基于汽車試驗(yàn)場(chǎng)的整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?/h1>
2017-07-12 17:07:03陳迪鋮周勇強(qiáng)
汽車零部件 2017年5期
陳迪鋮,周勇強(qiáng)
(廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700)
基于汽車試驗(yàn)場(chǎng)的整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?/p>
陳迪鋮,周勇強(qiáng)
(廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700)
汽車耐久性試驗(yàn)是驗(yàn)證整車可靠性的一種重要手段。介紹名義損傷的基本概念及關(guān)聯(lián)用戶用途技術(shù)基本原理，基于中國(guó)市場(chǎng)用戶調(diào)查及金屬疲勞損傷的理論，提出一種整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇⒌姆椒?。?shí)踐表明：該耐久試驗(yàn)方法可縮短試驗(yàn)周期，加快不良顯在化進(jìn)程，減少市場(chǎng)不良特別是疲勞失效相關(guān)不良，提升整車品質(zhì)和顧客滿意度。
整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ?；試?yàn)場(chǎng)；載荷譜；損傷值
0 引言
整車耐久試驗(yàn)是評(píng)價(jià)汽車可靠性最有效的技術(shù)措施，整車耐久試驗(yàn)種類繁多，一般分為耐久性試驗(yàn)和耐候性試驗(yàn)兩類。耐久性試驗(yàn)一般包括普通道路耐久試驗(yàn)、砌塊路耐久試驗(yàn)、4～10倍因子的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)、動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)等；耐候性試驗(yàn)包括整車腐蝕試驗(yàn)、冷熱氣候耐久性試驗(yàn)[1]。文中重點(diǎn)論述的是4～10倍因子的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)。
較早期的整車耐久試驗(yàn)一般是為了保證在極端工況下車輛構(gòu)件不發(fā)生失效，且能滿足一定的商品性要求[2]?，F(xiàn)階段伴隨著疲勞損傷理論的推廣以及六分力儀等設(shè)備的普及，行業(yè)內(nèi)展開整車耐久試驗(yàn)的水平有了顯著的提升。但伴隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇及新技術(shù)、新裝備的推廣，中國(guó)消費(fèi)者對(duì)于汽車品質(zhì)提出了更加嚴(yán)苛的要求，對(duì)于汽車企業(yè)而言容易出現(xiàn)耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c中國(guó)市場(chǎng)關(guān)聯(lián)不足，進(jìn)而導(dǎo)致耐久試驗(yàn)不良檢出的水平大打折扣。某司一直致力于包含耐久試驗(yàn)在內(nèi)的整車試驗(yàn)方法的研究與實(shí)踐，通過理論研究和實(shí)踐，建立了適用于新車型試制階段的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)立的方法，用以提升汽車可靠性、用戶滿意度。
1 汽車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇⒘鞒谈攀?/h2>
耐久模式設(shè)立的起點(diǎn)來源于中國(guó)顧客及市場(chǎng)。將市場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合車輛零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及車輛維護(hù)保養(yǎng)要求，提取符合中國(guó)市場(chǎng)的耐久試驗(yàn)要件，并根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件設(shè)立各工況模式初稿，通過入力采集及載荷譜強(qiáng)度計(jì)算，判斷是否達(dá)成試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并依據(jù)判斷結(jié)果決定是否有必要進(jìn)行修正，設(shè)立耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并依?jù)車型投產(chǎn)后市場(chǎng)的反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。總體建立流程如圖1所示。
1.1 耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)立的輸入要素研究
近年來伴隨著渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、CVT無級(jí)變速箱及DCT雙離合變速箱等新技術(shù)、新裝備、新結(jié)構(gòu)的推廣，在進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)時(shí)除了考慮影響入力強(qiáng)度的強(qiáng)化系數(shù)以外，還要綜合考慮擁堵的路面條件、復(fù)雜的油品環(huán)境及顧客操作習(xí)慣等可能導(dǎo)致市場(chǎng)不良的要素?；谝陨戏治觯岢隽四途迷囼?yàn)的輸入要素主要包含以下4個(gè)方面：
(1)試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)。整車耐久試驗(yàn)一般聚焦于車輛壽命期或保修期，由于國(guó)家對(duì)于普通乘用車已取消了強(qiáng)制報(bào)廢的規(guī)定，故各公司對(duì)于壽命期目標(biāo)可以有自己的見解。疲勞損傷仍然是耐久試驗(yàn)核心要件，汽車研發(fā)部門一般有明確的目標(biāo)如“80%用戶使用240 000 km”[3]。對(duì)于不同的目標(biāo)，試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)設(shè)定有所不同，且隨著強(qiáng)化系數(shù)的增大，試驗(yàn)的誤差也會(huì)相應(yīng)增大。經(jīng)多年來的試驗(yàn)研究，作者認(rèn)為4～6倍因子的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)較為理想，過高的強(qiáng)化系數(shù)試驗(yàn)僅適用于底盤與車身強(qiáng)度的檢驗(yàn)，對(duì)于汽車各系統(tǒng)子部件、特別是一些日常需要操作部件的檢驗(yàn)存在著一定的欠缺。
