輕型客車(chē)綜合可靠性試驗(yàn)方法研究

朱德江，熊毅，陸小川，戴云

(南京汽車(chē)集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210028)

輕型客車(chē)綜合可靠性試驗(yàn)方法研究

朱德江，熊毅，陸小川，戴云

(南京汽車(chē)集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210028)

整車(chē)道路強(qiáng)化試驗(yàn)是模擬客戶(hù)的實(shí)際使用狀況、進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的重要手段之一。運(yùn)用汽車(chē)道路載荷譜技術(shù)和CAE技術(shù)，建立了客戶(hù)道路載荷譜，優(yōu)化了試驗(yàn)場(chǎng)道路里程比例分配。在優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制訂了新的道路試驗(yàn)規(guī)范，達(dá)到更好地模擬客戶(hù)實(shí)際使用狀況目的。

可靠性；輕型客車(chē)；道路試驗(yàn)；用戶(hù)關(guān)聯(lián)

Abstract:Accelerative road test of vehicle that simulates the customer using is one of the most important methods to validate the product development.Based on the technology of road load spectrum and CAE,the road load spectrum of customer was established, the ratios of kilometers in prove grand was optimized.A new road test method was developed, and it was better to simulate the conditions of customer real using.

Keywords:Reliability; Light commercial bus; Road test; Customer related

0 前言

汽車(chē)可靠性是汽車(chē)最重要的性能之一，對(duì)客戶(hù)的影響具有舉足輕重的地位。雖然整車(chē)道路試驗(yàn)有時(shí)間長(zhǎng)、成本高、受制于試驗(yàn)樣品而只能在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的靠后階段才能實(shí)施，但整車(chē)在實(shí)際道路上的模擬試驗(yàn)非常直觀，能夠?qū)ο到y(tǒng)和零件進(jìn)行最廣泛的考核，貼近客戶(hù)使用方式和使用環(huán)境，能對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)耦合問(wèn)題進(jìn)行真實(shí)模擬[1-2]。到目前為止，還沒(méi)有別的方法能完全替代道路試驗(yàn)，對(duì)整車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行最后的驗(yàn)證確認(rèn)。所以在整車(chē)開(kāi)發(fā)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中，都要使用道路試驗(yàn)的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗(yàn)證。

為了縮短試驗(yàn)周期，國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)制造商常常采用在專(zhuān)用的試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)化道路試驗(yàn)，達(dá)到驗(yàn)證產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可靠性的目的。這樣一來(lái)，如何安排試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的試驗(yàn)，以達(dá)到盡量準(zhǔn)確地模擬并替代實(shí)際客戶(hù)使用狀況，就成了大家研究的問(wèn)題。國(guó)外較早的時(shí)候已經(jīng)有對(duì)客戶(hù)的使用載荷進(jìn)行測(cè)量[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)各汽車(chē)廠(chǎng)商根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合國(guó)外汽車(chē)制造商的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，都制定了相關(guān)的試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)的汽車(chē)可靠性試驗(yàn)規(guī)范。近些年，國(guó)內(nèi)的一些汽車(chē)廠(chǎng)商著手進(jìn)行汽車(chē)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)與用戶(hù)相關(guān)性研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)用戶(hù)的使用條件、用戶(hù)需求、產(chǎn)品特點(diǎn)和汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的道路條件，對(duì)原有的可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行修訂和完善，使其更好地替代用戶(hù)的使用壽命周期，更具有科學(xué)性。

文中以海南試驗(yàn)場(chǎng)作為強(qiáng)化試驗(yàn)場(chǎng)地，闡述了客戶(hù)使用載荷譜的制訂、試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜采集，使用nCode公司開(kāi)發(fā)的GlyphWorks軟件，對(duì)某輕型客車(chē)的道路疲勞損傷進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，從而找到較好的在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)的方法，模擬真實(shí)客戶(hù)的失效模式和疲勞壽命，同時(shí)得到試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)和客戶(hù)使用之間的等價(jià)關(guān)系，亦即試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)范的快速系數(shù)。在分析和計(jì)算載荷損傷時(shí)，假設(shè)道路載荷對(duì)汽車(chē)部件的損傷是線(xiàn)性的。

