輕型客車綜合可靠性試驗方法研究

朱德江，熊毅，陸小川，戴云

(南京汽車集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210028)

輕型客車綜合可靠性試驗方法研究

朱德江，熊毅，陸小川，戴云

(南京汽車集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210028)

整車道路強(qiáng)化試驗是模擬客戶的實際使用狀況、進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)驗證的重要手段之一。運用汽車道路載荷譜技術(shù)和CAE技術(shù)，建立了客戶道路載荷譜，優(yōu)化了試驗場道路里程比例分配。在優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制訂了新的道路試驗規(guī)范，達(dá)到更好地模擬客戶實際使用狀況目的。

可靠性；輕型客車；道路試驗；用戶關(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

汽車可靠性是汽車最重要的性能之一，對客戶的影響具有舉足輕重的地位。雖然整車道路試驗有時間長、成本高、受制于試驗樣品而只能在產(chǎn)品開發(fā)的靠后階段才能實施，但整車在實際道路上的模擬試驗非常直觀，能夠?qū)ο到y(tǒng)和零件進(jìn)行最廣泛的考核，貼近客戶使用方式和使用環(huán)境，能對復(fù)雜的系統(tǒng)耦合問題進(jìn)行真實模擬[1-2]。到目前為止，還沒有別的方法能完全替代道路試驗，對整車產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行最后的驗證確認(rèn)。所以在整車開發(fā)的可靠性驗證試驗中，都要使用道路試驗的方法進(jìn)行開發(fā)驗證。

為了縮短試驗周期，國內(nèi)外的汽車制造商常常采用在專用的試驗場內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)化道路試驗，達(dá)到驗證產(chǎn)品開發(fā)可靠性的目的。這樣一來，如何安排試驗場內(nèi)的試驗，以達(dá)到盡量準(zhǔn)確地模擬并替代實際客戶使用狀況，就成了大家研究的問題。國外較早的時候已經(jīng)有對客戶的使用載荷進(jìn)行測量[3-4]。目前，國內(nèi)各汽車廠商根據(jù)各自的經(jīng)驗，再結(jié)合國外汽車制造商的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，都制定了相關(guān)的試驗場強(qiáng)化試驗的汽車可靠性試驗規(guī)范。近些年，國內(nèi)的一些汽車廠商著手進(jìn)行汽車可靠性強(qiáng)化試驗與用戶相關(guān)性研究，結(jié)合國內(nèi)用戶的使用條件、用戶需求、產(chǎn)品特點和汽車試驗場的道路條件，對原有的可靠性試驗方法進(jìn)行修訂和完善，使其更好地替代用戶的使用壽命周期，更具有科學(xué)性。

文中以海南試驗場作為強(qiáng)化試驗場地，闡述了客戶使用載荷譜的制訂、試驗場道路載荷譜采集，使用nCode公司開發(fā)的GlyphWorks軟件，對某輕型客車的道路疲勞損傷進(jìn)行優(yōu)化計算，從而找到較好的在試驗場進(jìn)行試驗的方法，模擬真實客戶的失效模式和疲勞壽命，同時得到試驗場試驗和客戶使用之間的等價關(guān)系，亦即試驗場試驗規(guī)范的快速系數(shù)。在分析和計算載荷損傷時，假設(shè)道路載荷對汽車部件的損傷是線性的。

1 客戶使用情況調(diào)查

實際客戶使用情況千變?nèi)f化，要取得能覆蓋真實客戶使用的情況并非易事，需要花大量的人力物力，經(jīng)過統(tǒng)計、計算，才能獲得覆蓋客戶使用狀態(tài)的載荷譜。根據(jù)美國通用公司的開發(fā)經(jīng)驗，車輛的設(shè)計應(yīng)該滿足90%用戶使用情況，即90%的用戶認(rèn)為該車是滿足他的使用工況的，但超過了90%用戶滿足率，則被認(rèn)為該設(shè)計為“過設(shè)計”，這樣會提高該車的制造成本，而如果小于90%用戶，那么會由于用戶的投訴和返修，使該車的售后成本增大。所以，通用公司進(jìn)行用戶相關(guān)性研究時，把研究的車型能滿足90%用戶的要求作為設(shè)計目標(biāo)。

由于經(jīng)費和時間的關(guān)系，此次研究沒有就研究對象進(jìn)行具體的調(diào)查和統(tǒng)計，而是參考了相關(guān)的輕型客車實際用戶載荷譜的文獻(xiàn)[3-4]，并結(jié)合自己的經(jīng)驗，考慮到試驗規(guī)范的可靠性，用戶載荷譜的編制偏于保守。能覆蓋90%用戶的道路使用情況如表1所示。客戶在實際使用中的載荷比例為空載20%、半載40%、滿載40%。