圖1 耐久模式建立流程
(2)中國(guó)市場(chǎng)環(huán)境及用戶使用習(xí)慣。一般包括自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境及路面環(huán)境、用戶使用習(xí)慣4個(gè)方面，如圖2所示。根據(jù)這4個(gè)方面調(diào)查信息，統(tǒng)計(jì)出中國(guó)市場(chǎng)用戶實(shí)際操作車輛的習(xí)慣以及車輛走行路面的特征，這些特征構(gòu)成耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ酱_立的依據(jù)：①自然環(huán)境指車輛使用環(huán)境溫度、海拔、日照、濕度等自然環(huán)境信息。②社會(huì)環(huán)境指各區(qū)域的燃油品質(zhì)(如乙醇汽油、汽油蒸發(fā)壓等)等社會(huì)環(huán)境信息。③路面環(huán)境指城市道路、市郊、山路、高速公路等路面狀況及所占比例等信息。④使用習(xí)慣指車速分布、剎車的強(qiáng)度與次數(shù)，手剎、車窗、空調(diào)、大屏幕使用頻率等信息。
圖2 用戶使用習(xí)慣及道路環(huán)境的信息構(gòu)成圖
(3)零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及車輛維護(hù)保養(yǎng)的要求。整車試驗(yàn)的研究必須基于對(duì)各系統(tǒng)及零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究，從市場(chǎng)調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)需要與零部件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析后才能成為指導(dǎo)耐久試驗(yàn)的要件。此外，耐久試驗(yàn)中試驗(yàn)車須進(jìn)行合理的保養(yǎng)。
(4)試驗(yàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件。整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ娇傮w上由高速、城市(含塞車)、山路、惡路、越野5種工況構(gòu)成，但各工況的路面構(gòu)成無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要基于試驗(yàn)場(chǎng)的現(xiàn)地條件綜合考慮。作者將試驗(yàn)場(chǎng)路面分為3個(gè)種類(如圖3所示)：第一類是基礎(chǔ)的入力路面，如石塊路、卵石路、扭曲路等入力絕對(duì)值較大的路面；第二類是典型的環(huán)境模擬路面，如井蓋路、接縫路等顧客用車時(shí)常見的路面；第三種是具有豐富激勵(lì)的不良顯在化路面，如共振路、搓板路等。每個(gè)企業(yè)要基于自身試驗(yàn)的需要及試驗(yàn)場(chǎng)的現(xiàn)有條件予以確定，如針對(duì)方向機(jī)異響的檢出，卵石路、凹凸路等隨機(jī)振動(dòng)輸入路面作用特別明顯，這些路面就會(huì)入選到模式當(dāng)中。
圖3 耐久試驗(yàn)路面分類圖
1.2 用戶調(diào)查無線解決方案
用戶調(diào)查可以使用有線和無線數(shù)據(jù)傳輸兩種方式，無線傳輸方案數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。基于GPRS通信協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，在項(xiàng)目中聯(lián)合某通信設(shè)備廠商定制了一套無線解決方案，試驗(yàn)人員在目標(biāo)車輛安裝無線數(shù)據(jù)采集儀(內(nèi)置CAN總線采集儀、GPS定位系統(tǒng)、溫度采集等模塊)，目標(biāo)車輛在走行時(shí)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)無線傳輸，通過服務(wù)器下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，提取目標(biāo)要件。
圖4 基于GPRS通信協(xié)議的智能無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
1.3 依據(jù)用戶調(diào)查提取耐久試驗(yàn)要件
為指導(dǎo)數(shù)據(jù)處理，預(yù)先設(shè)立了目標(biāo)要件的種類及詳細(xì)內(nèi)容。如表1所示，提取的耐久試驗(yàn)要件一般包括車速分布、工
況分布、路面構(gòu)成、加速/制動(dòng)要件等11大要件。上述11個(gè)要件是耐久試驗(yàn)的基本要件。在加速與制動(dòng)要件中，如表2所示，需要區(qū)分加速動(dòng)作初速度、末速度及油門開度及加速操作的次數(shù)。值得注意的是，依據(jù)車型搭載的裝備，以及綜合考慮車型的定位及各車企的差異，需要對(duì)要件進(jìn)行適當(dāng)修訂。
近年來該公司相繼在國(guó)內(nèi)若干選定的城市采集了若干用戶數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析提取了中國(guó)用戶操作類及走行類要件，這些要件為耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕⑻峁┝艘罁?jù)。
表1 耐久試驗(yàn)要件表
表2 中等強(qiáng)度加速(1/2油門開度)次數(shù)操作要件
2 疲勞損傷理論
2.1S-N曲線
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示汽車的失效接近80%是由疲勞問題導(dǎo)致的，疲勞問題是耐久試驗(yàn)最核心問題。材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。這里要導(dǎo)入S-N曲線概念：導(dǎo)致疲勞的應(yīng)力(應(yīng)變)水平S和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命N之間關(guān)系的曲線稱為材料的S-N曲線[4]。