1 客戶(hù)使用情況調(diào)查

實(shí)際客戶(hù)使用情況千變?nèi)f化，要取得能覆蓋真實(shí)客戶(hù)使用的情況并非易事，需要花大量的人力物力，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，才能獲得覆蓋客戶(hù)使用狀態(tài)的載荷譜。根據(jù)美國(guó)通用公司的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，車(chē)輛的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿(mǎn)足90%用戶(hù)使用情況，即90%的用戶(hù)認(rèn)為該車(chē)是滿(mǎn)足他的使用工況的，但超過(guò)了90%用戶(hù)滿(mǎn)足率，則被認(rèn)為該設(shè)計(jì)為“過(guò)設(shè)計(jì)”，這樣會(huì)提高該車(chē)的制造成本，而如果小于90%用戶(hù)，那么會(huì)由于用戶(hù)的投訴和返修，使該車(chē)的售后成本增大。所以，通用公司進(jìn)行用戶(hù)相關(guān)性研究時(shí)，把研究的車(chē)型能滿(mǎn)足90%用戶(hù)的要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由于經(jīng)費(fèi)和時(shí)間的關(guān)系，此次研究沒(méi)有就研究對(duì)象進(jìn)行具體的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，而是參考了相關(guān)的輕型客車(chē)實(shí)際用戶(hù)載荷譜的文獻(xiàn)[3-4]，并結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)規(guī)范的可靠性，用戶(hù)載荷譜的編制偏于保守。能覆蓋90%用戶(hù)的道路使用情況如表1所示?？蛻?hù)在實(shí)際使用中的載荷比例為空載20%、半載40%、滿(mǎn)載40%。

表1 客戶(hù)路面組成

2 道路載荷譜采集和處理

2.1 道路載荷譜采集路面

此次研究以海南試驗(yàn)場(chǎng)作為強(qiáng)化試驗(yàn)的場(chǎng)地，研究試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)與客戶(hù)使用的當(dāng)量關(guān)系。所以需要采集道路載荷譜的路面包括與客戶(hù)行駛工況相關(guān)的高速公路、城市道路、一般公路、山區(qū)和鄉(xiāng)村道路；試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的道路包括高速路、直線(xiàn)性能路、綜合強(qiáng)化路、城市模擬道路、山區(qū)道路等。

客戶(hù)工況載荷采集中，高速路段為海南省東線(xiàn)高速公路從瓊海經(jīng)萬(wàn)寧至陵水，瀝青路面；城市道路為瓊海市區(qū)道路；一般公路為瓊海市加積鎮(zhèn)至博鰲鎮(zhèn)連接路段，瀝青路面，該路段路面寬闊，較為平直；鄉(xiāng)村道路為瓊海市溫泉鎮(zhèn)至白石嶺路段，由沙土石塊組成?？蛻?hù)和試驗(yàn)場(chǎng)的山區(qū)路面同為海榆中線(xiàn)(224國(guó)道)五指山市海拔高度670 m的阿陀嶺路段。該路段長(zhǎng)25 km，有彎道150余處，其中急彎53處，回頭彎10多處，平均每公里6個(gè)彎道。北坡長(zhǎng)14.1 km，最大坡度9.6%，平均坡度4.0%;南坡長(zhǎng)10.9 km，最大坡度8.7%，平均坡度3.4%。試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)壞路包括凸塊路、扭曲路、石板路、條石路、沙灘路、乙種石塊路、沙土路、卵石路、魚(yú)鱗坑路、沙土路、波形路、丙種石塊路、乙種搓板路。

2.2 道路載荷譜采集車(chē)輛與設(shè)備

用于道路載荷譜采集的輕型客車(chē)，各總成、部件及附屬裝置裝配齊全，符合技術(shù)條件的要求。試驗(yàn)期間，按其說(shuō)明書(shū)和有關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定和要求，對(duì)汽車(chē)進(jìn)行技術(shù)檢查和保養(yǎng)。輪胎氣壓保持為規(guī)定值，誤差不超過(guò)±10 kPa。

