汽车实用技术
设计研究
ＡＵＴＯＭＯＢＩＬＥＡＰＰＬＩＥＤＷＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２０１３年第１０期２０１３Ｎ０．１０
汽车载荷谱的分析与应用
谭纯岩
（华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳１１０１４１）
摘要：随着汽车自主品牌的发展，汽车企业越来越重视汽车标准的建立，开始进行载荷谱采集工作。除了建立试验标准载荷谱还有很多方面用途。本文将探讨汽车载荷谱的分析与应用。关键词：道路载荷谱；载荷谱分析；载荷谱应用
中图分类号：Ｕ４６３．２１２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—７９８８（２０１３）１
０—３９—０６
ＡｎａｌｙｓｉｓＡｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＯｆＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＯｎＶｅｈｉｃｌｅ
ＴａｎＣｈｕｎｙａｎ
（ＢｒｉｌｌｉａｎｃｅＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＬｉａｏｎｉｎｇＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１４１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｂｒａｎｄｓ，Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｃｏｍｐａｎｉｅｓｐａｙｍｏｒｅ
ａｎｄｍｏｒｅ
ａｔｔｅｎｔｉｏｎ
ｔｏｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄ，Ｓｔａｒｔｏｎｔｈｅｗｏｒｋｏｆｌｏａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｅｓｔ
ｓｔａｎｄａｒｄｌｏａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｈａｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
ｍａｎｙ
ａｓｐｅｃｔｕｓｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｉｌｌｅｘｐｌｏｒｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｏａｄｓｐｅｃｔｒｍｎａｎａｌｙｓｉｓ
ａｎｄ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ；ＡｎａｌｙｓｉｓＯｆＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ；ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＯｆＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＣＬＣＮＯ．：Ｕ４６３．２１２
ＤｏｃｕｍｅｎｔＣｏｄｅ：Ａ
ＡｒｔｉｃｌｅＩＤ：１６７１－７９８８（２０１３）１０－３９－０６
载荷随使用时间的变化可以是有规则的，也可以是
前言
随着我们进行汽车道路载荷谱采集的深入，我
们发现道路载荷谱不仅可以用于道路模拟试验加
不规则的，甚至是随机的。１．２载荷谱的用途
我们目前汽车载荷谱采集的主要目的是建立并
完善台架试验规范。此外，载荷谱还可以进行汽车
载。通过合适的分析方法与处理，我们得到的汽车载荷谱能够更好的帮助我们预测零部件寿命，分析结构破坏原因，促进我们对产品持续质量改进与结构优化。
部件疲劳分析计算。来预期部件疲劳寿命以及分析失效模式。其最终目的是以数据为基础改进并验证设计，达到在有足够疲劳寿命的前提下，结构最简、成本最低、效益最高。１．３随机载荷谱描述与简化
汽车载荷谱绝大部分均为随机载荷谱，因此下面重点介绍随机载荷谱的描述与简化。
１、载荷谱的描述
１．１什么是载荷谱
描述载荷．时间变化关系的图或表，称为载荷
谱。载荷可以是应力、力、应变、位移、加速度等。
作者简介：谭纯岩，就职于华晨汽车工程研究院。