2.2 累積疲勞損傷理論[5]
汽車的疲勞損傷可以直線累積，而S-N曲線只能解決特定載荷(載荷數(shù)值明確)的疲勞計(jì)算，但事實(shí)上汽車在路面走行時(shí)受到的載荷是富于變化的，如何將這些復(fù)雜的載荷進(jìn)行累積計(jì)算？作者使用的是Miner線性疲勞累積損傷理論。依據(jù)Miner疲勞累積損傷理論, 總損傷量：
(1)
式中：Ni為σ-n理論曲線上對(duì)應(yīng)于應(yīng)力值σi的循環(huán)次數(shù)；ni為在應(yīng)力值σi作用下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。
設(shè)N0為對(duì)應(yīng)于疲勞極限σ-1的極限壽命，則根據(jù)Basquin關(guān)系式，有：
(2)
式中：σ-1為疲勞極限；N0為疲勞極限對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。
將式(2)代入式(1)中可得累積損傷的計(jì)算公式：
(3)
依據(jù)Miner理論，當(dāng)材料整個(gè)損傷完畢時(shí)，D=1，就發(fā)生疲勞破壞。
3 路面載荷采集與疲勞損傷計(jì)算方法
3.1 路面載荷采集
載荷一般分為力、應(yīng)力和加速度3個(gè)種類，響應(yīng)時(shí)間歷程經(jīng)過計(jì)數(shù)處理，得到各種形式的累計(jì)頻次分布，稱之為載荷譜[3]。路面對(duì)車輛的輸入力，依據(jù)傳遞路徑(首先從輪胎經(jīng)減震器、彈簧，最后作用于整個(gè)車身)，采集載荷時(shí)需要將傳感器按照順序布置在傳遞路徑上。依此原則，如圖5所示依此將輪胎六分力儀、應(yīng)變片及加速度傳感器布置在輪胎、懸架簧下、減震彈簧、減震器座[6]。
圖5 六分力儀設(shè)備與采集數(shù)據(jù)通道
3.2 路面載荷數(shù)據(jù)處理方法
3.2.1 載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理
如圖6所示，采集載荷的原始數(shù)據(jù)為加速度、力、應(yīng)力時(shí)域數(shù)據(jù)，在預(yù)處理階段需要對(duì)受干擾的點(diǎn)(曲線中的部分尖點(diǎn)，特征是存在明顯跳躍)予以切除。
對(duì)于隨機(jī)載荷，廣泛使用的統(tǒng)計(jì)分析方法主要為計(jì)數(shù)法。將載荷-時(shí)間歷程處理為一系列的全循環(huán)或半循環(huán)的過程叫作計(jì)數(shù)法，推薦的方法是雨流計(jì)數(shù)法[4]。
將采集的路面載荷原始數(shù)據(jù)(時(shí)域數(shù)據(jù))經(jīng)雨流法計(jì)數(shù)處理，原始數(shù)據(jù)被分進(jìn)若干個(gè)區(qū)間(如100個(gè)或者200個(gè))，輸出結(jié)果為落在各區(qū)間載荷的次數(shù)，這樣就可以與S-N曲線關(guān)聯(lián)上。采集數(shù)據(jù)的處理如圖7所示。
圖6 采集載荷原始數(shù)據(jù)
圖7 雨流法處理后的載荷譜數(shù)據(jù)
3.2.2 疲勞損傷值的計(jì)算
經(jīng)雨流計(jì)數(shù)法處理后的數(shù)據(jù)與材料的S-N曲線構(gòu)成關(guān)聯(lián)，通過疲勞損傷累積理論可以計(jì)算出疲勞損傷Dm值，值得注意的是這里的Dm值是絕對(duì)值。而實(shí)踐中汽車底盤及車身材料構(gòu)成比較復(fù)雜，每一種材料都有自己特定的S-N曲線，所以在實(shí)踐中無法精確計(jì)算絕對(duì)損傷值。這里需要導(dǎo)入相對(duì)損傷值的概念:構(gòu)造理想S-N曲線，使得基準(zhǔn)路面(一般是用戶實(shí)際走行的社會(huì)道路)數(shù)據(jù)代入S-N曲線當(dāng)中時(shí)，計(jì)算Dm值剛好為1。再將試驗(yàn)場(chǎng)的路面數(shù)據(jù)代入理想S-N曲線中，計(jì)算出來的損傷值即反映試驗(yàn)場(chǎng)路面強(qiáng)度與基準(zhǔn)路面的對(duì)比[6]，整體流程如圖8所示。
圖8 疲勞損傷值計(jì)算流程
4 耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ降膹?qiáng)度修正
4.1 強(qiáng)化系數(shù)設(shè)定
如第1.1節(jié)所述，為了縮短試驗(yàn)周期, 整車耐久試驗(yàn)一般都在具有各種特征強(qiáng)化路面的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行、設(shè)有一定的強(qiáng)化系數(shù)，即在試驗(yàn)場(chǎng)路面走行單位公里的損傷值，等價(jià)于社會(huì)道路的K倍，K值即為耐久試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)，K值的大小等價(jià)于汽車在社會(huì)路面走行的里程數(shù)與在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路面行駛的里程數(shù)之比：
(4)
式中：L1為社會(huì)路面走行的目標(biāo)里程數(shù)；L0為試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)走行的目標(biāo)里程數(shù)。
4.2 試驗(yàn)場(chǎng)及社會(huì)路面載荷采集與對(duì)比分析
4.2.1 試驗(yàn)場(chǎng)路面載荷采集
按照第3.1節(jié)中路面載荷采集的方法，試驗(yàn)車在安裝好傳感器(六分力儀、應(yīng)變片、加速度)后，按照空載、半載、滿載3種配載方式，按試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)初稿模式走行，共采集15組原始載荷數(shù)據(jù)，處理完的數(shù)據(jù)按照比例進(jìn)行累加。
4.2.2 社會(huì)路面載荷采集
通過中國(guó)市場(chǎng)信息調(diào)查，獲取用戶走行的路面及車速構(gòu)成，如表1所示，根據(jù)這些信息，選取社會(huì)特征路面，按照第4.2.1節(jié)中的配載方式采集社會(huì)道路載荷，作為基準(zhǔn)路面生成理想S-N曲線，用以與試驗(yàn)場(chǎng)耐久模式強(qiáng)度對(duì)比[6]。