采用車(chē)輪六分力傳感器，eDaq數(shù)據(jù)采集儀記錄各種路面的道路載荷譜。

2.3 各測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量通道描述

2.4 數(shù)據(jù)檢查和預(yù)處理

(1)奇異點(diǎn)(野點(diǎn))剔除。數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)往往是由于測(cè)量系統(tǒng)引入了較大的外部干擾或一些人為錯(cuò)誤所造成的，其數(shù)值往往不符合一般客觀事物的變化規(guī)律，這些奇異點(diǎn)的存在會(huì)給數(shù)據(jù)處理結(jié)果帶來(lái)較大誤差。這里根據(jù)“峰值因子”判斷奇異點(diǎn)并剔除[5]。

(2)消除趨勢(shì)項(xiàng)。測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移(如溫漂)及其他原因，會(huì)給整個(gè)數(shù)據(jù)附加一個(gè)隨時(shí)間緩變的趨勢(shì)誤差。這種信號(hào)周期大于樣本記錄長(zhǎng)度的緩慢信號(hào)會(huì)使隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)分析和譜分析產(chǎn)生較大的畸變。這里采用Butterworth濾波器和移動(dòng)均值結(jié)合的方法過(guò)濾。經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)該符合零線(xiàn)回歸原則，并且在均值上下基本對(duì)稱(chēng)。

(3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷峰谷變化在對(duì)應(yīng)路段出現(xiàn)的合理性。

(4)概率密度分析。分析采樣信號(hào)的概率分布，然后與理論的正態(tài)分布相比較，觀測(cè)其近似程度；采樣次數(shù)保證幾次結(jié)果的分布基本穩(wěn)定。

(5)穿級(jí)分布檢查。觀察數(shù)據(jù)幅值的分布情況。

(6)頻譜分析。觀察信號(hào)的干擾情況。

2.5 數(shù)據(jù)處理

對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行檢查。數(shù)據(jù)合理正確后，應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)采集的道路載荷譜進(jìn)行處理和分析。

3 疲勞損傷優(yōu)化計(jì)算

3.1 疲勞損傷優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)載荷狀況和表1的客戶(hù)使用狀態(tài)的路面分配，編制各測(cè)點(diǎn)的客戶(hù)道路載荷譜。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)各種路面的載荷譜，進(jìn)行匹配計(jì)算，形成試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜。

試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜應(yīng)與用戶(hù)載荷譜基本接近，盡量使試驗(yàn)場(chǎng)最大載荷幅值覆蓋用戶(hù)載荷，以保證二者具有相近的故障模式和全面的考核范圍；與用戶(hù)載荷譜相同測(cè)點(diǎn)相對(duì)損傷值的比值相近，以保證各測(cè)點(diǎn)的均衡，適合整車(chē)道路試驗(yàn)。

在車(chē)輛滿(mǎn)載情況下，經(jīng)過(guò)不斷地優(yōu)化，合理分配試驗(yàn)路面里程比例，按表2的試驗(yàn)場(chǎng)路面比例，與用戶(hù)載荷有較好的吻合。

表2 試驗(yàn)場(chǎng)路面里程分配

表3為車(chē)輛4個(gè)車(chē)輪各個(gè)方向客戶(hù)載荷和經(jīng)過(guò)優(yōu)化里程分配后的試驗(yàn)場(chǎng)載荷相對(duì)疲勞損傷比值。

表3 各方向載荷疲勞損傷系數(shù)比值

圖1—4列出了部分(每個(gè)車(chē)輪z方向)客戶(hù)載荷譜(50 000 km，曲線(xiàn)1)、按海南試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范行駛的載荷譜(4 772 km，曲線(xiàn)2)結(jié)果的對(duì)比。其中橫軸表示載荷，縱軸表示載荷出現(xiàn)的頻次。

車(chē)輛在客戶(hù)環(huán)境下與按海南規(guī)范試驗(yàn)的損傷比，各載荷分量損傷均值為1.00時(shí)，總體方差為0.28，損傷比離散性較低，綜合考慮了各載荷分量對(duì)車(chē)輛的損傷，對(duì)整車(chē)強(qiáng)化均衡。