要完整地描述平稳随机振动，从理论上讲需要有无限长时间的记录，实际上这是不可能的。我们应用统计方法正是为了克服这个困难，即用统计参
２０１３年第１０期
谭纯岩：汽车载荷谱的分析与应用
数（平均值、均方差、相关函数等等）来确定平稳随机
振动的物理特征，即下面将叙述的，用概率密度函数等来表示幅值的概率分布；用相关函数来表示时差特性等；用功率谱密度函数表示振动的频率成分
（２）幅值的其它表示法
随机振动幅值特性的另一些表示法，如采用峰值，集合平均（又称期望），平均绝对值，均方值和均
方根值（又称有效值）等来描述。
ａ峰值ｘ峰它表示振动量的幅值离开基准位置的最大偏离，在自由振动中就表现为振幅；
ｂ集合平均值：振动量的幅值Ｘ（ｔ），我们可以期望它在大量实验中所得到数值的平均值，在粗略
的计算中，它起到了“代表”整个随机变量的作用，
等。所以，对一个随机振动的过程，需要从以下三个方面进行数学描述：
（１）幅值域描述：包括概率密度、概率分布、
平均值、均方值、均方差值等：
（２）时差域描述：包括自相关函数、互相关函数等等；
（３）频率域描述：包括自功率谱密度函数、互
但是平均值有两种：一种叫算术平均值。
另一种用随机变量的每一值与这一值的概率相乘，所有这些乘积的和称为随机变量的集合平均值，在统计数学中记作Ｅ（ｘ）或ｍ，即：
谱密度函数等。
１．３．１幅值域描述
幅值是指振动量（位移、速度、加速度、应力等）
偏离其基准位置的量值。
对于随机振动，由于运动规律是无法事先确定的，且峰值只能描述某一瞬时的振动量的大小，体
Ｅ（ｘ）＝∑ｘ（ｆ，）ｐ（ｘ）
ｐ０
Ｃ平均绝对值
１
７’
现不出幅值对时间的变化规律，所以必须寻求概率统计的方法来描述，常用的方法有下面几种。
（１）幅值概率密度函数
表示对于确定值Ｘ的概率密度，对随机振动的每一个幅值均有表达此幅值出现机会多少的概率密
度。
对应于每一个幅值的微小改变量△ｘ，都可以求
碎均＝睾∑卜（ｔｉ）Ａｔｉｚ平均２。彳２一Ｉｘ
上
ｉ＝Ｏ
ｄ偏差值：表示随机变量ｘ（ｔｉ）在集合平均值Ｅ（ｘ）附近分数或偏离的程度，记为：
△＝∑［ｘ（ｔ）一Ｅ（ｘ）］ｐ（ｘ）
ｉ＝０
ｅ方差值：有时为了更加突出偏离量大的随机变量ｘ（ｔｉ）还用另一种量，即随机变量ｘ（Ｄ与随机变量的集合平均值Ｅ（ｘ）之差的平方来表示，称作方差值（在统计数学中记作０２），ｏ又称为标准差。记作：
得一个概率密度Ｐ（ｘ），若以△ｘ和Ｐ（ｘ）作矩形ｒ图
１）。连结各矩形项线。
中点就是概率密度曲线Ｐ（ｘ），只要试验时间Ｔ
记录得充分的长，幅值的间隔Ａｘ取得足够小，那么，得到的概率密度曲线是非常精确的。
Ｐ（，）
Ｄ（ｘ）＝专∑［ｘ（Ｉ）一Ｅ（ｘ）］２Ａｔｉ
工ｉ＝Ｏ
Ｆ均方值：用幅值的平方度量与随机振动的能量（或功率）有关的值，称作均方值，
常用记号Ｅ（Ｘ２）
Ｅ（斗＝７１善Ｔｘ２（恤
均方值在实际应用上还可以作为判别强度的一
图１概率密度曲线
个量值，
４１
汽车实用技术
２０１３年第１０期
ｇ均方根值：把均方值的平方根作为另一个描述量称为均方根值（又称有效值）。
１．３．２相关与相关函数
相关函数可以分为两种：互相关函数和自相关函数，式中含一个Ｙ（ｔ）对另一个Ｘ（ｔ）的相互关
系相似程度的函数，称为互相关函数。记作：
啦（ｆ）＝～ｌｉｍ＿丁ｊｆｘ（ｔ）ｙ（ｔ＋ｒ）ｄｔ
如果ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ），则上式变为：
１
Ｊ
丸（．／－）２～ｌｉｍＡ丁ｆｘ（ｆ）ｘ（ｆ＋．／－）冼
此式表示函数Ｘ（ｔ）对于与自己相同的函数Ｘ（ｔ＋ｔ）相似程度之函数，称为白相关函数．自相关函
数也表示某一个时刻的振动数据与另一个时刻的振动数据之间的依赖关系。
１．３．３随机振动的功率谱
一般情况的随机振动用傅立叶积分的方法可知这种振动有连续的多种频率成份，且每种频率有它对应的功率或能量，把它们的关系用图线表示，称为功率在频率域内的函数，简称功率谱密度，记作
ｗ（Ｄ。包括自功率谱密度函数和互功率谱密度函数。
２、载荷谱分析方法
２．１载荷谱预处理
试验中信号的预处理为了消除采集过程中由于设备信号干扰，路面异常激励等造成的误差，包括
漂移处理（趋势项消除）、野点剔除和数字信号滤波降噪。
２．２数据的统计分析
根据不同的分析要求，数据可以进行不同类型的统计分析。最常见的如最大值，最小值，有效值，标准差，计数统计等。把一个随机的载荷一时间历
程处理成一系列的完整循环载荷的过程称为计数法。目前主要使用双参数计数法。双参数计数法可以记录载荷循环中的两个参量（幅值、均值）。由于