4.2.3 試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面載荷強(qiáng)度對(duì)比
按照第3.2節(jié)中論述的方法，計(jì)算試驗(yàn)場(chǎng)輸入力損傷值相對(duì)社會(huì)路面輸入力損傷值的比值。試驗(yàn)中采集的路面載荷，每個(gè)傳感器為1個(gè)通道(六分力儀有6個(gè)通道)，每個(gè)通道的損傷值需要分開進(jìn)行對(duì)比，如表3所示[6]。
表3 試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面強(qiáng)度對(duì)比表
表3中，如強(qiáng)化系數(shù)設(shè)定為4，通過試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面損傷值的對(duì)比，如圖9所示，檢查發(fā)現(xiàn)部分通道的損傷值低于標(biāo)準(zhǔn)值，而部分通道高出標(biāo)準(zhǔn)值，如存在上述不平衡的情況則需要進(jìn)行修正。
圖9 試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面強(qiáng)度對(duì)比圖
4.2.4 模式強(qiáng)度的修正
表3中，從數(shù)據(jù)上分析車輛輪胎受到的垂直路面方向的損傷值偏低，而側(cè)向力偏高。推薦的修正方法為：改變走行的車速、路面種類、惡路與平緩道路的比例，如垂直方向損傷值偏低，可以增加惡路工況的比例，或者適當(dāng)增加惡路工況中車速；側(cè)向力偏大，需要減少轉(zhuǎn)向操作，或者將山路工況的比例調(diào)低。
由于采集數(shù)據(jù)通道數(shù)往往超過20個(gè)，實(shí)現(xiàn)全部通道的數(shù)據(jù)平衡存在極大的困難，建議在進(jìn)行模式強(qiáng)度修正中設(shè)立一定的優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先處理級(jí)別高的通道。優(yōu)先級(jí)別如下：
六分力儀>簧下加速度>彈簧應(yīng)變>減震器座應(yīng)變>車身其他位置信號(hào)
5 耐久模式動(dòng)態(tài)修正體制
耐久模式來源于市場(chǎng)，而市場(chǎng)和用戶是處于不斷變化之中的，耐久模式建立之后需要依據(jù)市場(chǎng)不良信息及市場(chǎng)環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正：對(duì)于新裝備、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)關(guān)聯(lián)及操作點(diǎn)檢類的要件，依據(jù)車型投產(chǎn)后前3個(gè)月的市場(chǎng)投訴信息進(jìn)行車型修正；對(duì)于一年內(nèi)各車型試驗(yàn)流出市場(chǎng)的共性不良及市場(chǎng)排名TOP不良(如TOP10、TOP20)，每年進(jìn)行集中研究并修正關(guān)聯(lián)的要件；對(duì)于市場(chǎng)環(huán)境及用戶使用習(xí)慣，每4～5年進(jìn)行集中用戶調(diào)查和入力采集，并修正關(guān)聯(lián)的要件。
6 結(jié)論
根據(jù)以上方法建立的整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑谠摴径鄠€(gè)車型試驗(yàn)中實(shí)施，實(shí)踐表明：該模式可以強(qiáng)化新車型試作階段的不良顯在化，特別是對(duì)用戶操作點(diǎn)檢及使用相關(guān)的不良的檢出效果提升明顯，從一定程度上降低市場(chǎng)投訴風(fēng)險(xiǎn)、提升顧客滿意度。
伴隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的飛速發(fā)展，中國(guó)市場(chǎng)正受到來自全世界各車企巨頭的重視，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)急劇增強(qiáng)，如何提升顧客滿意度是值得所有汽車企業(yè)研究的課題，而整車耐久試驗(yàn)開展的水平與顧客滿意度之間存在較大的關(guān)聯(lián)。文中從疲勞損傷的理論出發(fā)，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查、零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出了一種基于中國(guó)市場(chǎng)的汽車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇⒌牧鞒毯头椒?，并在工程?shí)踐中運(yùn)用。結(jié)果表明：該方法能有效改善整車耐久品質(zhì)，提升用戶滿意度。
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Study on Automotive Durability Test Mode Based on Proving Ground
CHEN Dicheng, ZHOU Yongqiang
(Guangqi Honda Automobile Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510700,China)
Durability test is an important means to verify vehicle reliability. The concept of pseudo damage and the principle of automobile test technology related usage purpose were introduced. Based on the investigation of Chinese market user and the theory of metal fatigue damage, a new method of durability test mode was proposed. Practice has shown that using the method, the test cycle is shortened, the process of fault phenomenon is accelerated.So market complaints, especially that caused by fatigue failure, is reduced, vehicle quality and customer satisfaction are improved.
