應用中國典型道路的道路耐久性試驗研究

龍巖，蔣凌山，熊海林，劉雪強，陳志勇，余智明

(1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林長春，130022；2.一汽?大眾汽車有限公司技術開發部，吉林長春，130011)

隨著汽車工業迅速發展，中國已成為汽車生產大國，并進入自主研發階段。作為車輛主要載荷的道路載荷在整車設計和試驗過程中起著重要作用。只有基于道路載荷數據，整車設計才有目標，模擬仿真和實驗室加速試驗才有意義，整車道路耐久性試驗結果才能更精準。國外整車廠商非常重視典型道路載荷數據，并已經有幾十年的載荷數據積累，開發出很多符合用戶實際使用情況的耐久性試驗，并依據載荷數據設計零部件和總成，開發各種臺架試驗并制定試驗標準。我國對典型道路載荷的研究和應用主要集中在開發階段的模擬仿真和實驗室加速試驗方面[1?2]，并已向疲勞性能設計方向發展[3]。作為整車開發過程中不可替代的道路耐久性試驗，常規做法是通過分析用戶使用典型道路載荷情況，與試驗場道路載荷建立關聯進行加速耐久性試驗，如某試驗場試驗車輛行駛10萬km損傷與用戶行駛約30萬km損傷等效，其試驗規范通常借鑒國外成熟試驗結果。此外，國內試驗場容量有限，導致等待時間長且費用昂貴。本文作者提出應用中國典型道路直接進行加速耐久性試驗的方法，通過對選取的中國典型道路進行道路載荷測量，計算道路載荷偽損傷，分析并建立多目標優化計算模型，計算滿足整車載荷損傷和試驗里程要求的典型道路最優組合，考慮道路載荷類型及其構成比例設計典型道路試驗路線，按照中國交通法規制定試驗運行規范，并通過實車對比試驗驗證方法的正確性。

1 道路載荷測量

1.1 測量道路選擇

道路狀態直接影響道路載荷，而道路狀態受多種因素影響，如氣溫、降水、排水設施、車流量、車輛類型、路面鋪裝類型、保養情況和使用年限等[4]，很多因素無法量化甚至每年都在變化，而且中國道路類型和數量眾多，在典型道路選擇時先考慮特征明顯且易操作的因素進行前期定性評價。本文選擇路面狀況、道路類型和道路使用年限這3 項與道路載荷相關的參數進行前期篩選，以挑選道路載荷較大的典型道路。人體作為自然界復雜的感知系統能夠實時地感知“人—車—路—環境”系統中細小而復雜的變化[5?6]，以具有豐富駕駛經驗的駕駛員的主觀感受作為道路載荷狀態的預選評價指標具有一定合理性[7]。挑選10名道路耐久性試驗經驗超過10 a的駕駛員，按照試驗場內試驗要求將整車按80%載荷配載，依據駕駛主觀感受對道路的載荷狀態打分進行定性評價。將評價數值范圍設為0～100%，以所選第9 號瀝青鋪裝的城郊道路為例，評價結果如表1所示。表1中，數值越高代表駕駛員感受到的載荷越大。經定性評價可知該道路總體感受較舒適，縱向和側向載荷不大，當整車垂向載荷不足時，可選該道路為補充道路或測試連接道路。

表1 第9號路行駛載荷調查結果Table 1 Investigation results of No.9 road loads

經實地綜合考察和定性評價，在某省境內，選取以某市為起點到該省境內的37 條典型道路作為試驗道路，主要為使用5 a以上的公開道路。另外，為補充整車在實際使用中可能遇到的極限工況載荷，選擇的試驗道路亦包含整車試驗場動態廣場操穩和制動等工況道路，共計42條測量道路。

1.2 實測載荷疲勞偽損傷計算

在底盤零部件應力集中點處粘貼應變片，實測零部件局部載荷，通常道路載荷低于材料屈服極限，疲勞壽命均在百萬次以上，可按高周疲勞處理。應用應力?應變法進行局部載荷疲勞損傷分析[8]，由于被測零部件均為金屬件并且僅進行載荷損傷對比分析，不需要損傷的絕對真實值，因此，可忽略各零部件具體材料特性，計算偽損傷即可。將零部件載荷數據進行雨流計數統計[9?11]，零部件的應變?壽命關系如下：

