李安民 周志明 林文干

摘? 要：根據(jù)客戶調(diào)研結(jié)果，實測用戶道路載荷譜和試驗場道路載荷譜，用nCode GlyphWorks軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。通過對軸頭加速度、軸頭位移以及板簧應變的損傷計算，確定出基于軸頭位移進行試驗場路面與用戶路面的當量關(guān)系計算。最后通過對數(shù)據(jù)的雨流計數(shù)分布以及頻域損傷譜的分析，進一步驗證了所計算當量關(guān)系的準確性以及適用性，為在試驗場進行整車路面負荷可靠性快速驗證提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：路面載荷譜；當量關(guān)系；整車可靠性試驗；頻域損傷譜

中圖分類號：U467.5? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）06-0077-05

Calculation of Equivalent Relationship Between Proving Ground and Real Road

LI An-min， ZHOU Zhi-ming， LIN Wen-gan

（Commercial Product R&D Institute， Dongfeng Automobile

Co.， Ltd.， Xiangyang 430000， China）

Abstract： According to the customer survey results， loading data were measured in proving ground and real road respectively， and the data were processed and analyzed with nCode GlyphWorks. Through the damage calculation of the axle head acceleration， displacement and leaf spring strain， the equivalent relationship between proving ground and real road is determined based on the axle head displacement. Finally， the accuracy and applicability of the calculated equivalence relationship are further verified by analyzing the rain flow counting distribution and fatigue damage spectrum of the data， which provides a theoretical basis for the rapid verification of vehicle road load reliability in proving ground.

Key Words： loading spectrum; equivalent relation; vehicle reliability test; fatigue damage spectrum

1? ? ?引言

在汽車開發(fā)階段，試驗場驗證作為最后一道考核和檢驗手段具有舉足輕重的地位。試驗場驗證通常采用不超過用戶道路載荷的最大值，對車輛進行快速可靠性驗證。如果車輛通過試驗場的驗證說明設計的產(chǎn)品是合格的，如果車輛未通過試驗場的考核，說明產(chǎn)品存在欠設計，如果車輛強度遠大于試驗場的驗證強度，則說明產(chǎn)品屬于過設計，使得車輛在市場上欠缺一定的經(jīng)濟性和競爭力。因此找到合適強度的試驗場驗證方法是我們可靠性驗證工作中一項重要工作[1]。

若將用戶道路和試驗場組合道路的載荷譜采集下來，通過名義損傷強度和頻率分布對比，就可以在試驗場比較準確的復現(xiàn)用戶道路的載荷，從而達到對產(chǎn)品加速考核的目的。在對用戶道路和試驗場道路對比分析時，當前國內(nèi)一些主機廠和科研機構(gòu)也進行了一些研究。陳孟春等[2]采用車身及發(fā)動機懸置應變來計算某越野車在定遠試驗場和襄陽試驗場的當量關(guān)系；吳建國等[3]采用后橋軸頭的垂向力、縱向力和測向力信號進行了用戶道路譜與試驗場道路譜的載荷當量等效模擬研究；王萬英等[4]采用車橋軸頭和車身加速度對用戶道路和試驗場道路的關(guān)聯(lián)分析。

然而直接以加速度數(shù)據(jù)作為“名義應力”直接反映損傷量的大小有一定誤差，因此本文通過將加速度信號轉(zhuǎn)化為位移信號，根據(jù)位移信號進行損傷計算的方法，得到了某車型的用戶道路和試驗場道路的當量關(guān)系，并通過雨流分布和板簧應變信號損傷計算得到的當量關(guān)系對計算結(jié)果進行了驗證。對利用軸頭加速度信號快速計算兩種不同路面的載荷關(guān)系具有一定的借鑒意義。

2? ? 用戶關(guān)聯(lián)試驗技術(shù)說明

2.1? ?名義損傷概念

在計算損傷時我們通常用實測的應力或者應變通過設定的應力S-N曲線與應變ε-N曲線進行計算，這種方式得到損傷是零部件的真實損傷。但在測試時，應變的測量一般需要打磨部件，而有些零部件由于其本身的狀態(tài)、位置及空間等因素的影響，很難測試其實際應力的大小。因此在實際工程中，有時會采集加速度、位移、力、力矩等信號，將他們統(tǒng)稱為“名義應力”，然后根據(jù)預設的S-N曲線，計算出這些“名義應力”產(chǎn)生的損傷值，就稱為“名義損傷”。

2.2? ?載荷譜關(guān)聯(lián)技術(shù)

