基于襄陽汽車試驗場幾種典型乘用車耐久性工況分析

陳孟春 王朝斌 唐國武 姚杰 陳威達

陳孟春

畢業(yè)于武漢汽車工業(yè)大學(xué)，研究生學(xué)歷，現(xiàn)任裹陽達安汽車檢測中心有限公司專業(yè)副總師，主要研究方向：燃料電池汽車試驗研究，已發(fā)表文章9篇。

摘要：本文使用六分力傳感器對襄樊汽車試驗場幾種典型的耐久性規(guī)范進行測量，應(yīng)用TECWARE軟件對信號進行消零漂、奇異值的剔除、數(shù)字化濾波、雨流計數(shù)、行雨流計數(shù)后進行疊加，雨流矩陣的外推等操作，得到了每種耐久性工況全壽命里程累積名義損傷結(jié)果。通過對累積名義損傷結(jié)果的分析，對某自主品牌規(guī)范提出了修改建議，同時對各種規(guī)范的考核特點進行了描敘。

關(guān)鍵詞：耐久性規(guī)范;六分力傳感器;載荷譜;雨流計數(shù);名義損傷

中圖分類號：U467.1+1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2021） 06-0002-05 Based on The Analysis of Durability Conditions of Several Typical

Passenger Vehicles In Xiangyang Automobile Test Site

CHEN Meng-chun， WANG Chao-bin， TANG Guo-wu， YAO Jie， CHEN Wei-da（ Xiangyang Daan Automobile Test Center Corporation Limited， Xiangyang 441004， China）

Abstract： In this paper， using Six Component Force&Moment Wheel Sensor on Xiangfanauto testing field of several typical durability standards for measurement， applied TECWAREsoftware to signal zero drift， spike filter， digital filtering， rain flow counting， rain flow superposition，rain flow matrix extrapolation operation， was obtained for each durability condition total lifemileage accumulative pseudo damage results. Based on the cumulative pseudo damage resultanalysis，a brand standards proposed amendments， at the same time on various standardizedevaluation characteristics were described.

Key Words： Durability Specification; Six Component Force&Moment Wheel Sensor;Load Spectrum; Rain Flow; Pseudo Damage

1 背景

汽車耐久性工況的制訂時，首先需要調(diào)查用戶使用情況，建立用戶用途目標(biāo)，即以市場為導(dǎo)向，其產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)既充分滿足用戶的使用要求[1][2]。但是如果我們開發(fā)的產(chǎn)品遠遠超出用戶的使用的要求，那就說明我們開發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計“過頭”了。設(shè)計“過頭”的產(chǎn)品通常是既不經(jīng)濟又缺乏市場競爭力的產(chǎn)品[3][4]。因此，如何設(shè)計滿足用戶使用要求、又有合理的使用裕度的產(chǎn)品是國內(nèi)汽車行業(yè)面對的一個重要課題。

調(diào)查用戶的使用情況是建立合理的用戶用途目標(biāo)的有效途徑。這種調(diào)查可以使用銷售、維修、市場調(diào)查等部門所獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5][6]。對于剛剛進入自主品牌轎車的企業(yè)來說，這些數(shù)據(jù)非常匱乏。為了確定車輛各種工況的行駛里程及車輛操縱習(xí)慣，包括：城市工況、高速公路、國道等道路的分配比例，車輛停車、倒車次數(shù)，車輛制動使用情況，車輛駛過路障、馬路崖的狀況等很多特殊工況，典型路況載荷譜數(shù)據(jù)采集，這種用戶調(diào)查工作量非常龐大。另外，中國是一個地大物博，地形復(fù)雜的國家，如果考慮汽車在不同地區(qū)的使用情況，則需要不同地區(qū)的采樣工作，甚至制定一些特殊地區(qū)的試驗工況，以滿足特殊地區(qū)的需要。總之，制定用戶用途目標(biāo)是一件非常復(fù)雜的工作，國內(nèi)企業(yè)有關(guān)這方面的工作還處于起步階段。

從目前襄樊汽車試驗場各個公司的耐久性規(guī)范的制訂情況來看，所有的耐久性規(guī)范的制訂都是依托合資公司外方規(guī)范，根據(jù)襄樊汽車試驗場的實際路況進行制訂。為此本文將針對幾個主要的耐久性工況數(shù)據(jù)進行分析，比較不同公司耐久性工況的特點。