式中：εa為應變幅值；σf為f級載荷下疲勞強度系數；E為材料彈性模量；為f級載荷下疲勞延伸系數；b為疲勞強度指數；c為疲勞延性系數；Nf為f級疲勞載荷下的疲勞壽命。

零部件載荷循環應力?應變關系如下：

式中：σa為應力幅值，K′為強度系數；n′為應變硬化指數。

根據Miner疲勞損傷累積法則，即可計算測試循環過程中零部件局部載荷偽損傷D：

式中：Nf為第f級載荷(σf)的損傷循環數；nf為第f級載荷(σf)的實際加載循環數；當D≥1時，認為失效發生。

1.3 道路載荷預測量

使用裝備少量傳感器的車輛對42 條道路載荷進行快速預測量，快速確定道路載荷類型，找出載荷比較大的道路，共28個測量位置，應用上述方法計算不同道路不同位置載荷偽損傷[12?13]，如圖1所示。圖1 中，顏色深淺表征載荷偽損傷程度大小。

由圖1 可知42 條道路對應的測量位置載荷偽損傷情況，根據各條道路對車輛載荷的貢獻情況可確定道路載荷類型并選擇載荷偽損傷較大的道路。例如，第16 號路右前彈簧上止點處、右后彈簧上止點處和右后控制臂處的載荷偽損傷較大，其余通道載荷偽損傷也較大，確定該條道路載荷以垂直方向載荷為主，因此，選擇第16 號路進行精確載荷測量。

圖1 不同道路不同位置的載荷偽損傷對比Fig.1 Load damage comparisons of different positions of different roads

經過對比分析[14]，從42 條道路中選出各類型載荷較大道路組合成精確測量路線[15]。考慮道路銜接性，共確定19 條道路組合為精確測量路線，如圖2所示。整條路線約1 622 km，路面狀況包含水泥路、砂石路、瀝青路、灰土路等，道路類型包括高速公路、城鄉結合路、鄉村壞路、盤山道路和山間土路等，道路使用時間年限均在5 a以上。

圖2 精確道路載荷測量路線Fig.2 Road load measurement route with high accuracy

1.4 道路載荷精確測量

圖3 道路載荷測量車及測量位置Fig.3 Road load measurement vehicle and measurement positions

使用改裝的道路載荷測量車精確測量道路載荷，如圖3所示。按照試驗場試驗規范進行80%配載，并根據測量需要裝備車輪六分力測量輪以及應變片、加速度計等傳感器，得到包括車載網絡(CAN)信號等共83個通道的測量數據，如表2所示。按照國家交通法規要求進行測試，精確測量19條道路的載荷數據。

2 道路多目標優化

基于道路載荷精確測量數據，按照上述理論進行數據分析處理，在合理的范圍內以整車載荷偽損傷比(DT)最大化和試驗行駛總里程(S)最小化為優化目標，各測量通道與試驗場的偽損傷比的范圍為約束條件[16?17]，以每條道路循環次數為設計變量，建立道路載荷損傷多目標優化計算模型進行優化計算。

表2 測量車測量通道Table 2 Measurement channels of load measurement auto

2.1 設計變量

每條道路的試驗循環次數直接影響整車載荷偽損傷和行駛總里程，故設計變量為

式中：Xj為第j條道路的循環次數，本次優化選取19條道路的循環次數為設計變量，即j=1，2，…，19，具體優化設計變量如表3所示，其中循環上限為試驗場總里程除以每條路單程里程。

