范皖元，宋長青，向曉野

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達柴油發(fā)動機有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動機臺架運行時間對應(yīng)整車行駛里程關(guān)系研究

范皖元1，宋長青1，向曉野2

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達柴油發(fā)動機有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動機的可靠性驗證主要以臺架試驗為主，但是臺架試驗以運行時間記錄，無法直接反應(yīng)整車運行里程，需要將臺架試驗的運行時間換算為整車的行駛里程。在主要運動件疲勞壽命的范圍內(nèi)，通過熱負荷和機械負荷等效的原則，建立臺架運行時間與整車行駛里程對應(yīng)關(guān)系，并通過實例進行說明。

臺架時間；整車里程；熱負荷；機械負荷；等效原則

前言

為了更快速、更便捷的驗證、測試發(fā)動機產(chǎn)品，國內(nèi)外所有的發(fā)動機廠商都采用了發(fā)動機臺架測試，將發(fā)動機固定在測試臺架上，模擬整車提供電源、供水冷卻、供油、進氣等等，然后在設(shè)定的工況運轉(zhuǎn)發(fā)動機一定的時間，用來評估發(fā)動機某些方面的性能能否滿足要求。

發(fā)動機的臺架可靠性驗證相比較整車驗證大大節(jié)省的驗證時間和費用，但是臺架驗證的工況并不能完全代表整車的行駛工況，臺架驗證的結(jié)果也無法完全反應(yīng)整車實際運轉(zhuǎn)情況，如何分析和評估臺架運行結(jié)果反應(yīng)整車實際運轉(zhuǎn)情況，就需要將臺架在具體某些工況下的運行時間換算成整車行駛的里程。

為了分析發(fā)動機的主要運動部件的臺架可靠性試驗的壽命對應(yīng)到整車上的情況，本文對臺架可靠性試驗運行時間換算成整車行駛里程的對應(yīng)關(guān)系進行了初步研究。

1 臺架試驗描述

發(fā)動機臺架可靠性驗證是將發(fā)動機固定在試驗臺架上，按照某一固定的工況運行數(shù)百小時，評估其是否可靠。一般運行的工況和時間是不同公司根據(jù)發(fā)動機設(shè)計的特點進行設(shè)計。國標《GB T19055-2003汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》中規(guī)定了一些常用的可靠性試驗工況和時間，比如交變負荷試驗、混合負荷試驗。

圖1 交變負荷試驗工況

圖2 混合負荷試驗工況

2 整車運行工況描述

發(fā)動機在整車上的運行工況是要根據(jù)整車實際使用循環(huán)路譜而來，比如重型車主要載貨行駛在兩地之間，主要工況是高速滿載，少部分在城郊工況；小型乘用車主要工況是市區(qū)工況，一部分城郊工況，較少的高速工況；公交車工況都是城市工況。國內(nèi)地形復(fù)雜，各個省市的城市、城郊等工況都有差別，暫時沒有統(tǒng)一的工況路譜。缺少實車路譜的情況下，無法將臺架工況運行時間轉(zhuǎn)換為整車實際行駛的里程。

目前我們借助法規(guī)中的油耗測試循環(huán)，它是由國家環(huán)保等部門參考國內(nèi)外的油耗測試循環(huán)結(jié)合我國的國情制定的一套測試循環(huán)工況，比較接近國內(nèi)的實車使用條件。所以我們暫時采用國內(nèi)油耗測試循環(huán)來代表整車實際工況。需要注意的是不同的車型油耗測試循環(huán)有所不同，如輕型車是 NEDC循環(huán)，重型車是C-WTVC循環(huán)。另外不同階段的法規(guī)對油耗測試循環(huán)的規(guī)定也有所不同，如國五階段輕型車測試循環(huán)是NEDC，國六階段就優(yōu)化為WLTC循環(huán)，需要具體對待分析。

3 換算分析

在了解發(fā)動機臺架可靠性試驗工況、時間和整車試驗循環(huán)后，就需要找到臺架試驗工況和整車試驗循環(huán)的等效原則，把臺架運行時間轉(zhuǎn)換為整車行駛的里程。不同的零部件在臺架試驗工況和整車試驗循環(huán)之間的等效原則不一定相同，比如活塞的疲勞失效與起動機的工作失效不能用同一個等效原則，前者與發(fā)動機的負荷、轉(zhuǎn)速等有關(guān)，后者與起動的頻次有關(guān)。這里僅僅分析研究發(fā)動機主要運動件的壽命等效原則。