Automotive durability test mode; Proving ground; Loading spectrum; Damage value
2017-03-31
陳迪鋮,男，本科，研究方向?yàn)槠嚳煽啃栽囼?yàn)、汽車環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。E-mail:chen603902@126.com。
10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.003
U467.1+9
B
1674-1986(2017)05-013-06
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陳迪鋮,周勇強(qiáng)
(廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700)
基于汽車試驗(yàn)場(chǎng)的整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?/p>
陳迪鋮,周勇強(qiáng)
(廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700)
汽車耐久性試驗(yàn)是驗(yàn)證整車可靠性的一種重要手段。介紹名義損傷的基本概念及關(guān)聯(lián)用戶用途技術(shù)基本原理，基于中國(guó)市場(chǎng)用戶調(diào)查及金屬疲勞損傷的理論，提出一種整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇⒌姆椒?。?shí)踐表明：該耐久試驗(yàn)方法可縮短試驗(yàn)周期，加快不良顯在化進(jìn)程，減少市場(chǎng)不良特別是疲勞失效相關(guān)不良，提升整車品質(zhì)和顧客滿意度。
整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ?；試?yàn)場(chǎng)；載荷譜；損傷值
0 引言
整車耐久試驗(yàn)是評(píng)價(jià)汽車可靠性最有效的技術(shù)措施，整車耐久試驗(yàn)種類繁多，一般分為耐久性試驗(yàn)和耐候性試驗(yàn)兩類。耐久性試驗(yàn)一般包括普通道路耐久試驗(yàn)、砌塊路耐久試驗(yàn)、4～10倍因子的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)、動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)等；耐候性試驗(yàn)包括整車腐蝕試驗(yàn)、冷熱氣候耐久性試驗(yàn)[1]。文中重點(diǎn)論述的是4～10倍因子的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)。
較早期的整車耐久試驗(yàn)一般是為了保證在極端工況下車輛構(gòu)件不發(fā)生失效，且能滿足一定的商品性要求[2]?，F(xiàn)階段伴隨著疲勞損傷理論的推廣以及六分力儀等設(shè)備的普及，行業(yè)內(nèi)展開整車耐久試驗(yàn)的水平有了顯著的提升。但伴隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇及新技術(shù)、新裝備的推廣，中國(guó)消費(fèi)者對(duì)于汽車品質(zhì)提出了更加嚴(yán)苛的要求，對(duì)于汽車企業(yè)而言容易出現(xiàn)耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c中國(guó)市場(chǎng)關(guān)聯(lián)不足，進(jìn)而導(dǎo)致耐久試驗(yàn)不良檢出的水平大打折扣。某司一直致力于包含耐久試驗(yàn)在內(nèi)的整車試驗(yàn)方法的研究與實(shí)踐，通過理論研究和實(shí)踐，建立了適用于新車型試制階段的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)立的方法，用以提升汽車可靠性、用戶滿意度。
1 汽車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇⒘鞒谈攀?/h2>
耐久模式設(shè)立的起點(diǎn)來源于中國(guó)顧客及市場(chǎng)。將市場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合車輛零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及車輛維護(hù)保養(yǎng)要求，提取符合中國(guó)市場(chǎng)的耐久試驗(yàn)要件，并根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件設(shè)立各工況模式初稿，通過入力采集及載荷譜強(qiáng)度計(jì)算，判斷是否達(dá)成試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并依據(jù)判斷結(jié)果決定是否有必要進(jìn)行修正，設(shè)立耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并依?jù)車型投產(chǎn)后市場(chǎng)的反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。總體建立流程如圖1所示。
1.1 耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)立的輸入要素研究
近年來伴隨著渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、CVT無級(jí)變速箱及DCT雙離合變速箱等新技術(shù)、新裝備、新結(jié)構(gòu)的推廣，在進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)時(shí)除了考慮影響入力強(qiáng)度的強(qiáng)化系數(shù)以外，還要綜合考慮擁堵的路面條件、復(fù)雜的油品環(huán)境及顧客操作習(xí)慣等可能導(dǎo)致市場(chǎng)不良的要素?；谝陨戏治觯岢隽四途迷囼?yàn)的輸入要素主要包含以下4個(gè)方面：
(1)試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)。整車耐久試驗(yàn)一般聚焦于車輛壽命期或保修期，由于國(guó)家對(duì)于普通乘用車已取消了強(qiáng)制報(bào)廢的規(guī)定，故各公司對(duì)于壽命期目標(biāo)可以有自己的見解。疲勞損傷仍然是耐久試驗(yàn)核心要件，汽車研發(fā)部門一般有明確的目標(biāo)如“80%用戶使用240 000 km”[3]。對(duì)于不同的目標(biāo)，試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)設(shè)定有所不同，且隨著強(qiáng)化系數(shù)的增大，試驗(yàn)的誤差也會(huì)相應(yīng)增大。經(jīng)多年來的試驗(yàn)研究，作者認(rèn)為4～6倍因子的加速強(qiáng)化耐久試驗(yàn)較為理想，過高的強(qiáng)化系數(shù)試驗(yàn)僅適用于底盤與車身強(qiáng)度的檢驗(yàn)，對(duì)于汽車各系統(tǒng)子部件、特別是一些日常需要操作部件的檢驗(yàn)存在著一定的欠缺。
