柳春林，陳春燕，梁振輝

基于整車不同開發(fā)階段的隨機載荷譜影響因素分析方法研究

柳春林，陳春燕，梁振輝

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

載荷譜是整車開發(fā)的主要數據支撐，實車載荷譜影響因素復雜，對其影響因素地分析非常重要。首先通過對多樣本分析，得到樣本離散性對載荷譜的影響。再以整車不同開發(fā)階段作為因素，尋找可作對比的載荷通道，用損傷比例、損傷范圍為基本參數，分析在離散因素下，不同階段對載荷的影響程度。結果表明：ET和PT載荷接近，PT和Mule載荷差異較大。說明ET和PT階段載荷無差異，PT和Mule階段差異較大，并提供了不同整車開發(fā)階段的影響程度數據，為載荷譜應用和汽車開發(fā)過程中的結構參數調整提供參考。

載荷譜；離散系數；整車開發(fā)階段；影響程度；損傷范圍；比例系數

前言

隨著中國汽車大環(huán)境的銷量下行，行業(yè)競爭愈趨白熱化。汽車可靠性和耐久性，這兩個決定用戶對品牌認可度的最直接參量顯得分量越來越重。汽車耐久試驗主要是道路試驗和室內臺架試驗，而整車的室內臺架試驗則以模擬道路載荷的道路模擬試驗為主，車輪載荷譜是道路模擬試驗基礎且必要的輸入。

載荷譜影響因素眾多，目前分析方法大多是基于單一因素法則，采用動力學方法[1]、有限元仿真[2]或試驗室方法[3]分析，缺少對真實環(huán)境和整車系統(tǒng)級的考核，而實車載荷受環(huán)境影響很大，且樣本具有較大離散性。依據實車載荷譜的載荷因素分析目前少有文獻。

1 背景及基本方法

1.1 背景

在整車開發(fā)早期即Mule（騾車）階段，車身和底盤都采用了大量的舊件、替代件和手工件，ET（工程樣車）階段整車結構件都得到了大量改善，但是仍然存在部分需考核的替代件，PT（工裝樣車）階段則全部更新為量產件。基于當前整車開發(fā)流程的思路，騾車數據作為ET開發(fā)的數學支撐，ET數據作為PT開發(fā)的數學支撐。而對于各開發(fā)階段的數據和下一階段的載荷數據差異，能否實際驗證下一整車開發(fā)階段的結構耐久，以及驗證結果的可靠性都需要進一步論證。

另一方面，由于試驗場的資源協(xié)調、設備的使用條件和費用等問題，車輪載荷譜采集的各方面投入都很大，且困難重重。而目前載荷譜的應用大多都是“一次性”，同一款車型采集一次，或者一個整車開發(fā)階段采集一次。同時實車載荷譜的采集影響因素錯綜復雜，不同整車條件下采集的結構載荷譜，數據結果千差萬別，很難預先了解載荷大小，對整車開發(fā)過程帶來很大不確定性。所以在這種情況下，對載荷差異大小的研究，把握不同條件下的載荷邊界，為載荷譜在不同整車開發(fā)階段的持續(xù)應用和整車開發(fā)成效提供數據支撐，也為結構耐久的開發(fā)方向和載荷譜的進一步有效應用提供很大參考價值。

1.2 載荷譜對比存在問題和本文對比方法介紹

車輛載荷譜是汽車結構所受載荷（力、扭矩、位移、速度、加速度等）隨時間變化的隨機歷程或載荷循環(huán)變化的特征統(tǒng)計。載荷譜影響因素眾多，不可避免有較大離散度，因此很難分析各因素對載荷譜的影響程度。試驗場載荷譜路面種類、載荷大小、測試時間差異很大，損傷計算公式指數級，使得損傷結果也呈指數級差別，另外載荷譜采集費用等原因，導致樣本量少、組內差異大、組間受離散性干擾嚴重，使得結果數據分析很難適用統(tǒng)計方法。

為了區(qū)分離散性和開發(fā)階段對載荷的影響，對載荷多樣本離散性和不同開發(fā)階段進行分析，比較兩者參數確定影響因素。以各樣本各路面損傷比值初步判斷離散的比例范圍，計算離散系數值作路面載荷數據離散范圍參考，再將多個樣本的損傷組合成損傷范圍，根據多路面的范圍趨勢判斷考慮離散對載荷的影響方向，并代入整個耐久循環(huán)次數計算影響程度。

1.3 損傷計算方法

疲勞損傷是指在循環(huán)載荷過程中的損傷累積。因為簡單方便且高效的原因，工程上應用最多的疲勞累積理論是Palm -gren-Minner線性疲勞損傷累積理論[4]。其計算方法：