表3 優化設計變量Table 3 Optimization design variables

2.2 目標函數

道路優化過程包括2個優化目標即整車載荷偽損傷比(DT)和試驗行駛總里程(S)。

1)整車載荷偽損傷目標。根據損傷累積理論，應使整車載荷偽損傷盡量大并接近試驗場偽損傷(Daim)，即每個通道偽損傷與試驗場偽損傷之比(偽損傷比)盡量大。

式中：Di為第i個測量通道各道路載荷偽損傷，本文83個測量通道中有54個通道數據可用于計算實際道路載荷，因此i=54。Daimi為第i個測量通道試驗場偽損傷。如每個測量通道均取得最大載荷偽損傷，可能會導致優化計算不收斂。因此采用下式作為優化計算目標：

2)試驗行駛總里程目標。綜合考慮汽車行駛道路銜接以及各道路循環的里程總和，同時在優化過程中應優先保證試驗總里程目標，總里程過多則達不到加速試驗的目的，總里程過少則載荷過于集中且強度太大，不符合用戶實際使用情況。試驗行駛總里程優化目標為

式中：aj為第j條道路的單程里程。

2.3 約束條件

由于Miner法則并沒有考慮加載順序以及載荷損傷測試的隨機性和計算的誤差影響，為使各測量通道載荷偽損傷盡量與試驗場偽損傷趨于一致，通道偽損傷比約束條件可設定如下：

由于試驗場道路加速耐久性試驗總里程限制，將試驗目標總里程設為80 000～100 000 km，以便得到足夠數量的最優解：

2.4 優化計算模型

道路優化計算模型數學表達式為

式中：dij為第j條道路的第i個測量通道的單循環載荷偽損傷。

3 道路優化結果

道路優化計算公式定義如下：

式中：和分別為各測量通道偽損傷與試驗場偽損傷之比的下限和上限，取；XL和XU分別為各設計變量的下限和上限。

選用NSGA-Ⅱ遺傳算法搜索得到最優解，圖4所示為NSGA-Ⅱ遺傳算法種群進化400 代后的Pareto最優解集。由最優解集可知：總損傷比和總里程2個目標函數是相互矛盾的，雖然在最理想的總偽損傷比(DT=54)附近存在最優解，經過分析，該最優解的總里程較少，試驗強化系數較大，而且包含的載荷類型較單一并且道路類型構成比例不合理，與用戶實際使用情況不相符；而在總偽損傷比DT=46附近最優解較多，有多種道路類型和載荷類型的最優組合，通過綜合考慮選取1組最優解(見圖4)。該組最優解總里程接近105km，道路類型包含高速公路、城鄉結合路、鄉村壞路、盤山公路和山間土路等道路類型，路面狀況包含水泥路、砂石路、瀝青路、灰土路和試驗場強化路，且各類型道路在總里程中所占比例較高，載荷類型也較全面，只是總損傷略低于試驗場值。將優化的道路循環次數歸整，設計道路連接順序并適當安排連接道路[18]，優化試驗運行路線如圖5所示，最終優化結果如表4所示。

圖4 NSGA-Ⅱ遺傳算法的優化結果Fig.4 Optimization results of NSGA-Ⅱalgorithm

圖5 優化試驗運行線路Fig.5 Road durability test route after optimization

表4 道路優化計算結果Table 4 Optimization results of roads

4 路線數據驗證

按照優化結果制定耐久性試驗運行規范，避免載荷較大道路過于集中，將各道路載荷連接得到試驗總里程和各通道總載荷數據[19]。54個測量通道的載荷偽損傷與試驗場載荷偽損傷對比如圖6所示。由圖6可知：各通道載荷偽損傷比大都小于試驗場偽損傷比，偽損傷比為[0.4,1.5]，滿足損傷約束條件，但有6個通道結果靠近約束下限，如右后縱臂處偽損傷比僅為0.41，這與選擇總偽損傷比為46的最優解有關，同時與將優化數據結果進行歸整和設計道路順序以及安排連接路時減少或增加部分道路循環次數有關，說明還有繼續優化的空間。

