與用戶使用關(guān)聯(lián)的整車(chē)耐久性試驗(yàn)方案確定

江毓　王驍磊　鄭燕萍　王羽塵

摘要：在試驗(yàn)場(chǎng)整車(chē)耐久性試驗(yàn)中，多年來(lái)不同的車(chē)型都是采用各試驗(yàn)場(chǎng)統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，缺少試驗(yàn)場(chǎng)道路設(shè)置和用戶使用的關(guān)聯(lián)研究。本文旨在提出一種關(guān)聯(lián)用戶使用情況的相對(duì)合理的試驗(yàn)場(chǎng)整車(chē)耐久性試驗(yàn)方案。研究通過(guò)采集試驗(yàn)場(chǎng)路面的載荷信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，得到多個(gè)通道的頻率和疲勞損傷特征。然后，開(kāi)展了面向安徽省某用戶的調(diào)查，采集了一定里程用戶使用路面的載荷，并將試驗(yàn)場(chǎng)特殊路面與用戶實(shí)際路面進(jìn)行對(duì)比，提出一套試驗(yàn)方案，再對(duì)其合理性進(jìn)行理論分析與論證。

關(guān)鍵詞：整車(chē)耐久性；試驗(yàn)場(chǎng)；用戶關(guān)聯(lián)；試驗(yàn)方案

1.引言

多年來(lái)，不同的車(chē)型都是采用各試驗(yàn)場(chǎng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行整車(chē)耐久性試驗(yàn)，忽略了試驗(yàn)場(chǎng)道路設(shè)置和用戶使用的關(guān)聯(lián)性。為研究用戶使用路面和試驗(yàn)場(chǎng)路面之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本文選擇了某國(guó)內(nèi)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器，采集試驗(yàn)場(chǎng)各種路面多種載荷信號(hào)，將其與用戶實(shí)際路面載荷進(jìn)行對(duì)比，提出一個(gè)較為合理的整車(chē)耐久性試驗(yàn)方案，然后再對(duì)方案的合理性進(jìn)行論證。

2.采集路面及試驗(yàn)方案

2.1采集路面

測(cè)試的路面應(yīng)該代表用戶日常使用，用戶日常行駛的路面千差萬(wàn)別，故選取了8種有代表性的強(qiáng)化路面作為采集路面，這8種路面是面向用戶使用過(guò)程中常遇到的路面，采集路面如圖1所示。試驗(yàn)車(chē)采用的行駛規(guī)范如表1所示。

2.2試驗(yàn)方案

道路載荷的采集使用eDAQ公司的設(shè)備，其野外工作很穩(wěn)定。本研究要求測(cè)量設(shè)備抗震，低功耗，且盡可能地集成多個(gè)功能，因此選用了SomateDAQ數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

測(cè)試選取了12個(gè)力信號(hào)，使用MTSswift20鈦材料六分力傳感器采集這四組信號(hào)（左前車(chē)輪X、Y、Z向，右前車(chē)輪X、Y、Z向，左后車(chē)輪X、Y、Z向，右后車(chē)輪S、Y、z向）。由于六分力測(cè)試系統(tǒng)采集的載荷是車(chē)輛的外部載荷，可以通過(guò)該外部載荷加載在車(chē)體模型上，借助CAE可以對(duì)各個(gè)部件的載荷進(jìn)行計(jì)算，從而得到所有部件的疲勞壽命，可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，優(yōu)于以往測(cè)試車(chē)輛內(nèi)部載荷的方法。

車(chē)輪輪胎安裝了修改的輪輞適配器，輪轂適配器安裝在車(chē)軸上，而六分力傳感器安裝在輪轂適配器和輪輞適配器之間。當(dāng)輪胎受到?jīng)_擊，力通過(guò)改裝的輪轂，經(jīng)過(guò)六分力傳感器，傳遞到輪轂適配器上，這個(gè)傳遞路徑和實(shí)際車(chē)輪受力傳遞到輪轂上是一致的，所以六分力可以獲取數(shù)據(jù)。三個(gè)方向的力和力矩由六個(gè)獨(dú)立的電橋測(cè)量，各通道之間幾乎無(wú)干擾。同時(shí)六分力傳感器也不受溫度和電磁的影響。

3.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理

采集到的信號(hào)首先進(jìn)行了預(yù)處理，由于采集數(shù)據(jù)量巨大，如果使用人工統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)將需要很長(zhǎng)周期，所以本次研究借助了GlyphWorks軟件，大大提高了研究效率。

3.1采集路面損傷分析

汽車(chē)上絕大多數(shù)零部件所受載荷的幅值是變化的，變幅載荷下的疲勞破壞，是不同頻率和不同幅值的載荷所造成的損傷逐漸積累的結(jié)果。當(dāng)材料試件或零部件承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每一個(gè)循環(huán)都使材料試件或零部件產(chǎn)生一定的損傷。

計(jì)算零部件的損傷有兩種方法：在計(jì)算零部件的損傷時(shí)，一般是用應(yīng)力或應(yīng)變信號(hào)根據(jù)零部件的S-N曲線用相應(yīng)的方法計(jì)算。通過(guò)這種方法得出的損傷值是“真實(shí)”損傷值。另一種方法是將各類(lèi)信號(hào)作為“廣義應(yīng)力”輸入，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的S-N曲線，即可求得名義損傷或偽損傷。本次研究中選用的S-N曲線斜率取-1/3，截距取10。特別指出，采用偽損傷方法得到的絕對(duì)數(shù)值并無(wú)實(shí)際意義，只能在同一通道信號(hào)間進(jìn)行相互比較，是一種基于能量的比較方法。

