基于稳定性约束视角的汽车维修技术分析

杨丽君，陈 东

（湖北工业职业技术学院，湖北 十堰 442000）

随着我国经济的发展，人们的生活方式发生明显转变，电动汽车作为绿色出行的交通工具之一，受居民的关注度逐渐提高。然而电动汽车在行驶过程中由于路面不平整、人为错误驾驶等问题，汽车底盘会出现不同程度的损坏。因此，针对电动汽车底盘故障制定有效的汽车维修技术方案，对于汽车的稳定运行具有重要意义。通过搜集和整理国内外对于汽车维修故障识别的研究成果发现，部分学者提出了基于诊断算法与数据信号的汽车故障诊断方法。王克勇对于汽车故障诊断的研究中以汽车燃料电池为研究对象，提出了基于自适应算法的智能诊断模型，结合仿真实验发现该模型能够提升车用燃料诊断的准确性[1]。孙强[2]以电动汽车中滚动轴承产生的数据信号为基础，提出了基于小波分解改进算法的滚动轴承诊断方法，以此来解决车辆滚动轴承故障数据获取的难点[2]。乔文山对汽车维修技术的研究中，提出了基于改进SVM算法的车辆变速箱故障诊断模型，并通过实验应用的方式对该诊断模型的有效性进行验证，结果表明该算法能够提升汽车故障诊断的精准度[3]。汽车维修技术中，基于稳定性约束的研究相对较少，其中黄佃明将以汽车底盘故障作为研究方向，提出了基于稳定性约束条件的汽车底盘传动异常处理模式，结合汽车维修实例后发现，该方法能够增强汽车底盘的稳定性[4]。在此基础之上以稳定性约束为视角提出了一种电动汽车底盘系统的动态稳定性预防维修方法。

1.1 汽车工作模态分析原理

多模态识别技术获取拼箱函数和模态参数的方法为两种，即频域识别和时域识别，其中前者指以频响函数的峰值对模态频率进行识别，该函数的运算公式如式（1） 所示。

对于系统模态参数识别，以响应信号形成的相关函数为基础，将其转化为响应数据，该识别过程能够拓宽随机子空间的适用范围。在此条件下，系统在运行期间要获取稳定性模态参数时，激励信号存在的非白噪声也不会对获取结果造成影响。以电动汽车为例，其在行驶期间的响应信号受随机噪声以及非稳态成分的影响，容易降低模态参数识别的精准度。面对该项问题，需要将同等状态下的样本数据进行统计，通过综合运算以后提升模态参数识别的精度，然而其操作难度较大，即便能够在实验中保持环境类似，但受随机激励条件影响，仍然难以保障数据平均去噪结果的准确性。

1.2 引入稳定性约束函数

传统的稳定性分析方法中，虽然汽车底盘模型的目标函数中包含多个约束，但这类目标函数无法直接作为稳定性函数，另外，由于控制解析式不能直接通过模型预测控制获取，导致在传统稳定性分析方法对电动汽车故障诊断的难度较大。鉴于上述原因，文章对于电动汽车稳定性的研究中以汽车底盘的大信号作为研究方向，基于李雅普诺夫第二法推导系统的稳定性约束条件构造函数，构建的稳定性状态方程如式（2）所示。

为优化响应信号的信噪比，采用平均去噪的方法构建基于稳定性约束函数的协方差驱动的随机子空间法。通过该方法能够获取系统模态参数中的信息载体，在达到降低噪声的同时，能够增强信号成分的目的。基于上述内容，基于稳定性约束的汽车底盘维修工作模态流程如图1所示。

图1 基于稳定性约束的汽车底盘维修工作模态流程图

对模态参数识别中通过稳定性约束的方式在获取相关函数后，将其代替原始数据，由于改进后的识别方法能够增强算法的抗噪性，能够实现对系统中响应信号信噪比低的数据进行识别，但从整体上来，该算法仍然受环境激励和模态验证约束。文章以电动汽车作为研究对象，通过改进SVD算法的方式对汽车底盘工作模态进行识别，进而达到系统定阶的目的。通过实际案例应用的方式，对基于稳定性约束视角的汽车维修技术有效性进行验证，通过仿真实验的方式电动汽车模态三要素（频率、阻尼、振型）的相关数据进行分析。

基于稳定性约束视角的汽车工作模态分析结果，得出汽车底盘状态识别方法。为提升基于稳定性约束视角的汽车底盘故障识别精准度，本章在构建汽车整车自由度模型的基础上，确定典型故障源与整车模态参数之间的关系，在搜集系统模型参数数据的同时对电动汽车底盘故障进行识别。

2.1 汽车整车自由度模型的建立

为探究电动汽车的故障特征，选取某类型的电动汽车作为研究对象构建电动汽车整车自由度模型，该模型包括车身、整体式车轴垂向、侧倾以及平衡悬架自由度。由于进行汽车整车自由度模型构建中的数据来源主要为车架支撑点的动态载荷，因此对电动汽车的汽车座位、车棚等车辆上部分进行简化。一般情况下，电动汽车在行驶过程中出现侧倾共振后，频带的频率相对较低，在仿真实验中通常对1/2半车模型进行分析，为提升研究的整体性和可行性，本研究中构建的汽车自由度模型以整车进行建模。