下面以4個車輪六分力測量輪上Z向載荷為例分析試驗載荷與試驗場載荷的對比結果，分別如圖7和圖8所示。由圖7可知：試驗后4個車輪Z方向載荷偽損傷比雖然比試驗場偽損傷比略低，但仍然滿足偽損傷比要求(0.3～3.0)。由圖8 可知：4個車輪Z方向載荷成分與試驗場載荷成分也基本一致，僅僅某些大載荷出現的次數有差別，在典型道路試驗過程中屬于正常現象，如根據路況緊急制動和避讓等不可預知工況，這也與變速箱懸置處偽損傷比基本一致，差別次數在可接受數值范圍內，滿足道路加速耐久性試驗要求。左右側車輪載荷有差別也是左右側車輪的行駛路面狀況差異所致，其余測量通道對比結果亦類似。由此可見：設計試驗路線的總里程和總載荷基本滿足試驗目標要求，試驗運行規范合理，可開展道路加速耐久性試驗[20]。

圖6 優化后載荷偽損傷與試驗場偽損傷對比Fig.6 Comparisons of load damages after optimization and from proving ground

圖7 優化后車輪Z向載荷偽損傷與試驗場偽損傷對比Fig.7 Comparisons of load damages in wheel Z direction after optimization and from proving ground

圖8 優化后車輪Z向階次穿越與試驗場階次穿越對比Fig.8 Comparisons of level crossing after optimization and from proving ground in wheel Z direction

5 實車對比驗證

為了進一步驗證設計的典型道路加速耐久性試驗的有效性，精選2臺配置相同的同批次同款式量產車，選用2名經驗豐富的道路耐久性試驗駕駛員分別在整車試驗場(1 號車)和設計的典型道路路線(2 號車)上進行道路耐久性對比試驗[21]，每天試驗結束后均對車輛進行目視檢查。在1 號車完成101 129 km的試驗場加速耐久性試驗和2號車完成102 231 km的典型道路加速耐久性試驗后，目視檢查發現明顯疲勞損壞，結束試驗并分別對2臺試驗車在白車身、底盤、動力總成、電器等幾個方面進行拆檢對比。由于道路耐久性試驗通常依據零部件是否出現疲勞破壞進行定性評價，基本不作零部件疲勞耐久性的定量評價(不測量殘余壽命)，因此本次拆檢只對零部件進行定性評價。以底盤拆檢結果為例，依據磁粉探傷結果，底盤金屬零件沒有發現明顯疲勞破壞問題。非金屬件分別以右后縱臂和變速箱懸置為例，具體疲勞破壞情況分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可見：2臺車右后縱臂和變速箱懸置的疲勞破壞位置和破壞形式基本相同，其他測量位置亦有類似結果，且發現明顯疲勞破壞問題時2臺試驗車加速耐久試驗里程均超過105km。

圖9 2臺車右后縱臂鉸鏈撕裂的位置和形式Fig.9 Tearing positions and bushing forms of 2 vehicles

圖10 2臺車變速箱懸置開裂部位Fig.10 Tearing positions of gear-box mount of 2 vehicles

拆檢對比結果說明典型道路加速耐久性試驗可以達到與試驗場加速耐久性試驗等效的試驗結果。另外，進行典型道路加速耐久性試驗的道路需要定期進行道路載荷監控，以保證典型道路載荷損傷與試驗場載荷偽損傷的一致性，當載荷偽損傷變化時，可隨時進行試驗運行方案調整，增加或減少現有試驗里程以及補充新的道路。目前已經持續對典型道路載荷監控4 a，典型道路載荷損傷和試驗運行效果基本保持穩定。

6 結論

1)綜合采用道路狀態評估、駕駛員主觀判斷和道路載荷測量客觀評價的方法可以對中國典型道路進行較全面的篩選。

2)在合理范圍內以整車載荷偽損傷最大和試驗里程最小為優化目標，以各道路循環次數為設計變量，用NSGA-Ⅱ遺傳算法對試驗道路進行道路組合與循環優化計算，可以得到Pareto 最優解集，選取的最優解可以兼顧試驗道路載荷組成多樣化且比例合理，但整體載荷偽損傷稍偏低。

3)在滿足載荷偽損傷和行駛里程要求的同時，應用本文設計的中國典型道路可以進行整車加速耐久性試驗，試驗結果與試驗場加速耐久性試驗結果等效。