载荷循环中只有两个独立参量，因此双参数计数法可以记录载荷循环的全部信息，是一种较好的计数方法。计数方法主要有穿级计数、峰谷计数、雨流
计数等，目前最常用的是雨流计数法。２．３数据的频谱分析
功率谱密度函数是描述随机振动的一个重要参数，它使我们知道哪一些频率的功率是主要的。通过对功率谱密度的调查和研究，有助于理解振动的机理，进行振动模拟和设计工作。例如，在汽车设计时，尽管凹凸不平的道路会对汽车轮胎发生各种
颠簸，但设计要求应使座客一直保持很舒服的状态
（即人感受到输出功率谱密度应是非常平直的，幅度也应保持最小），这时汽车的隔振系统就起作用了。再如，由于功率谱相似的随机振动会对零部件产生等效的损伤能力，因此在进行随机模拟的强度试验时，也要进行功率谱密度函数的谱型模拟等等．
所以，功率谱密度函数也是在随机载荷作用下表示结构或零部件强度设计的一个重要判据。
３、案例：利用载荷谱数据分析排气管开裂故
障原因
３．１项目背景
某车型安装２０１１款发动机后，车辆使用中排气管多处发生开裂。而之前采用２００９款发动机时并未
发生这种故障。为了判断故障发生原因，在发动机本体及排气系统多处布置加速度传感器，测试正常工作状态下排气管及发动机的振动情况，对比分析２００９款发动机样车（下文简称为０９款）和２０１１款发动机样车（下文简称为１ｌ款）两种车型数据。
３．２方案制定
试验分为六种工况，分别为怠速工况，一档扫频工况，二档扫频工况，三档扫频工况，四档扫频
工况，从怠速升至５档最高速后降至怠速工况。测
试在转鼓试验台上进行。３．３传感器布置
采集通道位置为：Ｂｏｄｙ（发动机上壳）、Ｍｏｕｎｔ
Ｆ１
（发动机左前悬置）、ＭｏｕｎｔＦ“发动机右前悬置）、Ｍｏｕｎｔ＿Ｒ（发动机后悬置）、Ｆｌａｎｇｅ（排气管进气法兰）、
Ｆｌｅｘ
Ｆ（波纹管前）、ＦｌｅｘＲ（波纹管后），共计７个测
试点，每个点均采集ｘ，Ｙ，ｚ三个方向加速度，共计
２１个通道。传感器布置位置见图２．图８。
图２
Ｂｏｄｙ（发动机上壳１
图３
Ｍｏｕｎｔ—ＦＩ（发动机左前悬置）
图４
Ｍｏｕｎｔ—Ｆｒ（发动机右前悬置）
图５
Ｍｏｕｎｔ—Ｒ（发动机后悬置）
４２
图６
Ｆｌａｎｇｅ（排气管进气法兰）
图７
Ｆｌｅｘ—Ｆ（波纹管前）
图８
Ｆｌｅｘ—Ｒ（波纹管后）
３．４数据处理结果
经过对比分析，六种工况下数据趋势基本一致，鉴于篇幅有限，仅以最为典型的“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”数据对比结果展示如下：
３．４．１幅值统计结果对比
从表ｌ中可以看到，发动机振动０９款大部分通道要高于１１款。但是排气管位置振动幅值１１款普遍高于０９款。振动幅度大也就是造成１１款车型排气管开裂破坏的主要原因。接下来在频域下对数据
进行对比，分析造成排气管幅值增大的因素。
４３
汽车实用技术
“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”０９款与
１
２０１３年第１０期
表１
就是导致排气管振动加大造成破坏的原因，其中排气管在５４Ｈｚ和８１Ｈｚ频率位置振动尖峰为固有频率
１款车型幅值统计对比
ｌｌ款发动机
标准差
０．３ｌ０．７３００９０１３
０９款发动静
测试位置
最大值
ｂｏｄｙｂｏｄｙ
４．６ｌ６．７３６．７８
ｘ
标准差０９款与１ｌ款
比值
１．５７１．１２１．３７０．９８２８５
的二次和三次谐振造成的。改进此种状态的方法有
最小值
—１．９４—３．９ｌ—４．８３０一３－０—０—０
６０７２７６７５８２
最大值
ｌ０９
最小值
一ｌ
２０
标准差
０．２００６５
两种：一是调整发动机结构改变发动机共振频率；二是调整排气管系统刚度来改变排气管系统固有频率（如改变排气管吊耳刚度或者改变发动机与排气管连接处波纹管刚度）。从实际操作上来讲改第二种
方法更容易实现。
表２排气管模态试验结果ｎ（弯曲１
１８．１３
ｘ
Ｙ
ｌ＿６０３９０
一２．２２—２
４２
ｂｏｄｙ—Ｚ
ｍｏｕｎｔ
０．６６００１３３３
Ｆ１Ｆ１ＦｌＦｒＦｒＦｒＲＲＲ
Ｏ．６ｌ３．６ｌ１．４ｌ２．４９１２９
０．６４ｌ
１１
—０．６２—０．７２—２．４５—０．６５０．６０—１．９５—０．４ｌ—０．９ｌ—１．７９—２０．００一Ｉ．６４—２．３６一１．２４一１．９３—２．４２１．３２—２．６５—３．０６
发动机振动
ｍｏｕｎｔ
ｙ
０．９５０．３０Ｏ．１６０．２９０．８３０．０９０２６