表1 客戶路面組成

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場作為強(qiáng)化試驗的場地，研究試驗場強(qiáng)化試驗與客戶使用的當(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；試驗場內(nèi)的道路包括高速路、直線性能路、綜合強(qiáng)化路、城市模擬道路、山區(qū)道路等。

客戶工況載荷采集中，高速路段為海南省東線高速公路從瓊海經(jīng)萬寧至陵水，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。客戶和試驗場的山區(qū)路面同為海榆中線(224國道)五指山市海拔高度670 m的阿陀嶺路段。該路段長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個彎道。北坡長14.1 km，最大坡度9.6%，平均坡度4.0%;南坡長10.9 km，最大坡度8.7%，平均坡度3.4%。試驗場內(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 道路載荷譜采集車輛與設(shè)備

用于道路載荷譜采集的輕型客車，各總成、部件及附屬裝置裝配齊全，符合技術(shù)條件的要求。試驗期間，按其說明書和有關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定和要求，對汽車進(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±10 kPa。

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

2.3 各測量點和測量通道描述

2.4 數(shù)據(jù)檢查和預(yù)處理

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

(2)消除趨勢項。測量系統(tǒng)的零點漂移(如溫漂)及其他原因，會給整個數(shù)據(jù)附加一個隨時間緩變的趨勢誤差。這種信號周期大于樣本記錄長度的緩慢信號會使隨機(jī)信號的相關(guān)分析和譜分析產(chǎn)生較大的畸變。這里采用Butterworth濾波器和移動均值結(jié)合的方法過濾。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)該符合零線回歸原則，并且在均值上下基本對稱。

(3)根據(jù)經(jīng)驗判斷峰谷變化在對應(yīng)路段出現(xiàn)的合理性。

(4)概率密度分析。分析采樣信號的概率分布，然后與理論的正態(tài)分布相比較，觀測其近似程度；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。觀察信號的干擾情況。

2.5 數(shù)據(jù)處理

對預(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)用雨流計數(shù)法對采集的道路載荷譜進(jìn)行處理和分析。

3 疲勞損傷優(yōu)化計算

3.1 疲勞損傷優(yōu)化計算

根據(jù)載荷狀況和表1的客戶使用狀態(tài)的路面分配，編制各測點的客戶道路載荷譜。同時，根據(jù)試驗場各種路面的載荷譜，進(jìn)行匹配計算，形成試驗場載荷譜。

試驗場載荷譜應(yīng)與用戶載荷譜基本接近，盡量使試驗場最大載荷幅值覆蓋用戶載荷，以保證二者具有相近的故障模式和全面的考核范圍；與用戶載荷譜相同測點相對損傷值的比值相近，以保證各測點的均衡，適合整車道路試驗。

在車輛滿載情況下，經(jīng)過不斷地優(yōu)化，合理分配試驗路面里程比例，按表2的試驗場路面比例，與用戶載荷有較好的吻合。

表2 試驗場路面里程分配

表3為車輛4個車輪各個方向客戶載荷和經(jīng)過優(yōu)化里程分配后的試驗場載荷相對疲勞損傷比值。

表3 各方向載荷疲勞損傷系數(shù)比值

圖1—4列出了部分(每個車輪z方向)客戶載荷譜(50 000 km，曲線1)、按海南試驗場規(guī)范行駛的載荷譜(4 772 km，曲線2)結(jié)果的對比。其中橫軸表示載荷，縱軸表示載荷出現(xiàn)的頻次。

車輛在客戶環(huán)境下與按海南規(guī)范試驗的損傷比，各載荷分量損傷均值為1.00時，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車輛的損傷，對整車強(qiáng)化均衡。

比較24個載荷分量的用戶載荷譜與按海南規(guī)范行駛得到的載荷譜，可以看出:試驗規(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，從而在確保試驗場加速試驗與用戶使用情況具有相近的故障模式的情況下又強(qiáng)化了試驗。

快速系數(shù)α是指汽車整車或其構(gòu)件在實際使用中與在試驗場中按照一定的規(guī)程進(jìn)行行駛試驗達(dá)到相同的損傷程度時兩者行駛里程之比，所以:

α=50 000÷4 772=10.5

3.2 試驗里程確定

假設(shè)輕型客車的客戶可靠性目標(biāo)里程為400 000 km,依據(jù)以上的計算結(jié)果，可以得到在海南試驗場進(jìn)行試驗的里程s為:

s=400 000÷10.5=38 095 km

各路面的分配里程見表4。

表4 各路面的分配里程

4 與優(yōu)化前試驗規(guī)范的比較

在此次研究前，作者研究的輕型客車試驗規(guī)范的試驗里程為45 000 km，試驗道路由5種試驗路面組成，每種路面占比20%，應(yīng)用采集的道路載荷譜，結(jié)合客戶使用工況，計算原規(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)范比較見表5。