3.2各路面各通道損傷分析

在試驗(yàn)場(chǎng)中，選擇修復(fù)路、破損路、鐵餅路、魚(yú)鱗路、卵石路、扭曲路、搓板路、石塊路8種特殊路面上進(jìn)行測(cè)量，12個(gè)通道選擇左前車(chē)輪x、Y、z向、右前車(chē)輪x、Y、z向、左后車(chē)輪x、Y、z向、右后車(chē)輪x、Y、z向的損傷值。由于石塊路對(duì)車(chē)輪的損傷最大，本文將其作為基準(zhǔn)，將其它7種不同路面各通道的損傷與石塊路各通道損傷進(jìn)行對(duì)比，其比值如圖2所示。

由圖可知：魚(yú)鱗路、扭曲路、搓板路和破損路對(duì)車(chē)輪的損傷很小。其它路面對(duì)車(chē)輪的損傷程度順序?yàn)椋菏瘔K路>鐵餅路>卵石路>修復(fù)路。

3.8路面的加速度功率譜密度分析

功率譜密度是表示信號(hào)的能量或功率密度在頻域中隨頻率的變化情況，它主要研究信號(hào)的能量或功率的分布情況，確定信號(hào)所占的頻帶。以車(chē)輛z向位移為例選取左前側(cè)分析，將不同路段整合后的數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，取出z向相關(guān)數(shù)據(jù)，包括左前輪輪心z向受力、左前螺簧位移、左前車(chē)身加速度、左前輪輪心z向加速度，可以分析到左前螺簧位移應(yīng)變譜1.47Hz處具有波峰，這代表了車(chē)身的固有頻率或是車(chē)輛的俯仰頻率，而車(chē)身加速度12.53Hz和12.82Hz代表了車(chē)輪的跳動(dòng)，如圖3所示。特別在分析搓板路頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)底盤(pán)在27.63Hz附近會(huì)出現(xiàn)相同的波峰，如圖4所示。這是由于搓板路面行駛時(shí)，受到路面激勵(lì)，整個(gè)車(chē)輛都在做受迫運(yùn)動(dòng)，所以車(chē)輛在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮避開(kāi)相應(yīng)的頻率，防止出現(xiàn)共振疲勞。

4.與用戶關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)方案研究

本文以安徽省某用戶為例，首先采用問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)安徽省某用戶車(chē)輛的使用情況進(jìn)行調(diào)查。數(shù)據(jù)通常會(huì)使用正態(tài)分布和威布爾分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)Minitab軟件分析得知，威布爾分布擬合用戶里程分布更好，統(tǒng)計(jì)用戶在各個(gè)路況下使用里程風(fēng)險(xiǎn)更小些，所以本文采用威布爾分布來(lái)統(tǒng)計(jì)分析用戶在各個(gè)路況下的使用里程。90%的用戶每年行駛的各工況分布如下：

表3為在試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試的各特殊路面組成，同樣地采集了用戶在安徽省的城市、高速、山路、國(guó)省縣鄉(xiāng)道路工況的損傷。下圖為試驗(yàn)場(chǎng)與城市工況損傷對(duì)比：

從圖5可以看出，試驗(yàn)場(chǎng)與城市工況損傷基本吻合，但是右前輪Y向的誤差較大，由之前的各路面損傷得知，石塊路對(duì)右前輪Y向有較大損傷，適當(dāng)減少石塊路的試驗(yàn)里程，形成新的試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)場(chǎng)與城市工況損傷會(huì)更加符合。

在試驗(yàn)場(chǎng)行駛時(shí)，試驗(yàn)場(chǎng)路面會(huì)產(chǎn)生一些特定頻率，這些頻率會(huì)觸發(fā)車(chē)輛共振，車(chē)上的部件會(huì)產(chǎn)生共振造成共振疲勞，但是實(shí)際路面不一定會(huì)產(chǎn)生這些共振，所以需要剔除這些路面。車(chē)輛在搓板路測(cè)試時(shí)，整個(gè)車(chē)輛在做受迫運(yùn)動(dòng)，在27.63Hz附近出現(xiàn)波峰，但是在從用戶采集的數(shù)據(jù)來(lái)看，并不會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)頻率，所以在編制相關(guān)性方案時(shí)需要將搓板路面避開(kāi)，否則將出現(xiàn)過(guò)度試驗(yàn)的問(wèn)題。

由此，表3中給出的試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)路面組成，就是本研究提出的與用戶關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)場(chǎng)車(chē)輛耐久性試驗(yàn)方案。

5.結(jié)語(yǔ)

本研究采集了試驗(yàn)場(chǎng)8種特殊路面的載荷進(jìn)行損傷分析。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)路面的損傷情況，提出了一種整車(chē)耐久性試驗(yàn)的方案，即試驗(yàn)場(chǎng)特殊路面里程組合。同時(shí)，采集安徽省城市、高速、山路、國(guó)省縣鄉(xiāng)道路工況的載荷，將試驗(yàn)車(chē)在特殊路面的損傷與用戶在城市工況的損傷進(jìn)行對(duì)比分析，用戶使用城市工況與試驗(yàn)場(chǎng)組合路段損傷值吻合得較好。頻域分析中，搓板路測(cè)試中出現(xiàn)的27.63Hz在實(shí)際路面測(cè)試時(shí)并不會(huì)出現(xiàn)，所以在編制相關(guān)性方案時(shí)需要將搓板路面避開(kāi)。由此，表3即為提出的整車(chē)耐久性試驗(yàn)方案。