輕型商用車全壽命周期目標(biāo)里程與運行工況研究?

趙禮輝，劉　斌，井　清，馬健君，李　通，鄭松林

前言

耐久性與可靠性是車輛質(zhì)量評價的重要指標(biāo)，也是產(chǎn)品市場競爭力的主要體現(xiàn)。如何確定涵蓋一定用戶使用度(百分位)的整車耐久性與可靠性目標(biāo)載荷，進而指導(dǎo)汽車產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)與驗證，是當(dāng)前汽車行業(yè)面臨的一項重要課題[1-2]。目前，國外主要汽車企業(yè)結(jié)合自身產(chǎn)品的定位與特點，通過大量的用戶調(diào)研和實際道路載荷采集，制定了不同用戶使用度下的耐久性與可靠性目標(biāo)載荷及評價規(guī)范，同時根據(jù)路面條件變化和車型更新進行動態(tài)調(diào)整[3-5]。長期以來，我國汽車耐久性與可靠性目標(biāo)設(shè)定多對標(biāo)國外品牌，產(chǎn)品的驗證往往直接采用國外規(guī)范[6-7]。近年來，相關(guān)研究人員陸續(xù)開展了用戶載荷采集工作，但主要以調(diào)整試驗規(guī)范為主，較少涉及車輛全壽命周期耐久性與可靠性目標(biāo)[8-10]。

車輛行駛過程中，在路面和動力系統(tǒng)(發(fā)動機、電機等)激勵下，各部件處于復(fù)雜的工作狀態(tài)，其載荷幅值主要受路況、車速、載質(zhì)量和操作等運行工況影響。因此獲取準(zhǔn)確的整車全壽命周期行駛里程和相應(yīng)的運行工況，是建立整車耐久性與可靠性目標(biāo)載荷的前提與基礎(chǔ)[6，11]。本文中通過對客貨兩用輕型商用車使用情況調(diào)查，并結(jié)合典型用戶GPS運行數(shù)據(jù)采集，研究用戶實際使用條件下行駛里程和運行工況分布規(guī)律，從而選取具有代表性的用戶道路和運行工況進行載荷采集，為構(gòu)造整車全壽命周期耐久性與可靠性目標(biāo)載荷奠定基礎(chǔ)。

1　研究方法

由于主觀差異性，不同調(diào)研對象對于問題的理解和回答具有模糊性和不一致性，從而影響用戶使用情況提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文中通過問卷有效性評價和典型用戶GPS數(shù)據(jù)采集進行交叉驗證，以確保得到的對象車輛全壽命耐久目標(biāo)行駛里程和運行工況的有效性。總體工作流程如圖1所示。

圖1　全壽命周期耐久性目標(biāo)行駛里程及運行工況分析流程

1.1　調(diào)查內(nèi)容與對象

針對整車結(jié)構(gòu)耐久性目標(biāo)，調(diào)研內(nèi)容主要包括行駛里程、車輛用途、載質(zhì)量分布、駕駛習(xí)慣、行駛車速和路況比例等與整車載荷密切相關(guān)的6類問題。同時，考慮到問卷回答的主觀性，同一類問題中設(shè)置關(guān)聯(lián)問題，以開展問卷有效性評價。結(jié)合車輛特點，調(diào)研對象的選擇主要遵循以下幾個原則:

(1)調(diào)研結(jié)合實際市場銷量分布，盡量覆蓋全國各地區(qū)；

(2)以試驗車型和競爭車型直接使用者為對象，并考慮客/貨車銷量比；

(3)總體樣本量確保抽樣誤差小于5%，置信度不小于95%；

(4)各地區(qū)調(diào)研數(shù)量結(jié)合當(dāng)?shù)劁N量，且各地區(qū)有效樣本不小于最小樣本量(≥30)。

1.2　問卷有效性評價

以問卷中行駛里程、行駛車速、單位里程油耗、不同路況里程和各路況車速5個方面建立評價子模型，開展問卷有效度評價。以行駛里程為例，若年行駛里程為S，每周工作日行車天數(shù)為A，每周末行駛天數(shù)B，工作日每日行駛里程C，周末每日行駛里程D，有效度u表達(dá)為

由式(1)可求出每個調(diào)研對象行駛里程的有效度(0＜u≤1)，有效度趨于1意味著調(diào)研對象對同一問題回答一致性好、可信度高。根據(jù)其它評價子模型分別求出有效度后，則調(diào)研對象總體有效度U為