圖1 耐久模式建立流程
(2)中國(guó)市場(chǎng)環(huán)境及用戶使用習(xí)慣。一般包括自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境及路面環(huán)境、用戶使用習(xí)慣4個(gè)方面，如圖2所示。根據(jù)這4個(gè)方面調(diào)查信息，統(tǒng)計(jì)出中國(guó)市場(chǎng)用戶實(shí)際操作車輛的習(xí)慣以及車輛走行路面的特征，這些特征構(gòu)成耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ酱_立的依據(jù)：①自然環(huán)境指車輛使用環(huán)境溫度、海拔、日照、濕度等自然環(huán)境信息。②社會(huì)環(huán)境指各區(qū)域的燃油品質(zhì)(如乙醇汽油、汽油蒸發(fā)壓等)等社會(huì)環(huán)境信息。③路面環(huán)境指城市道路、市郊、山路、高速公路等路面狀況及所占比例等信息。④使用習(xí)慣指車速分布、剎車的強(qiáng)度與次數(shù)，手剎、車窗、空調(diào)、大屏幕使用頻率等信息。
圖2 用戶使用習(xí)慣及道路環(huán)境的信息構(gòu)成圖
(3)零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及車輛維護(hù)保養(yǎng)的要求。整車試驗(yàn)的研究必須基于對(duì)各系統(tǒng)及零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究，從市場(chǎng)調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)需要與零部件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析后才能成為指導(dǎo)耐久試驗(yàn)的要件。此外，耐久試驗(yàn)中試驗(yàn)車須進(jìn)行合理的保養(yǎng)。
(4)試驗(yàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件。整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ娇傮w上由高速、城市(含塞車)、山路、惡路、越野5種工況構(gòu)成，但各工況的路面構(gòu)成無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要基于試驗(yàn)場(chǎng)的現(xiàn)地條件綜合考慮。作者將試驗(yàn)場(chǎng)路面分為3個(gè)種類(如圖3所示)：第一類是基礎(chǔ)的入力路面，如石塊路、卵石路、扭曲路等入力絕對(duì)值較大的路面；第二類是典型的環(huán)境模擬路面，如井蓋路、接縫路等顧客用車時(shí)常見的路面；第三種是具有豐富激勵(lì)的不良顯在化路面，如共振路、搓板路等。每個(gè)企業(yè)要基于自身試驗(yàn)的需要及試驗(yàn)場(chǎng)的現(xiàn)有條件予以確定，如針對(duì)方向機(jī)異響的檢出，卵石路、凹凸路等隨機(jī)振動(dòng)輸入路面作用特別明顯，這些路面就會(huì)入選到模式當(dāng)中。
圖3 耐久試驗(yàn)路面分類圖
1.2 用戶調(diào)查無線解決方案
用戶調(diào)查可以使用有線和無線數(shù)據(jù)傳輸兩種方式，無線傳輸方案數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。基于GPRS通信協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，在項(xiàng)目中聯(lián)合某通信設(shè)備廠商定制了一套無線解決方案，試驗(yàn)人員在目標(biāo)車輛安裝無線數(shù)據(jù)采集儀(內(nèi)置CAN總線采集儀、GPS定位系統(tǒng)、溫度采集等模塊)，目標(biāo)車輛在走行時(shí)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)無線傳輸，通過服務(wù)器下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，提取目標(biāo)要件。
圖4 基于GPRS通信協(xié)議的智能無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
1.3 依據(jù)用戶調(diào)查提取耐久試驗(yàn)要件
為指導(dǎo)數(shù)據(jù)處理，預(yù)先設(shè)立了目標(biāo)要件的種類及詳細(xì)內(nèi)容。如表1所示，提取的耐久試驗(yàn)要件一般包括車速分布、工
況分布、路面構(gòu)成、加速/制動(dòng)要件等11大要件。上述11個(gè)要件是耐久試驗(yàn)的基本要件。在加速與制動(dòng)要件中，如表2所示，需要區(qū)分加速動(dòng)作初速度、末速度及油門開度及加速操作的次數(shù)。值得注意的是，依據(jù)車型搭載的裝備，以及綜合考慮車型的定位及各車企的差異，需要對(duì)要件進(jìn)行適當(dāng)修訂。
近年來該公司相繼在國(guó)內(nèi)若干選定的城市采集了若干用戶數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析提取了中國(guó)用戶操作類及走行類要件，這些要件為耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕⑻峁┝艘罁?jù)。
表1 耐久試驗(yàn)要件表
表2 中等強(qiáng)度加速(1/2油門開度)次數(shù)操作要件
2 疲勞損傷理論
2.1S-N曲線
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示汽車的失效接近80%是由疲勞問題導(dǎo)致的，疲勞問題是耐久試驗(yàn)最核心問題。材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。這里要導(dǎo)入S-N曲線概念：導(dǎo)致疲勞的應(yīng)力(應(yīng)變)水平S和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命N之間關(guān)系的曲線稱為材料的S-N曲線[4]。
2.2 累積疲勞損傷理論[5]
