基于襄阳汽车试验场几种典型乘用车耐久性工况分析

　　摘要：本文使用六分力传感器对襄樊汽车试验场几种典型的耐久性规范进行测量，应用TECWARE软件对信号进行消零漂、奇异值的剔除、数字化滤波、雨流计数、行雨流计数后进行叠加，雨流矩阵的外推等操作，得到了每种耐久性工况全寿命里程累积名义损伤结果。通过对累积名义损伤结果的分析，对某自主品牌规范提出了修改建议，同时对各种规范的考核特点进行了描叙。

　　关键词：耐久性规范;六分力传感器;载荷谱;雨流计数;名义损伤

　　背景

　　汽車耐久性工况的制订时，首先需要调查用户使用情况，建立用户用途目标，即以市场为导向，其产品应当既充分满足用户的使用要求[1][2]。但是如果我们开发的产品远远超出用户的使用的要求，那就说明我们开发的产品设计“过头”了。设计“过头”的产品通常是既不经济又缺乏市场竞争力的产品[3][4]。因此，如何设计满足用户使用要求、又有合理的使用裕度的产品是国内汽车行业面对的一个重要课题。

　　调查用户的使用情况是建立合理的用户用途目标的有效途径。这种调查可以使用销售、维修、市场调查等部门所获得的统计数据[5][6]。对于刚刚进入自主品牌轿车的企业来说，这些数据非常匮乏。为了确定车辆各种工况的行驶里程及车辆操纵习惯，包括：城市工况、高速公路、国道等道路的分配比例，车辆停车、倒车次数，车辆制动使用情况，车辆驶过路障、马路崖的状况等很多特殊工况，典型路况载荷谱数据采集，这种用户调查工作量非常庞大。另外，中国是一个地大物博，地形复杂的国家，如果考虑汽车在不同地区的使用情况，则需要不同地区的采样工作，甚至制定一些特殊地区的试验工况，以满足特殊地区的需要。总之，制定用户用途目标是一件非常复杂的工作，国内企业有关这方面的工作还处于起步阶段。

　　从目前襄樊汽车试验场各个公司的耐久性规范的制订情况来看，所有的耐久性规范的制订都是依托合资公司外方规范，根据襄樊汽车试验场的实际路况进行制订。为此本文将针对几个主要的耐久性工况数据进行分析，比较不同公司耐久性工况的特点。

　　2 测试系统的构建及规范描叙

　　采用DEWETRON 101作为数据采集系统，采用kistler公司S635型轮胎六分力传感器作为轮胎x、y、z三个方向力和转矩测量装置(见图1)，车轮转速采用六分力传感器轮速信号。采用KMT8000发动机转速测量装置测量发动机转速。其中轮胎力信号与数据采集系统的通讯采用CAN通讯传输，显著减少了数据线使用数量，降低了数据采集时故障出现概率。

　　本次使用的数据处理软件是LMS的TECWARE。LMS的TECWARE处理软件是一款专门用于疲劳分析的软件，其涵盖了基本的疲劳分析理论和方法，如原始数据的交互编辑、雨流计数和对疲劳敏感的时间历程缩聚、平均载荷的修正、雨流矩阵的外推、矩阵的叠加、雨流矩阵的比较等。还包括雨流矩阵的滤波，多轴滤波等功能。

　　本次采样选取了襄樊汽车试验场几个典型的乘用车耐久性规范进行采样(见表1)。

　　在进行每一种耐久性工况采样时，为了消除驾驶员的操作习惯和道路状况等偶然因素的影响，由6名驾驶员各采集一个循环。

　　3 载荷谱数据处理及分析

　　由于可靠性道路相关分析都是建立在疲劳累积损伤基础上，是以各通道信号时间历程的累积损伤为判据进行选择。故应先对各通道进行损伤分析。在工程实践中，从能量分析的角度出发，对各种信号，不论是加速度、位移、力、转矩还是应变都可认为是“名义应力”，知道了“名义应力”输入，通过预先设定的S-N曲线，即可求得名义损伤或称伪损伤。利用LMS软件TECWARE模块可进行各通道的名义疲劳损伤计算。

　　目前，对载荷一时间历程的计数方法有穿级计数法、峰值计数法、变程计数法、均值计数法、全波法及雨流计数法。本课题中采用的是以双参数法为基础的“雨流一回线法”，在对测量信号进行处理时，首先对测量信号经过雨流计数，计数的原则是：将所有测量信号在适当范围内分成间隔相等的100级进行雨流統计。统计应变和力的往复变化次数，它代表材料的疲劳损伤。雨流矩阵揭示了特定幅值和均值的事件出现的频次。对于不同工况载荷雨流计数，对于雨流计数参数的选择并不是很重要，关键是参数设置必须相同。尤其是进行雨流计数时，同一通道应保持相同的载荷变化范围和相等的分隔数。通常情况下，我们在选取参数时均采用LMS的TECWARE软件中所推荐的参数。