其中，n是載荷譜統(tǒng)計S等級載荷的雨流循環(huán)數，N是SN曲線中載荷S對應的循環(huán)數。

在對載荷損傷計算應用中，大多不需要準確的損傷值，一般依據此公式選取固定參數計算偽損傷進行對比。

2 樣本量和工況分析

道路模擬試驗通過采集車輪載荷譜迭代整車結構載荷，車輪載荷譜由六分力傳感器采集，分別采集輪心位置縱向力、側向力、垂向力、翻轉力矩、滾動力矩和回正力矩。

為了增加載荷數據置信度，理論上載荷樣本越多，越真實全面反映道路載荷情況。結合試驗費用和試驗周期綜合考慮，一般采集同一個試驗車狀態(tài)下載荷數據3-5個樣本[5]，即表示試驗車采集樣本數據樣本代表性可以被工程接受。同樣，其離散度也被認為在合理范圍。

因素對載荷譜特征的分析，不可避免會受載荷譜本身離散性影響。為了考慮載荷離散性的前提下分析載荷特征，要先分析載荷本身的離散影響程度。采集Mule階段試驗車、ET階段試驗車、PT階段試驗車作為三個開發(fā)階段的載荷數據，樣本量各為3個。同時采集試驗車D單獨分析離散影響，離散性分析需要更高的樣本代表性，采集樣本量為5個。

表1 主損傷工況損傷占比

試驗在某試驗場進行，按順序和重復次數等效用戶道路16萬公里損傷。不同的路面工況考核不同方向載荷，如制動工況主要考核X向載荷，對Y向損傷貢獻很小；繞八字工況考核Y向載荷，對X向損傷貢獻很小，石塊路考核Z向載荷，同時對X向和Y向有較大損傷貢獻。為了減小后續(xù)數據分析困難，對所有工況路面核算其對總體損傷貢獻，各挑選總損傷占比80%以上的部分主工況，工況損傷占比：

其中，C是第個工況的循環(huán)次數。

3 離散性對比

3.1 離散樣本損傷比例系數對比

在試驗采集過程中，對載荷譜快速判斷樣本差異的方法是損傷比值對比，可直接用nCode軟件計算實現(xiàn)。這種方法簡單快捷，結果也很直觀，但數據的離散程度和樣本量差異對比例系數波動范圍干擾很大。如圖1是Z方向比例系數對比結果（篇幅有限，只展示Z方向圖例）。

X方向損傷比值主要在0.5-1.5，Y和Z方向損傷比值主要在0.8-1.2。X方向載荷集中趨勢最差，Y方向有部分路面工況集中趨勢差，Z方向集中趨勢最好。總體各樣本損傷差異在0.5-2倍以內，樣本組間不存在明顯大小趨勢變化，符合使用要求。

圖1 Z方向多樣本損傷比例系數對比

3.2 離散樣本損傷范圍對比

以離散性損傷范圍的均值為基礎，均值在范圍的浮動百分比表征離散對多樣本載荷損傷的影響。

X方向損傷范圍，主損傷工況中離散對搓板路和制動路影響最大，對整體影響40.5%。Y方向主損傷工況中離散對蛇形卵石影響最大，對整體影響26.2%。Z方向主損傷工況中離散對各路面影響都在10%-30%左右，對整體影響16%。

表2 離散對各主工況離散影響

3.3 離散系數的影響

在有限的樣本量情況下，可以根據離散系數是否在合理范圍，確定樣本數據與樣本總體關系，離散系數計算公式（3）：

從公式可以看出，方差二階變化，均值一階變化。在樣本量較少的情況下，樣本量越多，離散系數越小，最終趨于穩(wěn)定。所以在載荷譜樣本一般為3-5個時，離散系數會受樣本量的影響，樣本量為2時系數最大。為此可以以5個可靠樣本損傷最大值和最小值，計算2個樣本時的離散系數，以該系數作為其他樣本數據是否合理的依據。

4 不同整車開發(fā)階段對比

4.1 不同整車開發(fā)階段離散系數比較

對包含離散的因素對比有必要先分析其離散性是否在可行的離散范圍內，計算三個階段的離散系數與多樣本的離散系數對比，結果如下表：

表3 不同開發(fā)階段各工況離散系數

結果表明，三個階段的離散系數基本小于多樣本離散系數，個別路面數據離散系數相差不大，說明樣本數據的離散性滿足要求，可以做進一步損傷分析。

4.2 不同整車開發(fā)階段損傷比例對比

圖2 Z方向各路面工況損傷比例對比

以前輪載荷損傷為對象，計算損傷比例關系。圖2是Z向載荷比例關系曲線，從曲線看出，PT車和ET車損傷非常接近，Mule車損傷最小。X方向損傷PT>ET，其他穩(wěn)定工況損傷比值在0.6-1.2，主損傷工況制動因離散大差異很大。Y方向損傷PT>ET，其他穩(wěn)定工況損傷比值在0.5-1.2，八字工況離散度大。Z方向損傷ET >PT，比值在0.4-1.2左右。

