關(guān)聯(lián)用戶汽車試驗(yàn)場可靠性強(qiáng)化系數(shù)計(jì)算

陳沛，周馳

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

汽車產(chǎn)品的可靠性是用戶最為關(guān)心的問題之一[1-3]，而可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)則是加速汽車產(chǎn)品可靠性考核、縮短試驗(yàn)時(shí)間的基本試驗(yàn)方法，是驗(yàn)證與考核車輛耐久性與可靠性的一種重要手段[4]。

李洪濤[5]等為了制定上汽安亭試驗(yàn)場耐久性規(guī)范，以定遠(yuǎn)試驗(yàn)場為目標(biāo)，采用等相對損傷關(guān)聯(lián)法建立試驗(yàn)場間損傷等效模型，并從損傷、幅值域、頻域方面進(jìn)行驗(yàn)證。李唐[6]基于六分力載荷譜，利用雨流計(jì)數(shù)法將時(shí)域信號轉(zhuǎn)化成雨流矩陣，并采用等損傷原理進(jìn)行損傷計(jì)算，獲取兩個(gè)試驗(yàn)場道路之間的相關(guān)性，為汽車產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)提供依據(jù)。而這些研究都沒有合理地考慮用戶的使用情況，并且由于對汽車試驗(yàn)場路面相對于目標(biāo)用戶的強(qiáng)化情況沒有做過研究，因此對強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果也不能給出科學(xué)的產(chǎn)品可靠性指標(biāo)。

本文以某輕型貨車為研究對象，采集某試驗(yàn)場與典型用戶道路的路譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建試驗(yàn)場—用戶損傷關(guān)聯(lián)模型，最后求出試驗(yàn)場綜合加速系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)場-用戶損傷關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)場制動(dòng)考核不足難以有效復(fù)現(xiàn)用戶實(shí)際制動(dòng)損傷，并根據(jù)這一特點(diǎn)提出了制動(dòng)考核不足的方案。

1 試驗(yàn)場與用戶載荷信息

1.1 試驗(yàn)場信息

該試驗(yàn)場為國內(nèi)汽車耐久性快速評價(jià)試驗(yàn)場，用于汽車前期開發(fā)時(shí)關(guān)鍵零部件快速評價(jià)。共采集該試驗(yàn)場12 種道路載荷信號，道路名稱和單圈行駛里程如表1 所示。

表1 試驗(yàn)場道路信息Tab.1 Road information of test site

1.2 用戶信息

典型用戶路譜按高速、省道、鄉(xiāng)村、山路、城市5 種路況，每種路況各采集200 km 用戶載荷，以此為基礎(chǔ)按照年使用周期中不同路況比例，外推至1 年服役周期內(nèi)的載荷與損傷。1 年內(nèi)，95百分位行駛里程為36 000 km，對應(yīng)各路況比例如表2 所示。部分用戶采集詳細(xì)路線圖如圖1 所示。

表2 典型用戶路況比例Tab.2 Proportion of road conditions of typical users

圖1 部分用戶采集詳細(xì)路線圖Fig.1 Detailed roadmap of user acquisition

1.3 測點(diǎn)選擇

道路載荷譜的測量點(diǎn)選擇應(yīng)該突出重點(diǎn)，并考慮綜合性與經(jīng)濟(jì)性，測量點(diǎn)位置應(yīng)對路面激勵(lì)較為敏感[7]。對于不同的路況，輪心力具有較好的還原性。以車輛激勵(lì)載荷源為出發(fā)點(diǎn)選擇測點(diǎn)，選擇六分力作為輸入載荷，以左前輪六分力為例的表征通道如表3 所示。

表3 左前輪六分力表征通道Tab.3 Six component force representation channels of left front wheel

2 試驗(yàn)場-用戶關(guān)聯(lián)分析

2.1 偽損傷計(jì)算

載荷的劇烈程度反應(yīng)了載荷潛在的損傷能力，因此評價(jià)載荷嚴(yán)重程度的方法應(yīng)該基于S-N曲線和疲勞損傷累積準(zhǔn)則。偽損傷是應(yīng)用最為廣泛的評判載荷嚴(yán)重程度的方法，它是以S-N曲線、線性累積損傷準(zhǔn)則和雨流計(jì)數(shù)法原理為基礎(chǔ)，通過Basquin給出的S-N曲線的表達(dá)式計(jì)算偽損傷[8：]

式中：S——應(yīng)力幅值；N——試樣在幅值N作用下的疲勞壽命；α——常數(shù)；β——疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

幅值為Si的一個(gè)載荷循環(huán)的偽損傷為1/Ni，應(yīng)用線性累積損傷準(zhǔn)則，將所有載荷循環(huán)的偽損傷疊加，獲得總偽損傷D[9]

根據(jù)選擇的六分力測點(diǎn)載荷信號，對六分力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各個(gè)通道的偽損傷值。統(tǒng)一設(shè)定S-N曲線斜率為-5，截距設(shè)定為5 000，偽損傷計(jì)算Ncode 處理流程圖如圖2 所示。