3.1 等效因素

發(fā)動機本質(zhì)是將燃料燃燒的能量轉(zhuǎn)換為機械能，即熱能轉(zhuǎn)換為機械能，發(fā)動機在實際運行過程中承受熱負荷和機械負荷的作用。所以可以利用熱負荷和機械負荷等量關(guān)系，建立臺架運行時間與整車行駛里程的對應(yīng)關(guān)系，其中熱負荷與燃料的消耗有關(guān)，機械負荷與轉(zhuǎn)速和作用力矩有關(guān)。

負荷率：是指臺架測試工況與整車循環(huán)工況單位時間或者里程內(nèi)的負荷加載的比例，主要通過熱負荷強度和機械負荷強度來對比分析。

① 熱負荷強度

累計燃油消耗量可以代表各自的熱負荷來對比換算。

② 機械負荷強度

機械負荷是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)生扭矩的關(guān)系。所以，可以用發(fā)動機累計轉(zhuǎn)速*累計扭矩來表示。

考慮上述熱負荷和機械負荷，評價不同情況下的負荷率：

負荷率=熱負荷*機械負荷=累計燃油消耗量*（累計轉(zhuǎn)速*累計扭矩)

3.2 負荷率的計算

發(fā)動機臺架運行工況的熱負荷和機械負荷可以確定，通過油耗儀和測功機記錄循環(huán)工況中每個點的燃油消耗量、扭矩和轉(zhuǎn)速。但整車的循環(huán)工況可以通過在整車測試循環(huán)時記錄燃油消耗量、發(fā)動機扭矩和轉(zhuǎn)速。

收集了以上數(shù)據(jù)后，就可以通過發(fā)動機的熱負荷和機械負荷等效的方法計算負荷率。熱負荷與燃料的消耗量有關(guān)，機械負荷與轉(zhuǎn)速和載荷有關(guān)，加權(quán)系數(shù)是臺架工況的結(jié)果與整車循環(huán)工況結(jié)果的比值。

通過對試驗循環(huán)工況的轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗量積分計算平均值，再與整車循環(huán)工況中的轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗量的平均值進行對比，分別計算熱負荷加權(quán)系數(shù)A、載荷加權(quán)系數(shù)B和轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)C。

載荷加權(quán)系數(shù)B =扭矩（臺架循環(huán)工況平均值）/ 扭矩（整車循環(huán)工況平均值）

轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)C = 轉(zhuǎn)速（臺架循環(huán)工況平均值）/轉(zhuǎn)速（整車循環(huán)工況平均值）

圖3 整車功率平衡圖

熱負荷加權(quán)系數(shù)應(yīng)為同等條件下臺架循環(huán)工況的油耗量與整車循環(huán)工況的油耗量比值，因為整車循環(huán)的油耗單位為L/100Km，里面有里程的單位，所有選擇同等條件為單位里程內(nèi)。臺架循環(huán)的油耗量單位為kg/h，轉(zhuǎn)換為kg/km的單位需要了解循環(huán)工況對應(yīng)整車的車速。根據(jù)整車匹配的功率平衡圖中的功率和檔位找到對應(yīng)的車速，檔位按照經(jīng)驗選擇近似1:1的檔。

找到臺架工況對應(yīng)整車車速后，把臺架油耗量和整車循環(huán)油耗量轉(zhuǎn)化為相同單位，計算熱負荷加權(quán)系數(shù)。

熱負荷加權(quán)系數(shù)A= 油耗量（臺架循環(huán)工況平均值）/ 油耗量（整車循環(huán)工況平均值）

以上三個加權(quán)系數(shù)計算完成后，需要計算臺架循環(huán)工況和整車循環(huán)工況之間總的加權(quán)系數(shù)，稱為加速因子。熱負荷和機械負荷是同時作用的，所以是乘積關(guān)系；轉(zhuǎn)速和扭矩同屬于機械負荷，所有是和的關(guān)系，再根據(jù)循環(huán)自身加權(quán)系數(shù)為1。初步建立加速因子N公式如下：