4.3 不同整車開發(fā)階段損傷范圍對比

圖3是三個階段的Z方向損傷范圍對比示例，X方向，范圍PT和Mule無交集，和ET交集大，考慮隨機因素，損傷范圍明顯PT>Mule，ET接近PT，ET損傷離散性較大，ET和PT不存在明顯關系。Y方向，損傷范圍逐漸上升趨勢，因此考慮隨機因素和繞八字離散性問題，損傷關系PT>ET> Mule。Z方向，各主工況范圍ET>Mule，ET最大，PT其次，Mule最小，且范圍交集也較少。因此考慮隨機因素，損傷ET>PT>Mule。

以PT對比ET增加量、PT對比Mule增加量和樣本離散影響程度對比，PT對比ET的增加量在離散影響范圍內，PT對比Mule增加量則超過離散影響范圍。說明PT和ET載荷非常接近，更大程度受離散影響，不同整車開發(fā)階段對其損傷影響可忽略。而PT對Mule的增長量包含了離散的影響仍然很大程度增加。PT相對Mule開發(fā)階段綜合影響程度X方向為0.35，Y方向為0.48，Z方向為0.33。

圖3 Z方向各路面工況損傷范圍對比

圖4 開發(fā)階段和離散性對Z向載荷影響對比

5 結論

本文通過計算多樣本的離散因素影響，以損傷比例系數和損傷范圍趨勢為依據，對比整車不同開發(fā)階段對載荷的影響程度，總結了基于隨機載荷譜的影響因素分析方法。為載荷譜進一步有效應用提供參考。同時憑借對載荷的影響程度結果，為整車開發(fā)過程的結構設計調整提供方向。同時有如下結論：

（1）比例系數的結果可作為初步判斷依據，但結果會很大程度受離散影響。

（2）離散對X方向載荷損傷整體影響±40.5%；對Y方向載荷損傷整體影響±26.2%；對Z方向載荷損傷整體影響±16%。

（3）損傷比例系數分析X和Y方向載荷：PT>ET>Mule，Z方向載荷：ET>PT>Mule。損傷范圍分析表明PT和ET無明顯差異，主要受離散影響。PT>Mule，騾車排除離散影響后，整車開發(fā)階段影響較大，綜合影響載荷X方向為0.35，Y方向為0.48，Z方向為0.33。

[1] 何榮.概念開發(fā)階段汽車車輪動態(tài)載荷預測方法研究[D].長春:吉林大學,2014.

[2] 姜賀賀.路面沖擊下車輪動載特性研究[D].長春:吉林大學,2017.

[3] 郭孔輝,李寧,莊曄.輪胎側向力影響因素試驗[J].農業(yè)機械學報, 2011, 42(12):1-5.

[4] 李文禮,石曉輝,柯堅,等.關聯(lián)用戶的汽車傳動系載荷譜室內臺架試驗編制方法[J].機械工程學報, 50(20).

[5] 熊云亮,周楚毅,彭輝,等.計及駕駛員操作影響的試驗場載荷研究[J].汽車工程學報,2013,003(003):223-229.

Research on Analysis Method of Load Spectrum Influence Factors Based on Different Development Stages of Vehicle

Liu Chunlin, Chen Chunyan, Liang Zhenhui

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

The load spectrum is the main data support for vehicle development. The influencing factors of road load spectrum are complex, and analysis of its influencing factors is very important. First, through the analysis of multiple samples, the effect of sample dispersion on the load spectrum is obtained. Then take the different development stages of the vehicle development as a factor, look for channels that can be compared, and use the damage ratio and damage range as basic parameters to analyze the degree of influence for different stages on the load under discrete factors. The results show that ET and PT loads are close, and PT and Mule loads are quite different. It shows that there is no difference in the load between the ET and PT stages, the difference between the PT and Mule stages is large, and the data on the impact of different vehicle development stages are provided. At the same time, which provides a reference for the application of load spectrum and the adjustment of structural parameters in the process of automobile development.

Load spectrum; Discrete coefficient; Vehicle development stage;Degree of influence; Damage range; Scale factor

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.034

U467.1

B

1671-7988(2021)06-111-04

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柳春林，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院。