式中:ωi為第i個評價子模型權(quán)重。權(quán)重值以不同專家對評價子模型的重要度評分為基礎(chǔ)，通過最小熵權(quán)法確定，具體方法與流程參見文獻[12]。

1.3　典型用戶GPS數(shù)據(jù)采集

根據(jù)調(diào)研問卷，選取華東、華北、華中、華南、東北和西南6個地區(qū)9個城市采集18個典型用戶一個月的實際GPS數(shù)據(jù)，以配合用戶調(diào)研并驗證數(shù)據(jù)的合理性和有效性，并進一步提取詳細(xì)的車速信息和行駛路線為后續(xù)開展整車道路載荷測試提供參考。為保證數(shù)據(jù)能反映調(diào)研對象車輛的不同類別和車型，每個城市分別選取客運和貨運兩種車輛，包含長軸和短軸兩種車型。選取的一個用戶一月GPS行駛軌跡如圖2所示。

1.4　調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計分析

圖2　典型用戶一個月GPS行駛軌跡

用戶實際使用條件下行駛里程及運行工況存在差異，用戶使用度百分位的有效性取決于其分布函數(shù)的準(zhǔn)確性。本文中分別假設(shè)各調(diào)研參量分別服從正態(tài)、對數(shù)正態(tài)、威布爾、logistic和對數(shù)logistic等分布形態(tài)，進而利用最小二乘法對其進行參數(shù)估計，最后通過Anderson-Darling(AD)檢驗確定最優(yōu)分布函數(shù)，具體方法如下:

若樣本 y1，y2，…，yn同分布且分布函數(shù)為F(y)，則AD檢驗統(tǒng)計量為

式中Fn(y)為樣本經(jīng)驗分布函數(shù)。

令zi＝F(yi)，式(2)經(jīng)變換可簡化為

AD檢驗統(tǒng)計量越小，分布與數(shù)據(jù)擬合越好，進而根據(jù)調(diào)研結(jié)果的最優(yōu)分布函數(shù)，確定給定用戶使用度水平。本文中用戶問卷和GPS數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一采用95%用戶使用度水平。

2　問卷結(jié)果分析

對全部1 119份調(diào)查問卷總體有效度進行分布擬合，結(jié)果服從三參數(shù)威布爾分布，如圖3所示。以總分小于3.3分者認(rèn)定為無效問卷，共得到有效問卷952份，無效問卷167份。以有效問卷為基礎(chǔ)，對車輛行駛里程和運行工況分布擬合及優(yōu)度檢驗，進

而提取行駛里程和運行工況分布情況。

圖3　問卷有效度總評分布情況

2.1　年行駛里程

對象車輛年行駛里程的概率密度及累積概率密度如圖4所示?？傮w上年行駛里程服從對數(shù)logistic分布，用戶使用條件下年行駛里程在2.5×104km附近的概率密度最大，約45%車輛的年行駛里程在1.5×104～3.5×104km 之間，年行駛里程均值為3.0×104km，95%的用戶年行駛里程小于8.5×104km。

圖4　用戶車輛年行駛里程(全樣本)

對調(diào)查對象中純電動車進行單獨統(tǒng)計分析，其行駛里程亦服從對數(shù)logistic分布，如圖5所示。相對于傳動內(nèi)燃機車而言，純電動汽車的年行駛里程偏小，年平均行駛里程僅為1.8×104km，95%的純電動車用戶年行駛里程小于2.4×104km。這主要是由于純電動汽車受限于電池容量限制，其滿電狀態(tài)續(xù)航里程決定了車輛使用效率。

圖5　純電動車輛年行駛里程分布

2.2　期望行駛里程

對象車輛期望行駛里程和期望使用年限分布如圖6和圖7所示，兩者均服從對數(shù) logistic分布。95%的用戶期望行駛里程小于70×104km，整車使用年限主要集中在6～15年之間。車輛使用年限的預(yù)期與當(dāng)前車輛的使用強度密切相關(guān)，年實際行駛里程長的用戶對車輛預(yù)期使用年限期望值小，反之亦然，使用強度與期望年限之間呈現(xiàn)較強的冪函數(shù)關(guān)系，如圖8所示。95%用戶使用度下，輕型商用車全壽命目標(biāo)里程為70×104km。