N = A * (B+C-1)

加速因子計算完成后，發(fā)動機的行駛里程L與臺架運行時間T的關(guān)系：

L = T（臺架運行時間）*V(整車行駛平均車速)*N（加速因子）。

4 實例分析

某國五汽油發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速 5500轉(zhuǎn)/分鐘，額定功率120Kw，最大扭矩251Nm，在臺架上按照國標《GB T19055-2003汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》中規(guī)定的交變負荷試驗工況運行了800小時，主要5C運動件磨損正常，沒有發(fā)生失效，根據(jù)已經(jīng)建立臺架運行時間與整車行駛里程對應(yīng)關(guān)系，分析此款發(fā)動機在整車上的大修壽命。

根據(jù)臺架試驗過程中記錄的交變負荷的轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗量，通過積分計算平均值。如圖4所示。

平均轉(zhuǎn)速：4014轉(zhuǎn)/分鐘；

平均扭矩：201Nm；

平均循環(huán)油耗：26.3kg/h；

平均功率：4014*201/9550=84.5Kw；

根據(jù)功率平衡圖，對應(yīng)的車速為135Km/h。

圖4 某國五汽油機交變負荷工況表

整車循環(huán)采用油耗循環(huán)NEDC，通過轉(zhuǎn)轂測試NEDC循環(huán)的數(shù)據(jù)經(jīng)過積分計算平均值，如下：

平均轉(zhuǎn)速：1543轉(zhuǎn)/分鐘；

平均扭矩：25Nm；

平均油耗：9L/100Km；

平均車速：33.66Km/h；

汽油密度：0.74Kg/L；

循環(huán)時間：0.327h。

計算NEDC循環(huán)的單位油耗量：

9*0.74/100=0.0666Kg/Km。

計算臺架交變循環(huán)的單位油耗量：

26.3/135=0.194815 Kg/Km。

熱負荷加權(quán)系數(shù)A=0.194815/0.0666=2.93；

載荷加權(quán)系數(shù)B=201/25=8.04；

轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)C=4014/1543=2.60

加速因子N= A * (B+C-1)=2.93*（8.04+2.60-1）=28.25

根據(jù)發(fā)動機的行駛里程L與臺架運行時間T的關(guān)系：

L = T（臺架運行時間）*V(整車行駛平均車速)*N（加速因子）

= 800*33.66*28.25=760716Km。

通過換算，此款國五汽油機的臺架800小時交變負荷試驗對主要5C運動件的壽命考核相當于整車NEDC循環(huán)工況運行約76萬公里。

5 結(jié)束語

本文針對發(fā)動機主要5C運動件的疲勞失效方面，根據(jù)熱負荷和機械負荷等效的原則，建立起了臺架運行時間和整車行駛里程的對應(yīng)關(guān)系。并通過此對應(yīng)關(guān)系分析了某款國五汽油發(fā)動機的臺架交變負荷試驗 800小時對應(yīng)整車的壽命情況。此方法的等效原則雖然有一定的使用要求，僅能用于發(fā)動機主要運動件的疲勞失效方法，對于其他的發(fā)動機分析有一定的參考意義。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué).北京:機械工業(yè)出版社.

[2] GB T19055-2003汽車發(fā)動機可靠性試驗方法.

[3] GB T19233-2008輕型汽車燃料消耗量試驗方法.

[4] 黃海燕.汽車發(fā)動機試驗學(xué)教程.北京:清華大學(xué)出版社.

A study on Relationship Between Engine Platform Running Time And Driving Distance

Fan Wanyuan1, Song Changqing1, Xiang Xiaoye2
（1.Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601; 2.Anhui Jianghuai Navistar Diesel Engine Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The reliability of engine is mainly based on bench test, But bench test records is running time, It unable to directly respond to the driving distance, So that is necessary to convert running time into driving distance. In the range of fatigue life of the main moving parts, the equivalent principle of thermal load and mechanical load is adopted to build the relationship between running time and driving distance, And the example is illustrated.

Running Time; Driving Distance; Thermal Load; Mechanical Load; Equivalence

U461.4

A

1671-7988 (2017)21-166-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.057

CLC NO.: U461.4

A

1671-7988 (2017)21-166-03

范皖元，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心。