根据能量分布可以选择迭代时使用的最高频率，也可以判断数据是否异常如图8；路谱数据采集频率一般都不高，路谱本身的频率也比较低，而MTS设备在40Hz以下迭代比较稳定，为确保迭代能顺利进行需要对数据进行40Hz的低周滤波以及204.8Hz的重采样如图9。

图8 路谱数据能量分析图

图9 路谱数据滤波处理

5.3 路谱载荷block缩减

路谱载荷block缩减一般由路谱时域信号转化而来，也能够较为真实的体现零部件的实际车上不同工况下的受载情况，实验周期较时域信号路谱缩减大大缩减，雨流计数法对路谱分析过程中，会丢失路谱频率信息；损伤等效过程中的人为参与因素较多，不同工程师的统计结果缺乏一致性；低周疲劳一般是指材料所受的应力水平较高，断裂前循环次数较少，一般不超过104，每次循环塑性变形较大，低周破坏是塑性变形累积的结果，因此常用E-N曲线描述橡胶材料的低周疲劳特性；FEA分析橡胶主簧载荷-应变值；输入E-N参数或曲线；分析路谱缩减前后损伤值不大于1或者损伤比不大于10%；如图10路谱载荷block缩减流程图。

图10 路谱载荷block缩减流程图

路谱载荷疲劳模拟试验通过迭代后的路谱进行疲劳试验，真实体现轻量化支架和橡胶主簧在路面工况下的受载；试验周期较长，一般疲劳寿命验证需要一个月以上，不便于快速找出零件失效风险，如图11；路谱载荷block缩减也可较真实体现实车不同路况载荷，虽然雨流统计对路谱分析存在有丢失路谱频域现象，但可较快找出轻量化悬置主要问题；为前期产品性能调试大大缩短了周期，如表2。

图11 路谱载荷模拟试验及时域信号路谱

表2 路谱载荷block缩减

本文介绍了新能源汽车动力总成轻量化悬置路谱采集过程，以及路谱载荷时域信号的分析处理方法，时域信号缩减和损伤及block缩减和损伤的方法及疲劳模拟道路试验的优缺点；为后续轻量化悬置路谱采集分析试验及轻量化结构设计提供了参考，同时根据时域信号缩减和block缩减和模拟试验对比，为后期不同项目进度和试验成本采取不同缩减方法提供参考，探索了轻量化悬置载荷分布规律，提取了悬置载荷关键控制因素，为后续新能源轻量化悬置选型和平台化提供了参考依据。

来源：期刊-《时代汽车》；作者：张秉虎 王勇 梁天也

（1.河南恒发科技股份有限公司；2.吉林大学）