汽車的疲勞損傷可以直線累積，而S-N曲線只能解決特定載荷(載荷數(shù)值明確)的疲勞計(jì)算，但事實(shí)上汽車在路面走行時(shí)受到的載荷是富于變化的，如何將這些復(fù)雜的載荷進(jìn)行累積計(jì)算？作者使用的是Miner線性疲勞累積損傷理論。依據(jù)Miner疲勞累積損傷理論, 總損傷量：
(1)
式中：Ni為σ-n理論曲線上對(duì)應(yīng)于應(yīng)力值σi的循環(huán)次數(shù)；ni為在應(yīng)力值σi作用下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。
設(shè)N0為對(duì)應(yīng)于疲勞極限σ-1的極限壽命，則根據(jù)Basquin關(guān)系式，有：
(2)
式中：σ-1為疲勞極限；N0為疲勞極限對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。
將式(2)代入式(1)中可得累積損傷的計(jì)算公式：
(3)
依據(jù)Miner理論，當(dāng)材料整個(gè)損傷完畢時(shí)，D=1，就發(fā)生疲勞破壞。
3 路面載荷采集與疲勞損傷計(jì)算方法
3.1 路面載荷采集
載荷一般分為力、應(yīng)力和加速度3個(gè)種類，響應(yīng)時(shí)間歷程經(jīng)過計(jì)數(shù)處理，得到各種形式的累計(jì)頻次分布，稱之為載荷譜[3]。路面對(duì)車輛的輸入力，依據(jù)傳遞路徑(首先從輪胎經(jīng)減震器、彈簧，最后作用于整個(gè)車身)，采集載荷時(shí)需要將傳感器按照順序布置在傳遞路徑上。依此原則，如圖5所示依此將輪胎六分力儀、應(yīng)變片及加速度傳感器布置在輪胎、懸架簧下、減震彈簧、減震器座[6]。
圖5 六分力儀設(shè)備與采集數(shù)據(jù)通道
3.2 路面載荷數(shù)據(jù)處理方法
3.2.1 載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理
如圖6所示，采集載荷的原始數(shù)據(jù)為加速度、力、應(yīng)力時(shí)域數(shù)據(jù)，在預(yù)處理階段需要對(duì)受干擾的點(diǎn)(曲線中的部分尖點(diǎn)，特征是存在明顯跳躍)予以切除。
對(duì)于隨機(jī)載荷，廣泛使用的統(tǒng)計(jì)分析方法主要為計(jì)數(shù)法。將載荷-時(shí)間歷程處理為一系列的全循環(huán)或半循環(huán)的過程叫作計(jì)數(shù)法，推薦的方法是雨流計(jì)數(shù)法[4]。
將采集的路面載荷原始數(shù)據(jù)(時(shí)域數(shù)據(jù))經(jīng)雨流法計(jì)數(shù)處理，原始數(shù)據(jù)被分進(jìn)若干個(gè)區(qū)間(如100個(gè)或者200個(gè))，輸出結(jié)果為落在各區(qū)間載荷的次數(shù)，這樣就可以與S-N曲線關(guān)聯(lián)上。采集數(shù)據(jù)的處理如圖7所示。
圖6 采集載荷原始數(shù)據(jù)
圖7 雨流法處理后的載荷譜數(shù)據(jù)
3.2.2 疲勞損傷值的計(jì)算
經(jīng)雨流計(jì)數(shù)法處理后的數(shù)據(jù)與材料的S-N曲線構(gòu)成關(guān)聯(lián)，通過疲勞損傷累積理論可以計(jì)算出疲勞損傷Dm值，值得注意的是這里的Dm值是絕對(duì)值。而實(shí)踐中汽車底盤及車身材料構(gòu)成比較復(fù)雜，每一種材料都有自己特定的S-N曲線，所以在實(shí)踐中無法精確計(jì)算絕對(duì)損傷值。這里需要導(dǎo)入相對(duì)損傷值的概念:構(gòu)造理想S-N曲線，使得基準(zhǔn)路面(一般是用戶實(shí)際走行的社會(huì)道路)數(shù)據(jù)代入S-N曲線當(dāng)中時(shí)，計(jì)算Dm值剛好為1。再將試驗(yàn)場(chǎng)的路面數(shù)據(jù)代入理想S-N曲線中，計(jì)算出來的損傷值即反映試驗(yàn)場(chǎng)路面強(qiáng)度與基準(zhǔn)路面的對(duì)比[6]，整體流程如圖8所示。
圖8 疲勞損傷值計(jì)算流程
4 耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ降膹?qiáng)度修正
4.1 強(qiáng)化系數(shù)設(shè)定
如第1.1節(jié)所述，為了縮短試驗(yàn)周期, 整車耐久試驗(yàn)一般都在具有各種特征強(qiáng)化路面的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行、設(shè)有一定的強(qiáng)化系數(shù)，即在試驗(yàn)場(chǎng)路面走行單位公里的損傷值，等價(jià)于社會(huì)道路的K倍，K值即為耐久試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)，K值的大小等價(jià)于汽車在社會(huì)路面走行的里程數(shù)與在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路面行駛的里程數(shù)之比：
(4)
式中：L1為社會(huì)路面走行的目標(biāo)里程數(shù)；L0為試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)走行的目標(biāo)里程數(shù)。
4.2 試驗(yàn)場(chǎng)及社會(huì)路面載荷采集與對(duì)比分析
4.2.1 試驗(yàn)場(chǎng)路面載荷采集
按照第3.1節(jié)中路面載荷采集的方法，試驗(yàn)車在安裝好傳感器(六分力儀、應(yīng)變片、加速度)后，按照空載、半載、滿載3種配載方式，按試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)初稿模式走行，共采集15組原始載荷數(shù)據(jù)，處理完的數(shù)據(jù)按照比例進(jìn)行累加。
4.2.2 社會(huì)路面載荷采集
通過中國(guó)市場(chǎng)信息調(diào)查，獲取用戶走行的路面及車速構(gòu)成，如表1所示，根據(jù)這些信息，選取社會(huì)特征路面，按照第4.2.1節(jié)中的配載方式采集社會(huì)道路載荷，作為基準(zhǔn)路面生成理想S-N曲線，用以與試驗(yàn)場(chǎng)耐久模式強(qiáng)度對(duì)比[6]。
4.2.3 試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面載荷強(qiáng)度對(duì)比
按照第3.2節(jié)中論述的方法，計(jì)算試驗(yàn)場(chǎng)輸入力損傷值相對(duì)社會(huì)路面輸入力損傷值的比值。試驗(yàn)中采集的路面載荷，每個(gè)傳感器為1個(gè)通道(六分力儀有6個(gè)通道)，每個(gè)通道的損傷值需要分開進(jìn)行對(duì)比，如表3所示[6]。
