關聯用戶汽車試驗場可靠性強化系數計算

陳沛，周馳

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

汽車產品的可靠性是用戶最為關心的問題之一[1-3]，而可靠性強化試驗則是加速汽車產品可靠性考核、縮短試驗時間的基本試驗方法，是驗證與考核車輛耐久性與可靠性的一種重要手段[4]。

李洪濤[5]等為了制定上汽安亭試驗場耐久性規范，以定遠試驗場為目標，采用等相對損傷關聯法建立試驗場間損傷等效模型，并從損傷、幅值域、頻域方面進行驗證。李唐[6]基于六分力載荷譜，利用雨流計數法將時域信號轉化成雨流矩陣，并采用等損傷原理進行損傷計算，獲取兩個試驗場道路之間的相關性，為汽車產品可靠性試驗提供依據。而這些研究都沒有合理地考慮用戶的使用情況，并且由于對汽車試驗場路面相對于目標用戶的強化情況沒有做過研究，因此對強化試驗結果也不能給出科學的產品可靠性指標。

本文以某輕型貨車為研究對象，采集某試驗場與典型用戶道路的路譜數據，構建試驗場—用戶損傷關聯模型，最后求出試驗場綜合加速系數。根據試驗場-用戶損傷關聯，發現試驗場制動考核不足難以有效復現用戶實際制動損傷，并根據這一特點提出了制動考核不足的方案。

1 試驗場與用戶載荷信息

1.1 試驗場信息

該試驗場為國內汽車耐久性快速評價試驗場，用于汽車前期開發時關鍵零部件快速評價。共采集該試驗場12 種道路載荷信號，道路名稱和單圈行駛里程如表1 所示。

表1 試驗場道路信息Tab.1 Road information of test site

1.2 用戶信息

典型用戶路譜按高速、省道、鄉村、山路、城市5 種路況，每種路況各采集200 km 用戶載荷，以此為基礎按照年使用周期中不同路況比例，外推至1 年服役周期內的載荷與損傷。1 年內，95百分位行駛里程為36 000 km，對應各路況比例如表2 所示。部分用戶采集詳細路線圖如圖1 所示。

表2 典型用戶路況比例Tab.2 Proportion of road conditions of typical users

圖1 部分用戶采集詳細路線圖Fig.1 Detailed roadmap of user acquisition

1.3 測點選擇

道路載荷譜的測量點選擇應該突出重點，并考慮綜合性與經濟性，測量點位置應對路面激勵較為敏感[7]。對于不同的路況，輪心力具有較好的還原性。以車輛激勵載荷源為出發點選擇測點，選擇六分力作為輸入載荷，以左前輪六分力為例的表征通道如表3 所示。

表3 左前輪六分力表征通道Tab.3 Six component force representation channels of left front wheel

2 試驗場-用戶關聯分析

2.1 偽損傷計算

載荷的劇烈程度反應了載荷潛在的損傷能力，因此評價載荷嚴重程度的方法應該基于S-N曲線和疲勞損傷累積準則。偽損傷是應用最為廣泛的評判載荷嚴重程度的方法，它是以S-N曲線、線性累積損傷準則和雨流計數法原理為基礎，通過Basquin給出的S-N曲線的表達式計算偽損傷[8：]

式中：S——應力幅值；N——試樣在幅值N作用下的疲勞壽命；α——常數；β——疲勞強度指數。

幅值為Si的一個載荷循環的偽損傷為1/Ni，應用線性累積損傷準則，將所有載荷循環的偽損傷疊加，獲得總偽損傷D[9]

根據選擇的六分力測點載荷信號，對六分力數據進行處理，計算出各個通道的偽損傷值。統一設定S-N曲線斜率為-5，截距設定為5 000，偽損傷計算Ncode 處理流程圖如圖2 所示。

圖2 偽損傷數據獲取Fig.2 Pseudo damage data acquisition

根據圖2 所示的偽損傷獲取流程圖，對試驗場和用戶進行偽損傷計算，計算結果如表2 所示。

表2 試驗場與用戶道路偽損傷數據Tab.2 Pseudo damage data of test site and user road

2.2 強化系數

試驗場整車耐久試驗是為了縮短試驗周期，道路強化系數直接反映了試驗場強化路面相對于用戶實際使用條件的強弱程度，通過強化試驗與實際用戶路面行駛結果相比較得出，即車輛在試驗場強化路面行駛時單位里程的偽損傷與用戶道路行駛時單位里程偽損傷之比，比值為K，K值的大小就是試驗場耐久強化系數，其表達式為

式中：L0——用戶行駛單位公里的損傷；L1——試驗場耐久試驗行駛單位公里的損傷。

根據式（3）對試驗場-用戶關聯強化系數計算，試驗場綜合強化系數為58.37，各六分力通道強化系數結果如圖3 所示。

圖3 六分力強化系數Fig.3 Six-component force strengthening coefficient

3 試驗場制動考核補足方案

針對圖3 試驗場—用戶關聯加速系數通道圖可以看出4 個My通道復現效果差，說明試驗場耐久路面對車輛的制動性能的考核差，無法有效復現用戶損傷水平。分別提取出試驗場完成行駛一周條件下與用戶路面行駛條件下的驅動軸左右輪的制動力矩與GPS 車速信號，如圖4 所示。根據Miner 線性累積損傷理論計算出其制動工況下的偽損傷，并根據試驗場—用戶關聯加速系數計算出其所需補足的損傷情況。

圖4 試驗場制動扭矩提取Fig.4 Braking torque extraction in test field

分別進行70，60，45 km/h 三種測試條件下的制動考核，圖5 所示。并計算出每種條件下的制動偽損傷強度，并以此為依據對試驗場路面制動考核進行補足。

圖5 制動試驗扭矩Fig.5 Braking test torque

考慮到駕駛員實際駕駛情況與試驗場各路面行駛速度，采取45 km/h—0 這一制動工況進行制動損傷補足，經過計算得出45 km/h 下單次制動損傷，通過用戶強化系數下每公里損傷減去試驗場行駛條件下每公里損傷得出需要補充的損傷數值，進而得出制動次數。

表4 制動試驗各參數含義Tab.4 Meaning of parameters of brake test

表5 制動優化方案Tab.5 Braking optimization scheme

由計算結果可得出試驗場內每10 km 增加一次45 km/h 制動工況為宜，考慮試驗場實際單圈長度，建議駕駛員每行駛兩圈在原有制動條件下多增加一次制動，能夠在耐久路面上對車輛制動效能進行有效的考核。

4 結論

本文結合用戶實際使用情況，通過試驗樣車采集試驗場路譜數據與用戶實際使用工況的路譜數據，以車輛在試驗場路面與用戶路面行駛時的偽損傷為基礎，構建試驗場—用戶損傷關聯模型，最后求出試驗場路面對典型用戶使用情況的綜合加速系數為58.37。并針對試驗場對制動考核不足這一特點提出了補足方案，計算結果表明，試驗場內行駛每10 km 增加一次45 km/h 制動能有效復現用戶實際使用情況。本文研究結果能為該車型后續改款提供有力的數據支撐。