2.2 基于稳定性约束振动关系的电动汽车典型故障识别

悬架刚度变化对模态参数的影响：电动汽车在行驶过程不仅会受到环境因素影响，当温度变化幅度较大时同样会出现车辆载荷过大，造成悬架弹簧性能发生变化，进而使汽车出现悬架板簧裂纹、断裂的情况。如果电动汽车出现的悬架故障是由于弹簧刚度减弱造成，对汽车故障进行检测则以系统模态参数的变化情况为依据。

减振器阻尼变化对模态参数的影响：当电动汽车的减震器发生故障时，阻尼会发生变化，探究在阻尼逐渐降低时，其对电动汽车模态参数造成的影响。当阻尼减少至正常值的50%左右，实验车辆前侧的模态参数明显增加，这也表明阻尼达到该数值时模态参数为一个临界点；
当电动汽车左前轮侧减震器出现故障时，跳动模态的前侧和后测值变动幅度不同，以侧倾值为指标，其中前者表现为该指标逐渐下降，而后测的指标呈现出先提高后降低的趋势。基于上述内容得出，电动汽车在不同情况下阻尼会出现变动，且通过故障信号的数据结果能够识别汽车出现的故障类型。

轮胎刚度变化对模态参数的影响：通过降低轮胎胎压的方式分析轮胎刚度对模态参数的影响中，将弹压分别降至正常值的90%、80%、70%、60%，随后通过仿真实验的方式发现在轮胎不同胎压时模态三要素的变化情况。

结合上述内容中悬架刚度、减震器阻尼、轮胎刚度对模态参数的影响可见，基于稳定性约束视角的三种因素发生不同程度的变化时，模态能量同样会出现转变。因此，结合电动汽车模态能量的值能够了解车辆存在故障的位置及程度，进而制定有效的维修方案。

2.3 基于故障数据的动态预防性维修策略

现阶段，预防性维修的周期并不是根据车辆的故障情况进行设定，而是按照车辆类型确定维修时间。以电动汽车为例，当汽车行驶至一定公里数，即达到运转时间T时，则需要对车辆进行预防性维修，且在完成维修过程后默认车辆能够达到初始状态。但根据电动汽车实际的预防性维修情况可见，其只能够在理论上恢复初始状态，即当车辆行驶里程数逐渐提升时，电动汽车发生故障的概率也会有所增加，这也是由于设备在运转过后会形成不同程度隐性问题导致。因此，想得到优化模型的解，需要对电动汽车进行预防性维修活动的故障率进行综合分析，得出的动态预防性维修策略模型函数如式（3）所示。

基于上述函数的运算结果能够得到基于故障数据的电动汽车动态预防性维修模型。

通过搜集与汽车底盘系统故障诊断的相关文献资料发现，基于随机子空间算法的故障诊断模型的有效性较高，但由于汽车在形式过程中底盘容易受非线性动力学特征的影响，诊断算法的分析结果容易出现误差，因此，结合电动汽车实际行驶过程探究车辆底盘系统故障模型具有重要的研究意义。

3.1 车辆系统设计及参数

试验用车：本次基于稳定性约束视角的汽车维修技术分析实验选取某汽车公司生产的XX型电动车。车辆的各项参数见表1。

表1 实验车辆参数

3.2 试验场地

本次针对汽车维修技术的实验选择的场地在某公司的试车场，检测对象为电动汽车的弹簧故障（刚度弱化）、减振器故障（阻尼下降）及轮胎故障（胎压不足）。车辆实验的路面状况为相对平坦的路面，并且在行驶中保持电动汽车的速度为30 km/h，对上述三种故障的检测分别重复进行3次，并记录车辆的行驶和故障数据。

3.3 试验结果

3.3.1 试验工况设定

为准确地对基于稳定性约束视角的汽车维修技术进行检测，通过电动汽车实际行驶的方式进行测验，以随机输入的方式对车辆在行驶中的震动情况检测，在获取行驶数据后对电动汽车底盘系统的变化状态进行识别。因此，实验中需要结合弹簧、减振器、轮胎三种故障检测对象进行重复的检测实验，并根据实验结果进行数据统计。

3.3.2 动态预防维修结果分析

通过整理汽车预防性维修方法，将其与本方法进行对比，其中包括维修费用以及故障率两个指标，基于动态预防性维修优化模型，集合对电动汽车弹簧、减振器、轮胎故障的检测结果如图2所示。

图2 传统方法与本文方法维修费用及故障率

通过对比传统方法和本方法的维修费用和故障率统计结果可见，提出的电动汽车维修技术不仅能够降低车辆整体的维修费用，还可以大幅降低车辆的故障率。

随着环境恶化，电动汽车在近些年的发展速度较快，有效汽车维修技术是保障汽车正常行驶的重要方式，对于电动汽车同样如此。文章基于稳定性约束视角对电动汽车的工作模态进行分析后，构建了基于故障数据的动态预防性维修策略，并通过路面的随机输入对车身振动进行激励，实验的结果表明，本文提出的方式能够在减少电动汽车维修费用的同时，降低其故障发生概率。