表3 試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面強(qiáng)度對(duì)比表
表3中，如強(qiáng)化系數(shù)設(shè)定為4，通過試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面損傷值的對(duì)比，如圖9所示，檢查發(fā)現(xiàn)部分通道的損傷值低于標(biāo)準(zhǔn)值，而部分通道高出標(biāo)準(zhǔn)值，如存在上述不平衡的情況則需要進(jìn)行修正。
圖9 試驗(yàn)場(chǎng)與社會(huì)路面強(qiáng)度對(duì)比圖
4.2.4 模式強(qiáng)度的修正
表3中，從數(shù)據(jù)上分析車輛輪胎受到的垂直路面方向的損傷值偏低，而側(cè)向力偏高。推薦的修正方法為：改變走行的車速、路面種類、惡路與平緩道路的比例，如垂直方向損傷值偏低，可以增加惡路工況的比例，或者適當(dāng)增加惡路工況中車速；側(cè)向力偏大，需要減少轉(zhuǎn)向操作，或者將山路工況的比例調(diào)低。
由于采集數(shù)據(jù)通道數(shù)往往超過20個(gè)，實(shí)現(xiàn)全部通道的數(shù)據(jù)平衡存在極大的困難，建議在進(jìn)行模式強(qiáng)度修正中設(shè)立一定的優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先處理級(jí)別高的通道。優(yōu)先級(jí)別如下：
六分力儀>簧下加速度>彈簧應(yīng)變>減震器座應(yīng)變>車身其他位置信號(hào)
5 耐久模式動(dòng)態(tài)修正體制
耐久模式來源于市場(chǎng)，而市場(chǎng)和用戶是處于不斷變化之中的，耐久模式建立之后需要依據(jù)市場(chǎng)不良信息及市場(chǎng)環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正：對(duì)于新裝備、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)關(guān)聯(lián)及操作點(diǎn)檢類的要件，依據(jù)車型投產(chǎn)后前3個(gè)月的市場(chǎng)投訴信息進(jìn)行車型修正；對(duì)于一年內(nèi)各車型試驗(yàn)流出市場(chǎng)的共性不良及市場(chǎng)排名TOP不良(如TOP10、TOP20)，每年進(jìn)行集中研究并修正關(guān)聯(lián)的要件；對(duì)于市場(chǎng)環(huán)境及用戶使用習(xí)慣，每4～5年進(jìn)行集中用戶調(diào)查和入力采集，并修正關(guān)聯(lián)的要件。
6 結(jié)論
根據(jù)以上方法建立的整車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑谠摴径鄠€(gè)車型試驗(yàn)中實(shí)施，實(shí)踐表明：該模式可以強(qiáng)化新車型試作階段的不良顯在化，特別是對(duì)用戶操作點(diǎn)檢及使用相關(guān)的不良的檢出效果提升明顯，從一定程度上降低市場(chǎng)投訴風(fēng)險(xiǎn)、提升顧客滿意度。
伴隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的飛速發(fā)展，中國(guó)市場(chǎng)正受到來自全世界各車企巨頭的重視，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)急劇增強(qiáng)，如何提升顧客滿意度是值得所有汽車企業(yè)研究的課題，而整車耐久試驗(yàn)開展的水平與顧客滿意度之間存在較大的關(guān)聯(lián)。文中從疲勞損傷的理論出發(fā)，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查、零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出了一種基于中國(guó)市場(chǎng)的汽車耐久試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇⒌牧鞒毯头椒?，并在工程?shí)踐中運(yùn)用。結(jié)果表明：該方法能有效改善整車耐久品質(zhì)，提升用戶滿意度。
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Study on Automotive Durability Test Mode Based on Proving Ground
CHEN Dicheng, ZHOU Yongqiang
(Guangqi Honda Automobile Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510700,China)
Durability test is an important means to verify vehicle reliability. The concept of pseudo damage and the principle of automobile test technology related usage purpose were introduced. Based on the investigation of Chinese market user and the theory of metal fatigue damage, a new method of durability test mode was proposed. Practice has shown that using the method, the test cycle is shortened, the process of fault phenomenon is accelerated.So market complaints, especially that caused by fatigue failure, is reduced, vehicle quality and customer satisfaction are improved.
Automotive durability test mode; Proving ground; Loading spectrum; Damage value
2017-03-31
陳迪鋮,男，本科，研究方向?yàn)槠嚳煽啃栽囼?yàn)、汽車環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。E-mail:chen603902@126.com。
10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.003
U467.1+9
B
1674-1986(2017)05-013-06
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