摘要：本文使用六分力傳感器對(duì)襄樊汽車試驗(yàn)場(chǎng)幾種典型的耐久性規(guī)范進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用TECWARE軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行消零漂、奇異值的剔除、數(shù)字化濾波、雨流計(jì)數(shù)、行雨流計(jì)數(shù)后進(jìn)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(guò)對(duì)累積名義損傷結(jié)果的分析，對(duì)某自主品牌規(guī)范提出了修改建議，同時(shí)對(duì)各種規(guī)范的考核特點(diǎn)進(jìn)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(jì)數(shù);名義損傷

　　背景

　　汽車耐久性工況的制訂時(shí)，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(chǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出用戶的使用的要求，那就說(shuō)明我們開發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)“過(guò)頭”了。設(shè)計(jì)“過(guò)頭”的產(chǎn)品通常是既不經(jīng)濟(jì)又缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品[3][4]。因此，如何設(shè)計(jì)滿足用戶使用要求、又有合理的使用裕度的產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)面對(duì)的一個(gè)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(chǎng)調(diào)查等部門所獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5][6]。對(duì)于剛剛進(jìn)入自主品牌轎車的企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(guó)道等道路的分配比例，車輛停車、倒車次數(shù)，車輛制動(dòng)使用情況，車輛駛過(guò)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(guó)是一個(gè)地大物博，地形復(fù)雜的國(guó)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(yàn)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(guó)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(yàn)場(chǎng)各個(gè)公司的耐久性規(guī)范的制訂情況來(lái)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(yàn)場(chǎng)的實(shí)際路況進(jìn)行制訂。為此本文將針對(duì)幾個(gè)主要的耐久性工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較不同公司耐久性工況的特點(diǎn)。

　　2 測(cè)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(gè)方向力和轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置(見圖1)，車輪轉(zhuǎn)速采用六分力傳感器輪速信號(hào)。采用KMT8000發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輪胎力信號(hào)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(shí)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(jì)數(shù)和對(duì)疲勞敏感的時(shí)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(yàn)場(chǎng)幾個(gè)典型的乘用車耐久性規(guī)范進(jìn)行采樣(見表1)。

　　在進(jìn)行每一種耐久性工況采樣時(shí)，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(gè)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(hào)時(shí)間歷程的累積損傷為判據(jù)進(jìn)行選擇。故應(yīng)先對(duì)各通道進(jìn)行損傷分析。在工程實(shí)踐中，從能量分析的角度出發(fā)，對(duì)各種信號(hào)，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(guò)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(jìn)行各通道的名義疲勞損傷計(jì)算。

　　目前，對(duì)載荷一時(shí)間歷程的計(jì)數(shù)方法有穿級(jí)計(jì)數(shù)法、峰值計(jì)數(shù)法、變程計(jì)數(shù)法、均值計(jì)數(shù)法、全波法及雨流計(jì)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(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，首先對(duì)測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)雨流計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的原則是：將所有測(cè)量信號(hào)在適當(dāng)范圍內(nèi)分成間隔相等的100級(jí)進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)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(duì)于不同工況載荷雨流計(jì)數(shù)，對(duì)于雨流計(jì)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(jìn)行雨流計(jì)數(shù)時(shí)，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?cè)谶x取參數(shù)時(shí)均采用LMS的TECWARE軟件中所推薦的參數(shù)。

　　在對(duì)信號(hào)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)前，需要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行一定預(yù)處理，包括：消除信號(hào)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(gè)樣本，將每種工況所有樣本進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)后進(jìn)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(jì)數(shù)結(jié)果。

　　表2為四種耐久性工況全部試驗(yàn)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(guó)內(nèi)某自主品牌)規(guī)范名義損傷量最大，對(duì)承載系統(tǒng)的考核最強(qiáng)，A規(guī)范對(duì)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?yàn)?從強(qiáng)到弱順行)：D規(guī)范、B規(guī)范、C規(guī)范、A規(guī)范。從單個(gè)循環(huán)的采樣過(guò)程來(lái)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(qiáng)。

　　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(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的考核最強(qiáng)，C規(guī)范對(duì)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?yàn)?從強(qiáng)到弱順行)：B規(guī)范、A規(guī)范、D規(guī)范、C規(guī)范。采樣過(guò)程中能明顯感覺(jué)到B規(guī)范轉(zhuǎn)向動(dòng)作較大。

　　3)對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的考核，考慮到前輪的轉(zhuǎn)矩My中包含了制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)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(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的考核最強(qiáng)，B規(guī)范對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的考核最弱，綜合比較幾種耐久性規(guī)范的排序?yàn)?從強(qiáng)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(gè)耐久性循環(huán)中對(duì)制動(dòng)蹄片的更換情況來(lái)看，也應(yīng)證了上述分析結(jié)果。

　　4)對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)的考核，考慮到前輪的轉(zhuǎn)矩My中包含了制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩步兩部分的影響，需要對(duì)輪胎六分力傳感器前輪測(cè)量信號(hào)Myl、My2中剔除制動(dòng)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(jì)算得到主減速器從動(dòng)錐齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以該轉(zhuǎn)矩作為傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出載荷，進(jìn)行累積損傷分析，采用雨流計(jì)數(shù)分析結(jié)果見圖6(有關(guān)傳動(dòng)系齒輪的載荷分析此處沒(méi)有進(jìn)行)。考慮到本文的研究重點(diǎn)是對(duì)幾種耐久性工況下傳動(dòng)系統(tǒng)的耐久性進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觯蕸](méi)有考慮傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，若要對(duì)主減輸入軸、變速箱1軸、2軸等進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分析，則應(yīng)根據(jù)傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率等因素進(jìn)行計(jì)算。

　　從圖6的結(jié)果可以看出B規(guī)范名義損傷量最大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的考核最強(qiáng)，C規(guī)范對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的考核最弱，綜合比較幾種耐久性規(guī)范的排序?yàn)?從強(qiáng)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(gè)耐久性循環(huán)中情況來(lái)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(yàn)結(jié)論

　　1)相對(duì)比較而言，D規(guī)范對(duì)于承載件的考核明顯偏強(qiáng)、傳動(dòng)系考核偏弱、轉(zhuǎn)向系考核偏弱、制動(dòng)系考核較為適中的特點(diǎn)，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(dá)到對(duì)車輛綜合考核的目的。

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

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]顧凱峰.以用戶體驗(yàn)為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計(jì)調(diào)研方法新思考一一以某品牌汽車坐墊研發(fā)為例[D].華東理工大學(xué)，2013.

　　[2]陳龍.路譜采集與疲勞分析在當(dāng)今汽車研發(fā)中的應(yīng)用[J].輕型汽車技術(shù)，2012，000(010)：13-17.

　　[3]王秉剛.汽車可靠性工程方法[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

　　[4]高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞可靠性[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

　　[5]王萬(wàn)英，吳順洪，唐北平，等.試驗(yàn)場(chǎng)道路與用戶道路的當(dāng)量關(guān)系研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24(012)：15-19.