ｍｏｕｎｔｚ２．４５０．３７０．９１２０ｌ
０．８３０．０９０２７
０．３６１．７７Ｉ．０６１．２５１．３ｌ１．１８０．７８０２７
ｍｏｕｎｔＸ
ｍｏｕｎｔｖ
ｍｏｕｎｔｚ３．４００．５９１．０ｌ１．７７２．１８０．９４０．９９１．２７１．４２２．１１Ｏ．５０２．２６３．７２
—３．２８０．５７—ｌ
２９
０．６７０．０７０．２２０４６
ｌ｛霎
Ｈｚ
ｆ２（弯曲）
２６．２６
ｆ３ｒ扭转）
２９．８６
ｆ４（局ｆ５（弯曲）
４８．２６
部）
４５．４５
ｍｏｕｎｔ
ｍｏｕｎｔ
ｘ０．４５ｌｌ７０７９９１８
ｙ
ｍｏｕｎｔｚ
—２．０６－２—１
３７８８
０．３６０．７００．４ｌ０．２２０．２５０２７
ｆｌａｎｇｅ
ｘ
２．６００．４７Ｏ００７５２６４２
ｆｌａｎｇｅ—Ｙ
１．１３２．４３１
１８
０．８６０２９
排气管位置振动
ｆｌａｎｇｅ—ｚｆｌｅｘ
Ｆ
ｘ
—０．９０一１．４７—１．５２—２．３３—０
５８
０．９６０．６４１．０３０．３９０６８
ｆｌｅｘ—Ｆ—ｙｆｌｅｘｆｌｅｘ
ＦＲ
ｚ
ｌ＿７１２３９
０．６８０．１２００
３８７５
０．６６０．３００．ｊ５０．８５
ｘ２．０３２５０
ｆｌｅｘ—Ｒ—ｙｆｌｅｘ
Ｒ
ｚ
—２．２７—３．６９
３．９００．８８
３．４．２频域分析
图９发动机多通道功率谱对比
图９为“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”发动机位置加速度信号的功率谱曲线，红色曲
线为１１款，蓝色为０９款。可以看出两款车型发动
机位置振动能量相差不大，０９款发动机在频率约为２５Ｈｚ处产生共振。１１款发动机在频率约为２７Ｈｚ处产生共振。图１０为发动机位置每个测试通道加速度信号的功率谱曲线，可以看出在各个位置上两款车
型信号的差别。
图１１为“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”排气管位置加速度信号的功率谱曲线，红色曲
三盟三譬三匿三盟；三皇三盛三国三国三宦三国三盆三盛
图１０发动机各个通道功率谱对比
线为１１款车型，蓝色为０９款。可以看出排气管位置振动能量１１款明显高于０９款，尤其在２７Ｈｚ、
５４Ｈｚ、８１Ｈｚ频率位置１１款大部分通道产生振动尖
峰，振动能量较大。图１２为排气管位置每个测试通道加速度信号功率谱曲线，可以看出在各个位置上
两款车型信号的差别。
对排气管系统进行模态试验，得到结果见表２，排气管的二阶固有频率为２６．２６Ｈｚ。ｌ１款发动机共
ｉ——ｉ——＿＝■——彳——ｉ—：一＿：＝■—＿＿ｉ——；———ｉ—‘
＆１哪Ｉｏ』。■』★——
排气管多通道功率谱对比
振频率２７Ｈｚ与排气管二阶固有频率更加接近，这也
２０１３年第ｌＯ期谭纯岩：汽车载荷谱的分析与应用
何让采集到的载荷谱发挥更大的作用对我们来说是很重要的一项工作。利用道路载荷谱我们可以进行整车及零部件试验加载，可以对零部件进行损伤计
算和寿命预估，当然也可以通过载荷谱的分析，把
篓毫耸
图１２排气管各个通道功率谱对比
原本看似杂乱无章的随机载荷谱转变为可以辨识、可以对比、可以定量分析的数据。帮助我们更好的了解整车及零部件运动状态下的载荷特征及幅值分布，快速发现故障原因并进行设计改进，进一步提升公司产品的质量。
４、结论
参考文献
载荷谱的采集是一项非常复杂、细致的工作。
每次采集工作都要耗费大量的财力、物力。所以如
【ｌ】庄表中．随机振动入门．科学出版社，１９８１
辉ｆ－］弓ｌ进先进火花塞陶瓷技术
Ｍｏｇｕｌｉｎｔｒｏｄｕｃｆｉｏｎ
ｏｆａｄｖａｎｃｅｄｃｅｒａｍｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｐａｒｋｐｌｕｇｓ
近日。辉门公司动力总成引进了一种新型高性能火花塞陶瓷材料，以应对高输出汽油机日益严苛的高温和高电压要求。这种名为ＳｕｒｅＦｉｒｅＰｌｕｓ的新型火花塞陶瓷技术可实现更高点火电压、延长火花塞使用寿命，并能够有效集成到多气门小型发动机内空间局促的缸盖中。
据了解，ＳｕｒｅＦｉｒｅＰｌｕｓ是一项革新技术，衍生自辉门公司在２００８年推出的ＳｕｒｅＦｉｒｅ火花塞。凭借先进的陶瓷材料，ＳｕｒｅＦｉｒｅＰｌｕｓ火花塞可以承受４２千伏乃至更高的电压，而之前的火花塞只能承受３６千伏电压。较高的点火电压使稀薄燃料混合物的使用成为可能，有助于提高发动机的性能和燃油经济性，同时降低二氧化碳的排放量。此外，提升后的陶瓷性能还减小了火花塞的尺寸，螺纹尺寸为１４～１２毫米、１０毫米不等，客户可根据需求进行选择。