2 測試系統(tǒng)的構(gòu)建及規(guī)范描敘

采用DEWETRON 101作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用kistler公司S635型輪胎六分力傳感器作為輪胎x、y、z三個方向力和轉(zhuǎn)矩測量裝置（見圖1），車輪轉(zhuǎn)速采用六分力傳感器輪速信號。采用KMT8000發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量裝置測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速。其中輪胎力信號與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通訊采用CAN通訊傳輸，顯著減少了數(shù)據(jù)線使用數(shù)量，降低了數(shù)據(jù)采集時故障出現(xiàn)概率。

本次使用的數(shù)據(jù)處理軟件是LMS的TECWARE。LMS的TECWARE處理軟件是一款專門用于疲勞分析的軟件，其涵蓋了基本的疲勞分析理論和方法，如原始數(shù)據(jù)的交互編輯、雨流計數(shù)和對疲勞敏感的時間歷程縮聚、平均載荷的修正、雨流矩陣的外推、矩陣的疊加、雨流矩陣的比較等。還包括雨流矩陣的濾波，多軸濾波等功能。

本次采樣選取了襄樊汽車試驗場幾個典型的乘用車耐久性規(guī)范進行采樣（見表1）。

在進行每一種耐久性工況采樣時，為了消除駕駛員的操作習(xí)慣和道路狀況等偶然因素的影響，由6名駕駛員各采集一個循環(huán)。

3 載荷譜數(shù)據(jù)處理及分析

由于可靠性道路相關(guān)分析都是建立在疲勞累積損傷基礎(chǔ)上，是以各通道信號時間歷程的累積損傷為判據(jù)進行選擇。故應(yīng)先對各通道進行損傷分析。在工程實踐中，從能量分析的角度出發(fā)，對各種信號，不論是加速度、位移、力、轉(zhuǎn)矩還是應(yīng)變都可認(rèn)為是“名義應(yīng)力”，知道了“名義應(yīng)力”輸入，通過預(yù)先設(shè)定的S-N曲線，即可求得名義損傷或稱偽損傷。利用LMS軟件TECWARE模塊可進行各通道的名義疲勞損傷計算。

目前，對載荷一時間歷程的計數(shù)方法有穿級計數(shù)法、峰值計數(shù)法、變程計數(shù)法、均值計數(shù)法、全波法及雨流計數(shù)法。本課題中采用的是以雙參數(shù)法為基礎(chǔ)的“雨流一回線法”，在對測量信號進行處理時，首先對測量信號經(jīng)過雨流計數(shù)，計數(shù)的原則是：將所有測量信號在適當(dāng)范圍內(nèi)分成間隔相等的100級進行雨流統(tǒng)計。統(tǒng)計應(yīng)變和力的往復(fù)變化次數(shù)，它代表材料的疲勞損傷。雨流矩陣揭示了特定幅值和均值的事件出現(xiàn)的頻次。對于不同工況載荷雨流計數(shù)，對于雨流計數(shù)參數(shù)的選擇并不是很重要，關(guān)鍵是參數(shù)設(shè)置必須相同。尤其是進行雨流計數(shù)時，同一通道應(yīng)保持相同的載荷變化范圍和相等的分隔數(shù)。通常情況下，我們在選取參數(shù)時均采用LMS的TECWARE軟件中所推薦的參數(shù)。

在對信號進行雨流計數(shù)前，需要對測量信號進行一定預(yù)處理，包括：消除信號漂移（ Drift/Offset correction）、奇異值的剔除（Spike Filter）、數(shù)字化濾波（ Fourier Filter）。

由于每一種耐久性工況采了6個樣本，將每種工況所有樣本進行雨流計數(shù)后進行疊加，然后使用TECWARE的外推功能，得到表1中所示各工況的耐久性總里程的雨流矩陣結(jié)果，圖2為規(guī)范C左前輪z向80000km載荷的雨流計數(shù)結(jié)果。