要使用戶道路與試驗場道路具有很強的關(guān)聯(lián)性，其目的是為了使用戶道路路面對輪胎的激勵與試驗場道路對輪胎的激勵盡量達到一致。此外，汽車簧上部分的載荷大多是通過板簧懸架傳遞的，因此數(shù)據(jù)采集位置選擇前后橋軸頭以及板簧、車架等位置。將測得的數(shù)據(jù)進行處理計算，然后通過調(diào)整試車場道路中各路段的組合以及試驗場與用戶道路的當量關(guān)系，使兩者各通道的名義損傷和雨流計數(shù)結(jié)果滿足下式：

Ai×ni =Bi

式中，ni為用戶道路與試驗場道路的當量關(guān)系，Ai為用戶道路各通道名義損傷或雨流計數(shù)載荷范圍，Bi為試驗場道路各通道的名義損傷或雨流計數(shù)載荷范圍。

3? ? 路面載荷譜采集

3.1? ?確定測試路面

由于汽車的使用范圍很廣，用戶通常使用的載荷大小和路面情況以及駕駛習慣不能確定，因此需要在全國范圍內(nèi)選擇幾處比較有代表性的地區(qū)進行調(diào)研，調(diào)研的結(jié)果如下所示：

1、用戶的目標行駛里程為30萬公里，年平均行駛里程在37000公里；

2、車輛行駛速度主要在55-70km/h，加載狀況主要有空載、半載、滿載超載四種狀態(tài)；

3、各道路占比主要有：城市道路占比72%，國道/省道占比18%，高速占比9%，山區(qū)道路占比1%。

具體30萬公里的載荷和里程分配如表1所示。

3.2? ?確定數(shù)據(jù)采集點

根據(jù)前文所述，選擇軸頭和板簧位置作為當量關(guān)系計算的測點，分別測試軸頭車架加速度、板簧應變作為計算的基本數(shù)據(jù)，共12個測點，13個通道，具體如表2所示。試驗車輛符合其技術(shù)要求標準，數(shù)采設備采用eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用nCode GlyphWorks軟件進行數(shù)據(jù)的處理和分析。

3.3? ?路譜采集

試驗場選用襄陽試車場，選擇石塊路、綜合路以及二環(huán)路等總共12.5公里作為試驗場的采集路面。用戶道路選擇襄陽市區(qū)內(nèi)的道路、襄陽周邊的國道、襄陽至?？蹈咚俾范我约氨？稻硟?nèi)的山區(qū)道路作為用戶目標道路。將車輛在測試前根據(jù)調(diào)研的載荷分配進行配重，且為避免不同駕駛員的駕駛習慣，使得測試的數(shù)據(jù)具有一定的代表性，使用3名司機，每位司機分別在相同的道路采集3次，每種載荷每種路況總共測得9組試驗數(shù)據(jù)，選擇其中一組數(shù)據(jù)進行當量關(guān)系計算。

4? ? 當量關(guān)系計算

4.1? ?載荷數(shù)據(jù)預處理

采集到的路譜數(shù)據(jù)一般具有毛刺、趨勢項等缺陷存在，需要對載荷數(shù)據(jù)進行預處理。利用GlyphWorks軟件對數(shù)據(jù)進行處理，消除異常信號，試車場的某一段路處理后數(shù)據(jù)如圖1所示。利用板簧板簧應變信號對不同路面的9組數(shù)據(jù)分別進行損傷計算，形成9×4的損傷向量，然后選擇損傷值在中間的那一組數(shù)據(jù)，即存活率為50%的數(shù)據(jù)。將對應采集次數(shù)的軸頭加速度進行兩次積分，求出其位移數(shù)據(jù)，再分別根據(jù)軸頭加速度和位移計算出的不同道路的單位公里損傷量，與板簧應變計算出的結(jié)果進行對比。

4.2? ?損傷比計算及驗證

首先以滿載數(shù)據(jù)為例，將采集到的用戶道路中不同類型路面的軸頭加速度信號進行雨流計數(shù)（From-To），然后分別外推到表1中滿載所對應的里程，再進行疊加即可得到滿載工況所對應的雨流矩陣，用同樣的方法將試驗場道路的軸頭加速度雨流矩陣外推到與用戶道路相同里程，根據(jù)外推后的雨流矩陣分別計算出用戶道路和試驗場道路的名義損傷，根據(jù)兩者之間的關(guān)系，計算出的當量關(guān)系為6。然后將加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次積分轉(zhuǎn)化為位移，根據(jù)位移數(shù)據(jù)重復上述過程，計算的當量關(guān)系為24。由于這兩種方式的計算結(jié)果相差較大，因此與根據(jù)整車板簧應變數(shù)據(jù)進行計算的當量關(guān)系進行比較分析，選擇比較合理的計算方式。根據(jù)應變數(shù)據(jù)計算的用戶道路與試驗場的當量關(guān)系為28。比較上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)位移計算結(jié)果與應變計算結(jié)果比較接近，并經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在較好的路面上，由于車輛速度較快，造成的軸頭振動加速度較大，但振動頻率較高，對車輛造成的實際損傷比較小，因此直接以軸頭加速度作為“名義應力”進行損傷計算具有較大的誤差，將軸頭加速度進行兩次積分得到位移，能夠比較準確的反映損傷的大小。而對于選擇板簧應變或者軸頭位移作為基礎數(shù)據(jù)進行計算，主要是軸頭位置更靠近輪胎，更加能夠準確的代表路面的負荷強度，因此選擇軸頭數(shù)據(jù)進行計算市場與試驗場的當量關(guān)系。