　　在对信号进行雨流计数前，需要对测量信号进行一定预处理，包括：消除信号漂移( Drift/Offset correction)、奇异值的剔除(Spike Filter)、数字化滤波( Fourier Filter)。

　　由于每一种耐久性工况采了6个样本，将每种工况所有样本进行雨流计数后进行叠加，然后使用TECWARE的外推功能，得到表1中所示各工况的耐久性总里程的雨流矩阵结果，图2为规范C左前轮z向80000km载荷的雨流计数结果。

　　表2为四种耐久性工况全部试验里程各通道累积名义损伤结果。

　　分析结果如下：

　　1)考虑到影响承载系统的主要载荷为Fz，由图3可以看出，D(国内某自主品牌)规范名义损伤量最大，对承载系统的考核最强，A规范对承载系统的考核最弱，综合比较几种耐久性规范的排序为(从强到弱顺行)：D规范、B规范、C规范、A规范。从单个循环的采样过程来看，B规范的z向冲击载荷明显偏大，但由于其总循环里程较少，所以其总累积损伤不是最强。

　　2)考虑到转向系统的主要载荷为前轮Mz，由图4可以看出，B规范名义损伤量最大，对转向系统的考核最强，C规范对转向系统的考核最弱，综合比较几种耐久性规范的排序为(从强到弱顺行)：B规范、A规范、D规范、C规范。采样过程中能明显感觉到B规范转向动作较大。

　　3)对于制动系统的考核，考虑到前轮的转矩My中包含了制动和驱动转矩两步两部分的影响，仅以后轮的转矩My3、My4作为比较依据，结果见图5。C规范名义损伤量最大，对制动系统的考核最强，B规范对制动系统的考核最弱，综合比较几种耐久性规范的排序为(从强到弱顺行)：C规范、A规范、D规范、B规范。从这几家公司整个耐久性循环中对制动蹄片的更换情况来看，也应证了上述分析结果。

　　4)对于传动系统的考核，考虑到前轮的转矩My中包含了制动和驱动转矩两步两部分的影响，需要对轮胎六分力传感器前轮测量信号Myl、My2中剔除制动工况的影响，得到前轮左右半轴的输出转矩和转速。利用差速器转矩、转速分配规律计算得到主减速器从动锥齿轮传动的转矩和转速，以该转矩作为传动系统的输出载荷，进行累积损伤分析，采用雨流计数分析结果见图6(有关传动系齿轮的载荷分析此处没有进行)。考虑到本文的研究重点是对几种耐久性工况下传动系统的耐久性进行横向对比分析，故没有考虑传动系的传动效率，若要对主减输入轴、变速箱1轴、2轴等进行转矩分析，则应根据传动比、传动效率等因素进行计算。

　　从图6的结果可以看出B规范名义损伤量最大，对传动系统的考核最强，C规范对传动系统的考核最弱，综合比较几种耐久性规范的排序为(从强到弱顺行)：B规范、A规范、D规范、C规范。从这几家公司整个耐久性循环中情况来看，B规范包含了非常多急加速、爬坡、高速行驶工况。

　　4试验结论

　　1)相对比较而言，D规范对于承载件的考核明显偏强、传动系考核偏弱、转向系考核偏弱、制动系考核较为适中的特点，可以在现有的耐久性工况的基础上适当降低其耐久性行驶里程、增加急加速、绕8字工况，以达到对车辆综合考核的目的。

　　2)综合比较来看，B规范对车辆承载系统、传动系统的考核较强，且这两大系统涵盖了车辆大部分零部件;综合比较来看，A规范仅对制动系统考核稍强外，对车辆其他绝大多数零部件的考核都较弱。

　　参考文献：

　　[1]顾凯峰.以用户体验为导向的产品设计调研方法新思考一一以某品牌汽车坐垫研发为例[D].华东理工大学，2013.

　　[2]陈龙.路谱采集与疲劳分析在当今汽车研发中的应用[J].轻型汽车技术，2012，000(010)：13-17.

　　[3]王秉刚.汽车可靠性工程方法[M].机械工业出版社，1991.

　　[4]高镇同，熊峻江.疲劳可靠性[M].北京航空航天大学出版社，2000.

　　[5]王万英，吴顺洪，唐北平，等.试验场道路与用户道路的当量关系研究[J].重庆理工大学学报，2010，24(012)：15-19.

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文章名称： 基于襄阳汽车试验场几种典型乘用车耐久性工况分析

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