表2為四種耐久性工況全部試驗里程各通道累積名義損傷結(jié)果。

分析結(jié)果如下：

1）考慮到影響承載系統(tǒng)的主要載荷為Fz，由圖3可以看出，D（國內(nèi)某自主品牌）規(guī)范名義損傷量最大，對承載系統(tǒng)的考核最強，A規(guī)范對承載系統(tǒng)的考核最弱，綜合比較幾種耐久性規(guī)范的排序為（從強到弱順行）：D規(guī)范、B規(guī)范、C規(guī)范、A規(guī)范。從單個循環(huán)的采樣過程來看，B規(guī)范的z向沖擊載荷明顯偏大，但由于其總循環(huán)里程較少，所以其總累積損傷不是最強。

2）考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要載荷為前輪Mz，由圖4可以看出，B規(guī)范名義損傷量最大，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的考核最強，C規(guī)范對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的考核最弱，綜合比較幾種耐久性規(guī)范的排序為（從強到弱順行）：B規(guī)范、A規(guī)范、D規(guī)范、C規(guī)范。采樣過程中能明顯感覺到B規(guī)范轉(zhuǎn)向動作較大。

3）對于制動系統(tǒng)的考核，考慮到前輪的轉(zhuǎn)矩My中包含了制動和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩兩步兩部分的影響，僅以后輪的轉(zhuǎn)矩My3、My4作為比較依據(jù)，結(jié)果見圖5。C規(guī)范名義損傷量最大，對制動系統(tǒng)的考核最強，B規(guī)范對制動系統(tǒng)的考核最弱，綜合比較幾種耐久性規(guī)范的排序為（從強到弱順行）：C規(guī)范、A規(guī)范、D規(guī)范、B規(guī)范。從這幾家公司整個耐久性循環(huán)中對制動蹄片的更換情況來看，也應(yīng)證了上述分析結(jié)果。

4）對于傳動系統(tǒng)的考核，考慮到前輪的轉(zhuǎn)矩My中包含了制動和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩兩步兩部分的影響，需要對輪胎六分力傳感器前輪測量信號Myl、My2中剔除制動工況的影響，得到前輪左右半軸的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。利用差速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速分配規(guī)律計算得到主減速器從動錐齒輪傳動的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以該轉(zhuǎn)矩作為傳動系統(tǒng)的輸出載荷，進行累積損傷分析，采用雨流計數(shù)分析結(jié)果見圖6（有關(guān)傳動系齒輪的載荷分析此處沒有進行）?？紤]到本文的研究重點是對幾種耐久性工況下傳動系統(tǒng)的耐久性進行橫向?qū)Ρ确治?，故沒有考慮傳動系的傳動效率，若要對主減輸入軸、變速箱1軸、2軸等進行轉(zhuǎn)矩分析，則應(yīng)根據(jù)傳動比、傳動效率等因素進行計算。

從圖6的結(jié)果可以看出B規(guī)范名義損傷量最大，對傳動系統(tǒng)的考核最強，C規(guī)范對傳動系統(tǒng)的考核最弱，綜合比較幾種耐久性規(guī)范的排序為（從強到弱順行）：B規(guī)范、A規(guī)范、D規(guī)范、C規(guī)范。從這幾家公司整個耐久性循環(huán)中情況來看，B規(guī)范包含了非常多急加速、爬坡、高速行駛工況。

4試驗結(jié)論

1）相對比較而言，D規(guī)范對于承載件的考核明顯偏強、傳動系考核偏弱、轉(zhuǎn)向系考核偏弱、制動系考核較為適中的特點，可以在現(xiàn)有的耐久性工況的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低其耐久性行駛里程、增加急加速、繞8字工況，以達到對車輛綜合考核的目的。

2）綜合比較來看，B規(guī)范對車輛承載系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的考核較強，且這兩大系統(tǒng)涵蓋了車輛大部分零部件;綜合比較來看，A規(guī)范僅對制動系統(tǒng)考核稍強外，對車輛其他絕大多數(shù)零部件的考核都較弱。

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陳建武

東風(fēng)汽車集團股份有限公司技術(shù)中心質(zhì)量驗證中心

汽車實驗專業(yè)總師 研究員級高級工程師

論文應(yīng)用疲勞損傷分析方法，對多種乘用車場地耐久試驗規(guī)范的循環(huán)工況進行研究，得到常用試驗規(guī)范耐久考核的特點與相對量化比較結(jié)果，具有較高水平與實用價值，對國內(nèi)自主乘用車事業(yè)有重要意義。