汽车实用技术
设计研究
ＡＵＴＯＭＯＢＩＬＥＡＰＰＬＩＥＤＷＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２０１３年第１０期２０１３Ｎ０．１０
汽车载荷谱的分析与应用
谭纯岩
（华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳１１０１４１）
摘要：随着汽车自主品牌的发展，汽车企业越来越重视汽车标准的建立，开始进行载荷谱采集工作。除了建立试验标准载荷谱还有很多方面用途。本文将探讨汽车载荷谱的分析与应用。关键词：道路载荷谱；载荷谱分析；载荷谱应用
中图分类号：Ｕ４６３．２１２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—７９８８（２０１３）１
０—３９—０６
ＡｎａｌｙｓｉｓＡｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＯｆＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＯｎＶｅｈｉｃｌｅ
ＴａｎＣｈｕｎｙａｎ
（ＢｒｉｌｌｉａｎｃｅＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＬｉａｏｎｉｎｇＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１４１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｂｒａｎｄｓ，Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｃｏｍｐａｎｉｅｓｐａｙｍｏｒｅ
ａｎｄｍｏｒｅ
ａｔｔｅｎｔｉｏｎ
ｔｏｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄ，Ｓｔａｒｔｏｎｔｈｅｗｏｒｋｏｆｌｏａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｅｓｔ
ｓｔａｎｄａｒｄｌｏａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｈａｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
ｍａｎｙ
ａｓｐｅｃｔｕｓｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｉｌｌｅｘｐｌｏｒｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｏａｄｓｐｅｃｔｒｍｎａｎａｌｙｓｉｓ
ａｎｄ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ；ＡｎａｌｙｓｉｓＯｆＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ；ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＯｆＬｏａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＣＬＣＮＯ．：Ｕ４６３．２１２
ＤｏｃｕｍｅｎｔＣｏｄｅ：Ａ
ＡｒｔｉｃｌｅＩＤ：１６７１－７９８８（２０１３）１０－３９－０６
载荷随使用时间的变化可以是有规则的，也可以是
前言
随着我们进行汽车道路载荷谱采集的深入，我
们发现道路载荷谱不仅可以用于道路模拟试验加
不规则的，甚至是随机的。１．２载荷谱的用途
我们目前汽车载荷谱采集的主要目的是建立并
完善台架试验规范。此外，载荷谱还可以进行汽车
载。通过合适的分析方法与处理，我们得到的汽车载荷谱能够更好的帮助我们预测零部件寿命，分析结构破坏原因，促进我们对产品持续质量改进与结构优化。
部件疲劳分析计算。来预期部件疲劳寿命以及分析失效模式。其最终目的是以数据为基础改进并验证设计，达到在有足够疲劳寿命的前提下，结构最简、成本最低、效益最高。１．３随机载荷谱描述与简化
汽车载荷谱绝大部分均为随机载荷谱，因此下面重点介绍随机载荷谱的描述与简化。
１、载荷谱的描述
１．１什么是载荷谱
描述载荷．时间变化关系的图或表，称为载荷
谱。载荷可以是应力、力、应变、位移、加速度等。