2.3　路況比例

用戶使用條件下不同路況比例分布如圖9所示，鑒于調(diào)研對象對國道、省道和縣道3種路況難以準(zhǔn)確區(qū)分，合并為同一類。此外，惡劣路況對整車耐久性與可靠性影響最大，將其單獨列出。

從圖9可見，用戶使用條件下不同路況比例分布較為平均，總體上高速/高架和城市道路占比較高，國道/省道/縣道等道路比例較少，而惡劣路況比例很小，絕大部分在10%以內(nèi)。這一結(jié)果與車輛實際使用吻合，對象車型為輕型商用車，含客運和貨運兩種類型。日常使用中客運主要作為通勤車輛、商務(wù)接待和旅游包車用，其主要行駛路線為市內(nèi)和高速；而貨運車輛則主要用于小商品和少量工業(yè)品運輸，主要行駛路線以工商業(yè)發(fā)達(dá)的市區(qū)為主，對應(yīng)行駛里程中的惡劣路況也主要以市內(nèi)或郊區(qū)年久失修路或施工改造路為主。

圖6　期望行駛里程分布

圖8　期望使用年限與年行駛里程關(guān)系

圖9 用戶使用條件下路況比例分布

圖10為各路況比例隨年行駛里程的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)高速路況和城市路況比例隨用戶使用度的增加呈現(xiàn)出不同的趨勢，高速路況比例隨年行駛里程增加而增大，而城市路況比例具有逐步下降的趨勢。當(dāng)車輛年行駛里程在4×104～6×104km時，高速路況與城市道路比例基本一致，在40%左右；省/國/縣道和惡劣路況等路況比例基本保持不變，前者維持在20%左右，后者保持在5%左右。

圖10　路況比例隨年行駛里程變化趨勢

由于惡劣路況對整車的耐久性與可靠性影響較大，對問卷中經(jīng)過惡劣路況的110個用戶調(diào)研數(shù)據(jù)分析可得，95%的用戶其惡劣路況占總里程的15%以內(nèi)，如圖11所示。在制定構(gòu)造整車耐久性與可靠性目標(biāo)載荷時，可適當(dāng)提高惡劣路況比例，降低高速和城市路況比例。

2.4　行駛車速

圖11　惡劣路況分布

不同路況下行駛車速比例分布如圖12所示。高速/高架路況下，行駛車速主要集中在(80，100]和(100，120]km/h兩個區(qū)間，兩速度區(qū)間內(nèi)行駛里程占高速行駛里程的近80%；城市道路下行駛車速以(40，60]和(60，80]km/h 為主，兩速度區(qū)間內(nèi)行駛里程達(dá)到總體城市行駛里程的90%以上；國/省/縣道路況下行駛車速也主要集中在(40，60]和(60，80]km/h兩個區(qū)間，且以后者為主，行駛里程占40%以上，但相對于城市路況低速和高速行駛比例增加；在惡劣路況下車輛行駛速度小于60km/h，且主要集中在(20，40]km/h占惡劣路況總行駛里程的55%以上。

圖12　不同路況車速分布

2.5　載質(zhì)量情況

用戶使用條件下車輛的載質(zhì)量分布如圖13所示，由于對象車輛含有短軸、中軸、長軸3種軸距，因此載質(zhì)量分布通過額定載荷進行歸一化。定義常額比為該車輛日常使用載質(zhì)量與額定載質(zhì)量之比，極額比為偶然極端載質(zhì)量與額定載質(zhì)量之比。

圖13　車輛載質(zhì)量分布

由圖13可見，用戶日常使用中車輛載質(zhì)量主要集中在0.5～1.0額定載質(zhì)量之間，占比60%以上，近20%的用戶經(jīng)常超載；95%的用戶日常載質(zhì)量在1.4倍額定載質(zhì)量以下，僅有極少用戶會超過該值，極端情況達(dá)到2.5倍額定載質(zhì)量。另一方面，車輛使用中偶然超載情況又比較普遍，近70%的用戶使用中出現(xiàn)過超載情況，偶然超載主要集中在1.0～1.5倍額定載質(zhì)量區(qū)間，95%的用戶極端載荷小于2.4倍額定載荷，個別極端用戶會達(dá)到額定載質(zhì)量的3.5倍。