比較24個(gè)載荷分量的用戶(hù)載荷譜與按海南規(guī)范行駛得到的載荷譜，可以看出:試驗(yàn)規(guī)范減少了小幅值載荷的數(shù)量，適當(dāng)增加大幅值載荷的數(shù)量。但二者又非常接近，從而在確保試驗(yàn)場(chǎng)加速試驗(yàn)與用戶(hù)使用情況具有相近的故障模式的情況下又強(qiáng)化了試驗(yàn)。

快速系數(shù)α是指汽車(chē)整車(chē)或其構(gòu)件在實(shí)際使用中與在試驗(yàn)場(chǎng)中按照一定的規(guī)程進(jìn)行行駛試驗(yàn)達(dá)到相同的損傷程度時(shí)兩者行駛里程之比，所以:

α=50 000÷4 772=10.5

3.2 試驗(yàn)里程確定

假設(shè)輕型客車(chē)的客戶(hù)可靠性目標(biāo)里程為400 000 km,依據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，可以得到在海南試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)的里程s為:

s=400 000÷10.5=38 095 km

各路面的分配里程見(jiàn)表4。

表4 各路面的分配里程

4 與優(yōu)化前試驗(yàn)規(guī)范的比較

在此次研究前，作者研究的輕型客車(chē)試驗(yàn)規(guī)范的試驗(yàn)里程為45 000 km，試驗(yàn)道路由5種試驗(yàn)路面組成，每種路面占比20%，應(yīng)用采集的道路載荷譜，結(jié)合客戶(hù)使用工況，計(jì)算原規(guī)范的快速系數(shù)，得到的結(jié)果為7.9，各載荷分量損傷比的方差為0.61，與新規(guī)范比較見(jiàn)表5。

表5 優(yōu)化前后試驗(yàn)規(guī)范的比較

從計(jì)算結(jié)果可以看到:新規(guī)范的試驗(yàn)里程較短，強(qiáng)化程度提高，有利于試驗(yàn)進(jìn)程的加快；另外，新規(guī)范的損傷比的方差比原有規(guī)范小，說(shuō)明各個(gè)方向的損傷和客戶(hù)載荷損傷更接近，各分量的均衡性更好。

5 結(jié)束語(yǔ)

以金屬的疲勞損傷理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用CAE方法，以車(chē)輪載荷的輸入為條件，對(duì)輕型客車(chē)整車(chē)的疲勞損傷進(jìn)行了分析，并計(jì)算了汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)和客戶(hù)實(shí)際使用間的快速系數(shù)。從計(jì)算結(jié)果可以看到:各載荷分量的損傷比較均衡，能較好地反映客戶(hù)使用的真實(shí)情況；按照計(jì)算結(jié)果制訂新的道路實(shí)驗(yàn)規(guī)范，能快速完成試驗(yàn)，又能接近客戶(hù)、反映客戶(hù)的實(shí)際使用情況。

與原有的試驗(yàn)規(guī)范相比，快速系數(shù)有所提高，加快了試驗(yàn)進(jìn)程，而各載荷分量的損傷更加平衡，說(shuō)明與客戶(hù)之間的接近程度有較大提高。

【1】 王秉剛.汽車(chē)可靠性工程方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

【2】 林曉斌.關(guān)聯(lián)用戶(hù)用途的試車(chē)技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，1998(11):24-26.

【3】 HEULER P，VOGLER J，BESTE A.Ableitung von Festigkeitsforderu，ngen für PKW Unter Berücksichtigung Statistischer Kriterien[J].Materialwissenschaft und Werkstofftechnik,2003,34.

【4】 卿宏軍，韓旭，陳志夫，等.某轎車(chē)結(jié)構(gòu)載荷譜采集與分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012(12):32-36.

【5】 黃書(shū)明.車(chē)載發(fā)動(dòng)機(jī)路譜載荷映射合成法的初步研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2007.