作者简介：谭纯岩，就职于华晨汽车工程研究院。
要完整地描述平稳随机振动，从理论上讲需要有无限长时间的记录，实际上这是不可能的。我们应用统计方法正是为了克服这个困难，即用统计参
２０１３年第１０期
谭纯岩：汽车载荷谱的分析与应用
数（平均值、均方差、相关函数等等）来确定平稳随机
振动的物理特征，即下面将叙述的，用概率密度函数等来表示幅值的概率分布；用相关函数来表示时差特性等；用功率谱密度函数表示振动的频率成分
（２）幅值的其它表示法
随机振动幅值特性的另一些表示法，如采用峰值，集合平均（又称期望），平均绝对值，均方值和均
方根值（又称有效值）等来描述。
ａ峰值ｘ峰它表示振动量的幅值离开基准位置的最大偏离，在自由振动中就表现为振幅；
ｂ集合平均值：振动量的幅值Ｘ（ｔ），我们可以期望它在大量实验中所得到数值的平均值，在粗略
的计算中，它起到了“代表”整个随机变量的作用，
等。所以，对一个随机振动的过程，需要从以下三个方面进行数学描述：
（１）幅值域描述：包括概率密度、概率分布、
平均值、均方值、均方差值等：
（２）时差域描述：包括自相关函数、互相关函数等等；
（３）频率域描述：包括自功率谱密度函数、互
但是平均值有两种：一种叫算术平均值。
另一种用随机变量的每一值与这一值的概率相乘，所有这些乘积的和称为随机变量的集合平均值，在统计数学中记作Ｅ（ｘ）或ｍ，即：
谱密度函数等。
１．３．１幅值域描述
幅值是指振动量（位移、速度、加速度、应力等）
偏离其基准位置的量值。
对于随机振动，由于运动规律是无法事先确定的，且峰值只能描述某一瞬时的振动量的大小，体
Ｅ（ｘ）＝∑ｘ（ｆ，）ｐ（ｘ）
ｐ０
Ｃ平均绝对值
１
７’
现不出幅值对时间的变化规律，所以必须寻求概率统计的方法来描述，常用的方法有下面几种。
（１）幅值概率密度函数
表示对于确定值Ｘ的概率密度，对随机振动的每一个幅值均有表达此幅值出现机会多少的概率密
度。
对应于每一个幅值的微小改变量△ｘ，都可以求
碎均＝睾∑卜（ｔｉ）Ａｔｉｚ平均２。彳２一Ｉｘ
上
ｉ＝Ｏ
ｄ偏差值：表示随机变量ｘ（ｔｉ）在集合平均值Ｅ（ｘ）附近分数或偏离的程度，记为：
△＝∑［ｘ（ｔ）一Ｅ（ｘ）］ｐ（ｘ）
ｉ＝０
ｅ方差值：有时为了更加突出偏离量大的随机变量ｘ（ｔｉ）还用另一种量，即随机变量ｘ（Ｄ与随机变量的集合平均值Ｅ（ｘ）之差的平方来表示，称作方差值（在统计数学中记作０２），ｏ又称为标准差。记作：
得一个概率密度Ｐ（ｘ），若以△ｘ和Ｐ（ｘ）作矩形ｒ图
１）。连结各矩形项线。
中点就是概率密度曲线Ｐ（ｘ），只要试验时间Ｔ
记录得充分的长，幅值的间隔Ａｘ取得足够小，那么，得到的概率密度曲线是非常精确的。
Ｐ（，）
Ｄ（ｘ）＝专∑［ｘ（Ｉ）一Ｅ（ｘ）］２Ａｔｉ
工ｉ＝Ｏ
Ｆ均方值：用幅值的平方度量与随机振动的能量（或功率）有关的值，称作均方值，
常用记号Ｅ（Ｘ２）
Ｅ（斗＝７１善Ｔｘ２（恤
均方值在实际应用上还可以作为判别强度的一
图１概率密度曲线
个量值，
４１
汽车实用技术
２０１３年第１０期
ｇ均方根值：把均方值的平方根作为另一个描述量称为均方根值（又称有效值）。
１．３．２相关与相关函数
相关函数可以分为两种：互相关函数和自相关函数，式中含一个Ｙ（ｔ）对另一个Ｘ（ｔ）的相互关
系相似程度的函数，称为互相关函数。记作：
啦（ｆ）＝～ｌｉｍ＿丁ｊｆｘ（ｔ）ｙ（ｔ＋ｒ）ｄｔ
如果ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ），则上式变为：
１
Ｊ
丸（．／－）２～ｌｉｍＡ丁ｆｘ（ｆ）ｘ（ｆ＋．／－）冼
此式表示函数Ｘ（ｔ）对于与自己相同的函数Ｘ（ｔ＋ｔ）相似程度之函数，称为白相关函数．自相关函
数也表示某一个时刻的振动数据与另一个时刻的振动数据之间的依赖关系。
１．３．３随机振动的功率谱
一般情况的随机振动用傅立叶积分的方法可知这种振动有连续的多种频率成份，且每种频率有它对应的功率或能量，把它们的关系用图线表示，称为功率在频率域内的函数，简称功率谱密度，记作
ｗ（Ｄ。包括自功率谱密度函数和互功率谱密度函数。
２、载荷谱分析方法
２．１载荷谱预处理
试验中信号的预处理为了消除采集过程中由于设备信号干扰，路面异常激励等造成的误差，包括
漂移处理（趋势项消除）、野点剔除和数字信号滤波降噪。
２．２数据的统计分析
根据不同的分析要求，数据可以进行不同类型的统计分析。最常见的如最大值，最小值，有效值，标准差，计数统计等。把一个随机的载荷一时间历