3　GPS運行數(shù)據(jù)

3.1　行駛里程

圖14　典型用戶GPS數(shù)據(jù)年行駛里程分布

將典型用戶一個月GPS實測的月行駛里程數(shù)據(jù)乘以12，繪制年行駛里程分布曲線，如圖14所示。與問卷調(diào)查結(jié)果一致，用戶實測年行駛里程也服從對數(shù)logistic分布，且年行駛里程在1.5×104～3.5×104km所占比例最大，接近50%；此外，18個用戶年行駛里程累積概率顯示95%的用戶年行駛里程小于8.9×104km，與問卷調(diào)研得出的95%用戶年行駛里程小于8.5×104km非常接近，相對誤差僅為4.5%。以上兩個方面直接驗證了調(diào)研問卷結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

3.2　車速與路況

典型用戶GPS數(shù)據(jù)處理得到的車輛行駛速度比例分布如圖15所示。不同用戶各行駛車速比例分布不盡相同，但總體上不同車速區(qū)間內(nèi)行駛里程均在調(diào)研問卷得到的比例之內(nèi)(見圖12)。車速比例也在一定程度上反映了車輛不同路況里程比例:車速高于 80km/h主要以高速公路為主，40～80km/h則主要以城市和國/省/縣道為主、含部分高速路，低于40km/h則以惡劣路況為主、含部分的國/省/縣道；對應(yīng)的行駛里程比例分別為20%，50%和30%，與圖9路況比例一致。

圖15　典型用戶GPS信息統(tǒng)計不同車速比例分布

4　目標(biāo)里程與運行工況

綜合調(diào)查問卷和典型用戶GPS實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，對應(yīng)95%用戶使用度水平的輕型商用車全壽命周期耐久性行駛里程目標(biāo)可設(shè)定為70×104km，其中高速、城市、國/省/縣、惡劣道路里程比例分別為40%，30%，20%和10%；4種路況對應(yīng)的行駛車速則分別為 90～120，40～80，40～80和 10～30km/h；結(jié)合商用車超載情況較為普遍，總耐久性里程中超載、滿載、半載、空載比例分別為 10%，50%，30%和10%。目標(biāo)里程和運行工況匯總?cè)绫?所示。

鑒于用戶年行駛里程、期望使用年限和目標(biāo)行駛里程三者間較好的對應(yīng)關(guān)系(圖8)，用戶道路載荷采集工作可以年行駛里程為最小采集量，對應(yīng)95%用戶使用度下采集9×104km，但最少不應(yīng)低于3×104km的年行駛里程平均值。

表1　輕型商用車耐久性目標(biāo)里程及運行工況

5　結(jié)論

本文中以大范圍用戶問卷調(diào)查和典型用戶GPS運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對用戶實際使用條件的統(tǒng)計分析，建立了涵蓋95%用戶使用度的輕型客貨兩用商用車全壽命周期耐久性目標(biāo)行駛里程和運行工況，從而為整車開發(fā)和耐久性試驗規(guī)范制定奠定基礎(chǔ)，主要結(jié)論如下。

(1)車輛年行駛里程服從對數(shù)logistic分布，總體用戶的年均行駛里程為3.0×104km，95%用戶年行駛里程小于8.9×104km；同型號電動車年行駛里程偏小且分布更為集中，年均行駛里程為1.8×104km，95%電動車用戶年行駛里程小于2.4×104km。

(2)車輛使用年限主要集中在6～12年之間，車輛年行駛里程與期望使用年限間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系，期望使用年限隨年行駛里程的增加而減小，95%用戶全壽命周期行駛里程小于70×104km。

(3)隨年行駛里程的增加，高速/高架道路比例增大，城市道路比例減小，國/省/縣道比例基本不變，而惡劣路況比例很??；結(jié)合路況損傷程度，車輛全壽命周期高速/高架、城市、國/省/縣、惡劣道路比例分別為40%，30%，20%和10%，對應(yīng)行駛車速分別為90～120，40～80，40～80和10～30km/h。

(4)日常使用中80%以上用戶載質(zhì)量不超過額定載質(zhì)量，但偶然超載現(xiàn)象較為普遍，近60%的用戶使用中出現(xiàn)過超載情況；結(jié)合車輛實際載質(zhì)量分布，對應(yīng)全壽命周期行駛里程和道路里程比例的車輛載質(zhì)量里程比例推薦為超載、滿載、半載和空載分別為10%，50%，30%和10%。

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