圖2 偽損傷數(shù)據(jù)獲取Fig.2 Pseudo damage data acquisition

根據(jù)圖2 所示的偽損傷獲取流程圖，對試驗(yàn)場和用戶進(jìn)行偽損傷計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)場與用戶道路偽損傷數(shù)據(jù)Tab.2 Pseudo damage data of test site and user road

2.2 強(qiáng)化系數(shù)

試驗(yàn)場整車耐久試驗(yàn)是為了縮短試驗(yàn)周期，道路強(qiáng)化系數(shù)直接反映了試驗(yàn)場強(qiáng)化路面相對于用戶實(shí)際使用條件的強(qiáng)弱程度，通過強(qiáng)化試驗(yàn)與實(shí)際用戶路面行駛結(jié)果相比較得出，即車輛在試驗(yàn)場強(qiáng)化路面行駛時(shí)單位里程的偽損傷與用戶道路行駛時(shí)單位里程偽損傷之比，比值為K，K值的大小就是試驗(yàn)場耐久強(qiáng)化系數(shù)，其表達(dá)式為

式中：L0——用戶行駛單位公里的損傷；L1——試驗(yàn)場耐久試驗(yàn)行駛單位公里的損傷。

根據(jù)式（3）對試驗(yàn)場-用戶關(guān)聯(lián)強(qiáng)化系數(shù)計(jì)算，試驗(yàn)場綜合強(qiáng)化系數(shù)為58.37，各六分力通道強(qiáng)化系數(shù)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 六分力強(qiáng)化系數(shù)Fig.3 Six-component force strengthening coefficient

3 試驗(yàn)場制動(dòng)考核補(bǔ)足方案

針對圖3 試驗(yàn)場—用戶關(guān)聯(lián)加速系數(shù)通道圖可以看出4 個(gè)My通道復(fù)現(xiàn)效果差，說明試驗(yàn)場耐久路面對車輛的制動(dòng)性能的考核差，無法有效復(fù)現(xiàn)用戶損傷水平。分別提取出試驗(yàn)場完成行駛一周條件下與用戶路面行駛條件下的驅(qū)動(dòng)軸左右輪的制動(dòng)力矩與GPS 車速信號，如圖4 所示。根據(jù)Miner 線性累積損傷理論計(jì)算出其制動(dòng)工況下的偽損傷，并根據(jù)試驗(yàn)場—用戶關(guān)聯(lián)加速系數(shù)計(jì)算出其所需補(bǔ)足的損傷情況。

圖4 試驗(yàn)場制動(dòng)扭矩提取Fig.4 Braking torque extraction in test field

分別進(jìn)行70，60，45 km/h 三種測試條件下的制動(dòng)考核，圖5 所示。并計(jì)算出每種條件下的制動(dòng)偽損傷強(qiáng)度，并以此為依據(jù)對試驗(yàn)場路面制動(dòng)考核進(jìn)行補(bǔ)足。

圖5 制動(dòng)試驗(yàn)扭矩Fig.5 Braking test torque

考慮到駕駛員實(shí)際駕駛情況與試驗(yàn)場各路面行駛速度，采取45 km/h—0 這一制動(dòng)工況進(jìn)行制動(dòng)損傷補(bǔ)足，經(jīng)過計(jì)算得出45 km/h 下單次制動(dòng)損傷，通過用戶強(qiáng)化系數(shù)下每公里損傷減去試驗(yàn)場行駛條件下每公里損傷得出需要補(bǔ)充的損傷數(shù)值，進(jìn)而得出制動(dòng)次數(shù)。

表4 制動(dòng)試驗(yàn)各參數(shù)含義Tab.4 Meaning of parameters of brake test

表5 制動(dòng)優(yōu)化方案Tab.5 Braking optimization scheme

由計(jì)算結(jié)果可得出試驗(yàn)場內(nèi)每10 km 增加一次45 km/h 制動(dòng)工況為宜，考慮試驗(yàn)場實(shí)際單圈長度，建議駕駛員每行駛兩圈在原有制動(dòng)條件下多增加一次制動(dòng)，能夠在耐久路面上對車輛制動(dòng)效能進(jìn)行有效的考核。

4 結(jié)論

本文結(jié)合用戶實(shí)際使用情況，通過試驗(yàn)樣車采集試驗(yàn)場路譜數(shù)據(jù)與用戶實(shí)際使用工況的路譜數(shù)據(jù)，以車輛在試驗(yàn)場路面與用戶路面行駛時(shí)的偽損傷為基礎(chǔ)，構(gòu)建試驗(yàn)場—用戶損傷關(guān)聯(lián)模型，最后求出試驗(yàn)場路面對典型用戶使用情況的綜合加速系數(shù)為58.37。并針對試驗(yàn)場對制動(dòng)考核不足這一特點(diǎn)提出了補(bǔ)足方案，計(jì)算結(jié)果表明，試驗(yàn)場內(nèi)行駛每10 km 增加一次45 km/h 制動(dòng)能有效復(fù)現(xiàn)用戶實(shí)際使用情況。本文研究結(jié)果能為該車型后續(xù)改款提供有力的數(shù)據(jù)支撐。