程处理成一系列的完整循环载荷的过程称为计数法。目前主要使用双参数计数法。双参数计数法可以记录载荷循环中的两个参量（幅值、均值）。由于
载荷循环中只有两个独立参量，因此双参数计数法可以记录载荷循环的全部信息，是一种较好的计数方法。计数方法主要有穿级计数、峰谷计数、雨流
计数等，目前最常用的是雨流计数法。２．３数据的频谱分析
功率谱密度函数是描述随机振动的一个重要参数，它使我们知道哪一些频率的功率是主要的。通过对功率谱密度的调查和研究，有助于理解振动的机理，进行振动模拟和设计工作。例如，在汽车设计时，尽管凹凸不平的道路会对汽车轮胎发生各种
颠簸，但设计要求应使座客一直保持很舒服的状态
（即人感受到输出功率谱密度应是非常平直的，幅度也应保持最小），这时汽车的隔振系统就起作用了。再如，由于功率谱相似的随机振动会对零部件产生等效的损伤能力，因此在进行随机模拟的强度试验时，也要进行功率谱密度函数的谱型模拟等等．
所以，功率谱密度函数也是在随机载荷作用下表示结构或零部件强度设计的一个重要判据。
３、案例：利用载荷谱数据分析排气管开裂故
障原因
３．１项目背景
某车型安装２０１１款发动机后，车辆使用中排气管多处发生开裂。而之前采用２００９款发动机时并未
发生这种故障。为了判断故障发生原因，在发动机本体及排气系统多处布置加速度传感器，测试正常工作状态下排气管及发动机的振动情况，对比分析２００９款发动机样车（下文简称为０９款）和２０１１款发动机样车（下文简称为１ｌ款）两种车型数据。
３．２方案制定
试验分为六种工况，分别为怠速工况，一档扫频工况，二档扫频工况，三档扫频工况，四档扫频
工况，从怠速升至５档最高速后降至怠速工况。测
试在转鼓试验台上进行。３．３传感器布置
采集通道位置为：Ｂｏｄｙ（发动机上壳）、Ｍｏｕｎｔ
Ｆ１
（发动机左前悬置）、ＭｏｕｎｔＦ“发动机右前悬置）、Ｍｏｕｎｔ＿Ｒ（发动机后悬置）、Ｆｌａｎｇｅ（排气管进气法兰）、
Ｆｌｅｘ
Ｆ（波纹管前）、ＦｌｅｘＲ（波纹管后），共计７个测
试点，每个点均采集ｘ，Ｙ，ｚ三个方向加速度，共计
２１个通道。传感器布置位置见图２．图８。
图２
Ｂｏｄｙ（发动机上壳１
图３
Ｍｏｕｎｔ—ＦＩ（发动机左前悬置）
图４
Ｍｏｕｎｔ—Ｆｒ（发动机右前悬置）
图５
Ｍｏｕｎｔ—Ｒ（发动机后悬置）
４２
图６
Ｆｌａｎｇｅ（排气管进气法兰）
图７
Ｆｌｅｘ—Ｆ（波纹管前）
图８
Ｆｌｅｘ—Ｒ（波纹管后）
３．４数据处理结果
经过对比分析，六种工况下数据趋势基本一致，鉴于篇幅有限，仅以最为典型的“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”数据对比结果展示如下：
３．４．１幅值统计结果对比
从表ｌ中可以看到，发动机振动０９款大部分通道要高于１１款。但是排气管位置振动幅值１１款普遍高于０９款。振动幅度大也就是造成１１款车型排气管开裂破坏的主要原因。接下来在频域下对数据
进行对比，分析造成排气管幅值增大的因素。
４３
汽车实用技术
“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”０９款与
１
２０１３年第１０期
表１
就是导致排气管振动加大造成破坏的原因，其中排气管在５４Ｈｚ和８１Ｈｚ频率位置振动尖峰为固有频率
１款车型幅值统计对比
ｌｌ款发动机
标准差
０．３ｌ０．７３００９０１３
０９款发动静
测试位置
最大值
ｂｏｄｙｂｏｄｙ
４．６ｌ６．７３６．７８
ｘ
标准差０９款与１ｌ款
比值
１．５７１．１２１．３７０．９８２８５
的二次和三次谐振造成的。改进此种状态的方法有
最小值
—１．９４—３．９ｌ—４．８３０一３－０—０—０
６０７２７６７５８２
最大值
ｌ０９
最小值
一ｌ
２０
标准差
０．２００６５
两种：一是调整发动机结构改变发动机共振频率；二是调整排气管系统刚度来改变排气管系统固有频率（如改变排气管吊耳刚度或者改变发动机与排气管连接处波纹管刚度）。从实际操作上来讲改第二种
方法更容易实现。
表２排气管模态试验结果ｎ（弯曲１
１８．１３
ｘ
Ｙ
ｌ＿６０３９０
一２．２２—２
４２
ｂｏｄｙ—Ｚ
ｍｏｕｎｔ
０．６６００１３３３
Ｆ１Ｆ１ＦｌＦｒＦｒＦｒＲＲＲ
Ｏ．６ｌ３．６ｌ１．４ｌ２．４９１２９
０．６４ｌ
１１
—０．６２—０．７２—２．４５—０．６５０．６０—１．９５—０．４ｌ—０．９ｌ—１．７９—２０．００一Ｉ．６４—２．３６一１．２４一１．９３—２．４２１．３２—２．６５—３．０６
发动机振动
ｍｏｕｎｔ
ｙ
