商用車道路載荷譜的采集系統研究及應用

楊林，侯圣文，張發勇

（陜西法士特集團公司汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

引言

隨著電商、物流等行業的高速發展，對國內牽引車在輕量化、燃油經濟性、可靠性等方面提出了更高的要求。其中變速器作為汽車動力總成中的關鍵零部件，其換擋同步時間、疲勞壽命直接影響整車傳動系統的舒適性、可靠性。研究和提升變速器的可靠性是保障整車質量的一個核心環節。由于中國幅員遼闊，高原、丘陵、平原等路況錯綜復雜，國內重卡行業還沒有普通使用基于真實行駛工況分析評價變速器可靠性。目前國內基于道路載荷譜研究乘用車的燃油經濟性已經取得了很大進展，但是在重卡變速器的可靠性等方面的研究及應用尚在起步階段。 本文旨在研究重卡變速器的道路載荷譜的采集及應用。

1 道路載荷譜的采集系統

道路載荷譜的采集系統由多功能GPS數據采集系統、遠程管理服務平臺、數據處理分析軟件等部分組成。多功能GPS數據采集系統通過CAN總線實時獲取ECU的內部數據，結合 GPS傳感器獲取定位信息和行駛車速，并將數據通過GPRS/3G無線網絡發送到遠程管理服務平臺。用戶可通過手機、筆記本登錄服務平臺監控試驗車輛。

1.1 多功能GPS數據采集系統

多功能GPS數據采集系統與無線行駛記錄儀類似，安裝在終端車輛，長時間記錄、檢測、存儲行駛過程中發動機ECU總線數據、車速、行駛軌跡等參數。因此數據采集系統必須滿足以下條件：內置實時處理器，達到1HZ采樣率；內置高精度GPS傳感器，可與北斗兼容，2.5米定位精度；具有SD卡存儲功能，支持斷電保護；具有 CAN總線接口，支持SAEJ1939、CCP、ISO15765等協議，可連接INDAM模塊和車輛ECU；具有抗沖擊、抗振動等惡劣環境能力，滿足礦區、顛簸等路況要求，可在-40℃-85℃溫度范圍內工作等等。

1.2 遠程管理服務平臺

遠程管理服務平臺主要用于監控和管理試驗車輛，配合無線傳輸的數據采集系統，可以實現試驗車輛定位、行駛狀態監控、歷史軌跡回放、歷史數據下載、ECU數據監控、遠程故障診斷、數據統計與分析、條件設定與報警等功能。因此服務平臺必須滿足以下條件：自定義路況，可實現里程、車速統計，車輛軌跡對比，路況統計等統計功能；以航拍和街道的地圖方式顯示車輛定位，可以精確定位到車道；用戶可以查詢車輛任意時間段的數據，并以 excel等格式下載；具有上萬臺車輛的數據管理容量。

圖1 車輛實時狀態監控

遠程管理服務平臺還支持手機APP軟件，近距離可基于藍牙用于數據顯示、配置和數據采集，遠距離可基于移動網絡用于車輛狀態、故障和總線數據管理。

圖2 遠程管理服務平臺的APP

1.3 數據處理分析軟件

數據處理分析軟件除了能夠實現實現遠程服務平臺的里程、車速等簡單的統計功能，主要作用是工況分析、檔位計算與統計、駕駛習慣分析、油耗分析、異常數據處理等分析功能。

工況分析：可對扭矩、轉速、瞬時油耗等參數進行時間歷程分析并用XY曲線表示；根據用戶定義，曲線表示發動機萬有特性曲線；生成轉速-扭矩負載工況圖等；輸出word、PDF等格式的工況分析報告。

檔位計算與統計：根據用戶設定的加、減、乘、除、冪、對數等復雜算法計算檔位；統計檔位的使用時間、行駛里程的百分比并用柱狀圖表示；生成檔位—時間百分比、檔位—里程百分比等。

駕駛習慣分析：統計檔位之間的轉換頻率并使用次數柱狀圖表示；統計檔位、車速、扭矩等關系，并用檔位—轉速、檔位—扭的分布等。

油耗分析：利用積分累積各個檔位、轉速區間下的油耗，生成油耗—轉速分布圖、油耗—檔位分布圖等。

異常數據處理：由于實際測試中，信號干擾不可避免，采集的數據曲線可能會出現尖峰、中斷或高頻干涉。譬如穿過較長隧道時GPS沒有信號，經緯度的定位信息就會丟失。因此數據采集分析軟件必須具有曲線濾波、平滑處理等工具，采用低通濾波、強制零相位、平滑連接的那個技術，保證數據曲線的真實性。

圖3 工況分析報告

2 道路載荷譜的應用

如圖4所示，本公司在某物流車隊安裝了多功能數據采集系統，歷時15天，采集了河北邯鄲—云南瑞麗的道路載荷譜, 測試里程 7939Km。整車動力總成為：濰柴發動機WP13.480E401、法士特變速器C12JSDQXL240T、漢德車橋（速比3.083）。

圖4 邯鄲—瑞麗的軌跡

圖5 各檔換擋次數的百分比

經道路載荷普的專用分析軟件分析可得：如圖5各檔換擋次數百分比可知， 9、10、11檔的換擋次數較多，這與西南地區的高速公路上下坡多有直接關系；如表1中各個檔位的時間使用百分比可知，該整車配置在邯鄲—瑞麗的高速公路上高檔區使用時間百分比大于 92%,最常用檔位為直接檔12檔，另外此表格還反應了高檔區扭矩＞2000Nm的時間占比約8%—38%，＞2200Nm的時間占比約4%—20%；如圖6中10檔的扭矩—轉速分布圖可知，10檔的使用時間中約27%的扭矩＞2000Nm、約 12%的扭矩＞2200、90%以上轉速位于1000-1500rpm的經濟轉速區間。

表1 檔位使用時間百分比及大扭矩時間占比

圖6 10檔的扭矩—轉速分布圖

根據Miner疲勞損傷準則、齒輪強度計算及材料S-N曲線，將變載荷、變轉速的道路載荷譜向變速器的最大輸入扭矩、疲勞試驗臺的最大輸入轉速進行加速獲得臺架載荷譜，并在疲勞試驗臺上進行恒定載荷、恒定轉速下的加載疲勞試驗。如圖7所示120萬公里后S變速器的拆檢：主、副箱所有檔位齒輪齒面磨損均勻，沒有點蝕或斷齒；軸承轉動平順，無卡滯現象。加載試驗證明：在邯鄲—成都的高速公路上，法士特S變速器至少可行駛120萬公里，齒輪、軸承等零件部不會發生故障。

圖7 120萬公里S變速器拆檢

3 結論

本文詳細闡述了道路載荷譜的采集系統及技術指標。首選基于實際采集的河北邯鄲—四川成都的道路載荷譜，分析了該高速公路的上司機的駕駛習慣：常用檔位、各檔使用時間百分比、換擋次數百分比、扭矩—轉速的分布圖。然后根據疲勞損傷理論加速道路載荷譜，并疲勞試驗臺架上考察了法士特S變速器的可靠性，為商用車變速器的正向開發與可靠性提升提供一種新方法。