對空載、半載、滿載以及超載載荷，根據(jù)軸頭位移數(shù)據(jù)分別進行試驗場和市場道路的損傷計算，然后根據(jù)計算結(jié)果，調(diào)整試驗場各路段的占比，形成新的試驗規(guī)范，計算出不同載荷的損傷比如圖2所示。根據(jù)結(jié)果可以看出，損傷比基本在1附近，所有損傷比的均值為1.02，說明新的試驗規(guī)范所定義的當量關(guān)系是較為準確的。下面分別在通過軸頭位移以及車架端位移的雨流分布進行驗證，查看載荷數(shù)量及大小分布是否合理[5]。

根據(jù)所計算的當量關(guān)系選取車架端數(shù)據(jù)進行雨流計數(shù)，結(jié)果如圖3所示。將車架端加速度進行二次積分得到其位移數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，無論軸頭位置還是車架位置，試驗場與用戶道路的路面載荷譜大小分布基本比較一致，試車場并沒有存在遠大于路面的載荷。因此，在損傷量相等的情況下，試驗場路面能夠較好的復現(xiàn)用戶道路的路面負荷，完成整車的路面可靠性試驗。

此外，通過頻域疲勞損傷譜[6]來進行驗證市場道路與試驗場道路在各頻率下?lián)p傷值的大小。頻域損傷譜（Fatigue Damage Spectrum，F(xiàn)DS）是用來衡量結(jié)構(gòu)在路面激勵作用下不同頻率下的損傷量。其計算方式為在一定的固有頻率下，應用單自由度傳遞函數(shù)來過濾加速度數(shù)據(jù)，并同時將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位移數(shù)據(jù)，再進行疲勞損傷計算，從1Hz開始，以步長為1Hz逐步增加單自由度系統(tǒng)的固有頻率，將得到的數(shù)據(jù)作為“名義應力”即可獲得各頻率下的損傷量。以固有頻率為橫坐標，疲勞損傷為縱坐標繪制出車輛的頻率疲勞損傷譜。將滿載軸頭垂向加速度數(shù)據(jù)進行上述過程，計算出其四個軸頭的頻率損傷譜，如圖4所示。從圖中可看出，左前、右前、左后和右后軸頭位置的加速度頻域損傷譜分布在試驗場和用戶道路上較為一致，均在0.5-2Hz，10-15H內(nèi)損傷較大。

5? ? 結(jié)論

本文根據(jù)客戶調(diào)研結(jié)果，根據(jù)實測的用戶道路載荷譜和試驗場道路載荷譜，通過對軸頭加速度、軸頭位移以及板簧應變的損傷計算，確定出基于軸頭位移進行試車場路面與用戶路面的當量關(guān)系計算。最后通過不同載荷狀態(tài)下的軸頭位置損傷比、雨流計數(shù)分布以及軸頭位置的頻域損傷譜，進一步驗證了所計算當量關(guān)系的有效性以及適用性，為整車的路面負荷可靠性快速驗證提供了一定的理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]門玉琢，李顯生，于海波. 與用戶相關(guān)的汽車可靠性試驗新方法[J]. 機械工程學報，2008，44（2）：7.

[2]陳孟春，熊恭祥. 試驗場道路當量關(guān)系研究[J]. 汽車科技， 2008（z1）：4.

[3]吳建國，周鋐，陳棟華，等. 目標用戶道路譜與試驗場道路譜的載荷當量等效模擬研究[J]. 汽車技術(shù)，2007（7）：4.

[4]王萬英，吳順洪，唐北平，等. 試驗場道路與用戶道路的當量關(guān)系研究[J]. 重慶理工大學學報：自然科學，2010（12）：5.

[5]王霄鋒. 汽車可靠性工程基礎[M]. 清華大學出版社，2007.

[6]鄧鑫. 整車四通道快速模擬試驗加載譜編制方法研究[D]. 上海理工大學.

專家推薦語

陳孟春

國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（湖北）

副總工程師? 研究員級高級工程師

應用nCode GlyphWorks軟件，對實測用戶道路載荷譜和試驗場道路載荷譜進行疲勞偽損傷計算，以及頻域損傷譜分析，計算試驗場載荷與用戶實際使用載荷當量關(guān)系，為在試驗場進行整車可靠性快速驗證提供依據(jù)。