寶馬奧迪保時(shí)捷等巨頭爭(zhēng)相發(fā)力純電動(dòng)車(chē)

新能源汽車(chē)市場(chǎng)正在迎來(lái)“前有大將，后有追兵”的新時(shí)代。除了時(shí)下火熱的寶馬i系和特斯拉Model S之間逐漸步入正面競(jìng)爭(zhēng)之外，奧迪、保時(shí)捷等國(guó)際巨頭也紛紛蓄勢(shì)待發(fā)，準(zhǔn)備推出純電動(dòng)SUV等多款車(chē)型與特斯拉一較高下。

巨頭鏖戰(zhàn)新能源汽車(chē)

傳統(tǒng)汽車(chē)巨頭奧迪日前宣布，正在考慮擴(kuò)大其電動(dòng)車(chē)的產(chǎn)品線(xiàn)，未來(lái)將有Q8電動(dòng)版以及R8 e-tron的量產(chǎn)版推出。此外奧迪還將推出一款純電動(dòng)的Q8 SUV車(chē)型和特斯拉即將推出的Model X競(jìng)爭(zhēng)。在奧迪厲兵秣馬加緊布局新能源汽車(chē)的同時(shí)，寶馬、保時(shí)捷、日產(chǎn)等一線(xiàn)車(chē)企也紛紛加快了新能源汽車(chē)的推出步伐。

專(zhuān)利放開(kāi)或加速市場(chǎng)爆棚

6月中旬，特斯拉CEO馬斯克表示，為了電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，特斯拉將開(kāi)放其所有的專(zhuān)利。任何人出于善意想要使用特斯拉的技術(shù)，特斯拉不會(huì)對(duì)其發(fā)起專(zhuān)利侵權(quán)訴訟。馬斯克表示，特斯拉的真正對(duì)手并不是電動(dòng)汽車(chē)同行，而是傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)，希望借此舉來(lái)推動(dòng)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

特斯拉將公司全部專(zhuān)利對(duì)外公開(kāi)供新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)所使用，一方面說(shuō)明了新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為汽車(chē)工業(yè)中占比非常小的新興產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)前的發(fā)展階段合作大于競(jìng)爭(zhēng)，如何將新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大是各個(gè)參與者目前思考的重要問(wèn)題；另外一方面是特斯拉對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展新規(guī)則的一種嘗試，即探索IT行業(yè)中已被證明成功的“開(kāi)源模式”在傳統(tǒng)汽車(chē)制造業(yè)中的可行性。特斯拉專(zhuān)利技術(shù)的公開(kāi)，能夠避免后來(lái)者在一些共性領(lǐng)域研發(fā)或測(cè)試的資源浪費(fèi)，從而加速技術(shù)和商業(yè)模式的創(chuàng)新；加上不少汽車(chē)巨頭已經(jīng)開(kāi)始意識(shí)到新能源汽車(chē)市場(chǎng)的迅速興起而紛紛斥資研發(fā)與生產(chǎn)，新能源汽車(chē)市場(chǎng)的蓬勃拓展進(jìn)程有望大大加快。

產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)有望獲益

新能源汽車(chē)迎來(lái)巨頭鏖戰(zhàn)時(shí)代，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)來(lái)講肯定是利好，而對(duì)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈上市公司來(lái)講，也有望因?yàn)樘囟ㄆ放朴唵蔚脑龆嗪推渌放瓶蛻?hù)的推廣而獲益。但目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有供應(yīng)奧迪、保時(shí)捷等其他一線(xiàn)車(chē)企品牌的上市公司。“整體來(lái)看，中國(guó)在新能源汽車(chē)市場(chǎng)供應(yīng)鏈中依然處于技術(shù)劣勢(shì)?！钡珖?guó)聯(lián)證券分析師則認(rèn)為，一方面，特斯拉的超級(jí)充電技術(shù)、電池管理系統(tǒng)、汽車(chē)電子技術(shù)或能為國(guó)內(nèi)企業(yè)提供借鑒，另一方面，長(zhǎng)期來(lái)看，國(guó)內(nèi)企業(yè)也將從特斯拉推動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)普及中獲益。

(信息來(lái)源：中國(guó)證券報(bào))

ResearchonIntegratedReliabilityTestMethodforLightCommercialBus

ZHU Dejiang，XIONG Yi，LU Xiaochuan，DAI Yun

(Nanjing Automotive Group Ltd.,Nanjing Jiangsu 210028,China)

2014-04-17

朱德江(1964—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎?chē)性能、整車(chē)和零部件可靠性。E-mail:13851705383@139.com。