表5 優(yōu)化前后試驗規(guī)范的比較

從計算結(jié)果可以看到:新規(guī)范的試驗里程較短，強(qiáng)化程度提高，有利于試驗進(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，說明各個方向的損傷和客戶載荷損傷更接近，各分量的均衡性更好。

5 結(jié)束語

以金屬的疲勞損傷理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用CAE方法，以車輪載荷的輸入為條件，對輕型客車整車的疲勞損傷進(jìn)行了分析，并計算了汽車試驗場強(qiáng)化試驗和客戶實際使用間的快速系數(shù)。從計算結(jié)果可以看到:各載荷分量的損傷比較均衡，能較好地反映客戶使用的真實情況；按照計算結(jié)果制訂新的道路實驗規(guī)范，能快速完成試驗，又能接近客戶、反映客戶的實際使用情況。

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

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

【2】 林曉斌.關(guān)聯(lián)用戶用途的試車技術(shù)[J].中國機(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.某轎車結(jié)構(gòu)載荷譜采集與分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012(12):32-36.

【5】 黃書明.車載發(fā)動機(jī)路譜載荷映射合成法的初步研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2007.

寶馬奧迪保時捷等巨頭爭相發(fā)力純電動車

新能源汽車市場正在迎來“前有大將，后有追兵”的新時代。除了時下火熱的寶馬i系和特斯拉Model S之間逐漸步入正面競爭之外，奧迪、保時捷等國際巨頭也紛紛蓄勢待發(fā)，準(zhǔn)備推出純電動SUV等多款車型與特斯拉一較高下。

巨頭鏖戰(zhàn)新能源汽車

傳統(tǒng)汽車巨頭奧迪日前宣布，正在考慮擴(kuò)大其電動車的產(chǎn)品線，未來將有Q8電動版以及R8 e-tron的量產(chǎn)版推出。此外奧迪還將推出一款純電動的Q8 SUV車型和特斯拉即將推出的Model X競爭。在奧迪厲兵秣馬加緊布局新能源汽車的同時，寶馬、保時捷、日產(chǎn)等一線車企也紛紛加快了新能源汽車的推出步伐。

專利放開或加速市場爆棚

6月中旬，特斯拉CEO馬斯克表示，為了電動汽車技術(shù)的發(fā)展，特斯拉將開放其所有的專利。任何人出于善意想要使用特斯拉的技術(shù)，特斯拉不會對其發(fā)起專利侵權(quán)訴訟。馬斯克表示，特斯拉的真正對手并不是電動汽車同行，而是傳統(tǒng)的燃油汽車，希望借此舉來推動整個電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

特斯拉將公司全部專利對外公開供新能源汽車產(chǎn)業(yè)所使用，一方面說明了新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為汽車工業(yè)中占比非常小的新興產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)前的發(fā)展階段合作大于競爭，如何將新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大是各個參與者目前思考的重要問題；另外一方面是特斯拉對汽車產(chǎn)業(yè)未來發(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“開源模式”在傳統(tǒng)汽車制造業(yè)中的可行性。特斯拉專利技術(shù)的公開，能夠避免后來者在一些共性領(lǐng)域研發(fā)或測試的資源浪費，從而加速技術(shù)和商業(yè)模式的創(chuàng)新；加上不少汽車巨頭已經(jīng)開始意識到新能源汽車市場的迅速興起而紛紛斥資研發(fā)與生產(chǎn)，新能源汽車市場的蓬勃拓展進(jìn)程有望大大加快。

產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)有望獲益

新能源汽車迎來巨頭鏖戰(zhàn)時代，對整個產(chǎn)業(yè)來講肯定是利好，而對于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈上市公司來講，也有望因為特定品牌訂單的增多和其他品牌客戶的推廣而獲益。但目前國內(nèi)尚沒有供應(yīng)奧迪、保時捷等其他一線車企品牌的上市公司。“整體來看，中國在新能源汽車市場供應(yīng)鏈中依然處于技術(shù)劣勢。”但國聯(lián)證券分析師則認(rèn)為，一方面，特斯拉的超級充電技術(shù)、電池管理系統(tǒng)、汽車電子技術(shù)或能為國內(nèi)企業(yè)提供借鑒，另一方面，長期來看，國內(nèi)企業(yè)也將從特斯拉推動的電動汽車普及中獲益。

(信息來源：中國證券報)

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，高級工程師，研究方向為整車性能、整車和零部件可靠性。E-mail:13851705383@139.com。