０．９５０．３０Ｏ．１６０．２９０．８３０．０９０２６
ｍｏｕｎｔｚ２．４５０．３７０．９１２０ｌ
０．８３０．０９０２７
０．３６１．７７Ｉ．０６１．２５１．３ｌ１．１８０．７８０２７
ｍｏｕｎｔＸ
ｍｏｕｎｔｖ
ｍｏｕｎｔｚ３．４００．５９１．０ｌ１．７７２．１８０．９４０．９９１．２７１．４２２．１１Ｏ．５０２．２６３．７２
—３．２８０．５７—ｌ
２９
０．６７０．０７０．２２０４６
ｌ｛霎
Ｈｚ
ｆ２（弯曲）
２６．２６
ｆ３ｒ扭转）
２９．８６
ｆ４（局ｆ５（弯曲）
４８．２６
部）
４５．４５
ｍｏｕｎｔ
ｍｏｕｎｔ
ｘ０．４５ｌｌ７０７９９１８
ｙ
ｍｏｕｎｔｚ
—２．０６－２—１
３７８８
０．３６０．７００．４ｌ０．２２０．２５０２７
ｆｌａｎｇｅ
ｘ
２．６００．４７Ｏ００７５２６４２
ｆｌａｎｇｅ—Ｙ
１．１３２．４３１
１８
０．８６０２９
排气管位置振动
ｆｌａｎｇｅ—ｚｆｌｅｘ
Ｆ
ｘ
—０．９０一１．４７—１．５２—２．３３—０
５８
０．９６０．６４１．０３０．３９０６８
ｆｌｅｘ—Ｆ—ｙｆｌｅｘｆｌｅｘ
ＦＲ
ｚ
ｌ＿７１２３９
０．６８０．１２００
３８７５
０．６６０．３００．ｊ５０．８５
ｘ２．０３２５０
ｆｌｅｘ—Ｒ—ｙｆｌｅｘ
Ｒ
ｚ
—２．２７—３．６９
３．９００．８８
３．４．２频域分析
图９发动机多通道功率谱对比
图９为“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”发动机位置加速度信号的功率谱曲线，红色曲
线为１１款，蓝色为０９款。可以看出两款车型发动
机位置振动能量相差不大，０９款发动机在频率约为２５Ｈｚ处产生共振。１１款发动机在频率约为２７Ｈｚ处产生共振。图１０为发动机位置每个测试通道加速度信号的功率谱曲线，可以看出在各个位置上两款车
型信号的差别。
图１１为“从怠速升至５档最高速后降至怠速工况”排气管位置加速度信号的功率谱曲线，红色曲
三盟三譬三匿三盟；三皇三盛三国三国三宦三国三盆三盛
图１０发动机各个通道功率谱对比
线为１１款车型，蓝色为０９款。可以看出排气管位置振动能量１１款明显高于０９款，尤其在２７Ｈｚ、
５４Ｈｚ、８１Ｈｚ频率位置１１款大部分通道产生振动尖
峰，振动能量较大。图１２为排气管位置每个测试通道加速度信号功率谱曲线，可以看出在各个位置上
两款车型信号的差别。
对排气管系统进行模态试验，得到结果见表２，排气管的二阶固有频率为２６．２６Ｈｚ。ｌ１款发动机共
ｉ——ｉ——＿＝■——彳——ｉ—：一＿：＝■—＿＿ｉ——；———ｉ—‘
＆１哪Ｉｏ』。■』★——
排气管多通道功率谱对比
振频率２７Ｈｚ与排气管二阶固有频率更加接近，这也
２０１３年第ｌＯ期谭纯岩：汽车载荷谱的分析与应用
何让采集到的载荷谱发挥更大的作用对我们来说是很重要的一项工作。利用道路载荷谱我们可以进行整车及零部件试验加载，可以对零部件进行损伤计
算和寿命预估，当然也可以通过载荷谱的分析，把
篓毫耸
图１２排气管各个通道功率谱对比
原本看似杂乱无章的随机载荷谱转变为可以辨识、可以对比、可以定量分析的数据。帮助我们更好的了解整车及零部件运动状态下的载荷特征及幅值分布，快速发现故障原因并进行设计改进，进一步提升公司产品的质量。
４、结论
参考文献
载荷谱的采集是一项非常复杂、细致的工作。
每次采集工作都要耗费大量的财力、物力。所以如
【ｌ】庄表中．随机振动入门．科学出版社，１９８１
辉ｆ－］弓ｌ进先进火花塞陶瓷技术
Ｍｏｇｕｌｉｎｔｒｏｄｕｃｆｉｏｎ
ｏｆａｄｖａｎｃｅｄｃｅｒａｍｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｐａｒｋｐｌｕｇｓ
近日。辉门公司动力总成引进了一种新型高性能火花塞陶瓷材料，以应对高输出汽油机日益严苛的高温和高电压要求。这种名为ＳｕｒｅＦｉｒｅＰｌｕｓ的新型火花塞陶瓷技术可实现更高点火电压、延长火花塞使用寿命，并能够有效集成到多气门小型发动机内空间局促的缸盖中。
据了解，ＳｕｒｅＦｉｒｅＰｌｕｓ是一项革新技术，衍生自辉门公司在２００８年推出的ＳｕｒｅＦｉｒｅ火花塞。凭借先进的陶瓷材料，ＳｕｒｅＦｉｒｅＰｌｕｓ火花塞可以承受４２千伏乃至更高的电压，而之前的火花塞只能承受３６千伏电压。较高的点火电压使稀薄燃料混合物的使用成为可能，有助于提高发动机的性能和燃油经济性，同时降低二氧化碳的排放量。此外，提升后的陶瓷性能还减小了火花塞的尺寸，螺纹尺寸为１４～１２毫米、１０毫米不等，客户可根据需求进行选择。