基于道路載荷譜的柴油機激勵分析和臺架試驗循環(huán)研究

冀樹德， 龔永星， 唐智， 張興剛， 郝冀雁， 高海濤

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

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基于道路載荷譜的柴油機激勵分析和臺架試驗循環(huán)研究

冀樹德， 龔永星， 唐智， 張興剛， 郝冀雁， 高海濤

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

基于車輛典型路面行駛產(chǎn)生的道路載荷譜，對發(fā)動機的典型運行工況和瞬態(tài)行為進行了分析和研究，構建了基于道路載荷的臺架運行循環(huán)。研究表明：1 500 r/min和1 600 r/min是車輛行駛過程中柴油機的常用轉速，其使用頻率遠高于其他轉速；轉速超過1 800 r/min時柴油機多數(shù)工作于滿負荷工況點；柴油機在1 400～1 800 r/min運行時主要集中在中高負荷工況，負荷百分比統(tǒng)計值高于60%；整個載荷時間歷程中，500～600 r/min幅度的轉速躍變比例高，且轉速最大躍變不會超過1 000 r/min。構建的臺架運行循環(huán)與實際道路載荷強度相似、轉速分布類似，能夠表征車輛行駛過程中柴油機的激勵狀態(tài)。

柴油機； 道路載荷譜； 激勵； 臺架試驗； 試驗循環(huán)

道路載荷真實反映了發(fā)動機裝車后的承載狀態(tài)，對其分析和研究已成為整車零部件疲勞損傷分析和壽命預測的重要方法。通常的做法是在車體關鍵部位布置應力、應變傳感器，并在石塊路、搓板路、砂石路等典型路面進行實車試驗，實時采集各測點的應力載荷數(shù)據(jù)，根據(jù)施加載荷與真實工作載荷功率譜相同的原則進行載荷譜編輯，并迭代轉換成軸或車輪施加的應力，采用道路模擬器對軸或車輪施加載荷進行疲勞加速試驗[1-11]。作為汽車的心臟，柴油機與車體行駛的路面不發(fā)生直接關系，但通過變速機構、轉向機構、變矩機構等又緊緊地聯(lián)系在一起。在車輛行駛過程中，駕駛員操作行為和路面形式對發(fā)動機運行載荷分配起著決定性作用。

道路載荷在車體方面的應用已較為廣泛，但在柴油機上的應用仍有限。柴油機激勵的主要表現(xiàn)形式為轉速和扭矩的輸出。本研究以某車輛在石塊路和砂石路上行駛過程中采集的柴油機轉速、齒桿位移、車速等參數(shù)為基礎，分析車輛整個行駛過程中柴油機的運行狀態(tài)和動作行為，構建柴油機工作載荷循環(huán)，以用于發(fā)動機整機和零部件的壽命分析。

1 總體概述

1.1 試驗發(fā)動機及測點布置

研究對象為某6缸增壓中冷柴油機，其主要技術參數(shù)見表1。

表1 柴油機技術參數(shù)

為了更加及時、準確地反映發(fā)動機的裝車運行狀態(tài)和激勵情況，在車體及發(fā)動機相關部位布置相應傳感器(見表2)。

表2 傳感器布置位置

1.2 道路載荷數(shù)據(jù)特征

車輛在石塊路、砂石路連續(xù)行駛2 500 s，通過CAN總線以10 Hz的頻率采集了轉速、齒桿位移等參數(shù)(見圖1)。由圖1知，柴油機最大使用轉速為2 226 r/min，最大齒桿位移為13.4 mm(忽略起動過程產(chǎn)生的最大齒桿位移，即229 s之前的數(shù)據(jù))。最大齒桿位移對應的功率為331 kW，達到柴油機標定輸出的92%。通過實測齒桿位移與臺架標定齒桿位移的關系，可確定車輛整個行駛過程中發(fā)動機最大輸出功率為356 kW，達到標定輸出的99%。

1.3 載荷激勵分析方法

發(fā)動機載荷分析流程見圖2。針對發(fā)動機裝車后在典型路面進行試驗獲取的道路載荷數(shù)據(jù)，首先通過同步處理使其數(shù)據(jù)點擁有相同的時間坐標，刪除發(fā)動機起動過程數(shù)據(jù)、非任務剖面數(shù)據(jù)和異常波動數(shù)據(jù)，重新按時間順序整理成基于時間坐標的道路載荷數(shù)據(jù)。然后分別進行穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況的分析。對于穩(wěn)態(tài)工況，首先對發(fā)動機轉速的使用頻次進行分析，并在使用頻率較高的轉速下進行載荷雨流計數(shù)分析。根據(jù)雨流計數(shù)的結果和載荷/轉速分布情況，將相同或相近或負荷接近的工況集成強化為一工況點，最終確定穩(wěn)態(tài)工況主要考核工況點。對于瞬態(tài)運行工況，對不同時間段的轉速變化梯度和梯度使用頻次進行分析，確定轉速變化幅度和變化始末點。按照轉速使用頻次進行以10 h為循環(huán)的時間比例分配，以瞬態(tài)運行工況為中心，以穩(wěn)態(tài)運行工況為調(diào)整，設計形成基于道路載荷的臺架試驗循環(huán)。

2 典型運行工況分析

就一次完整試驗任務獲取的道路載荷數(shù)據(jù)，對各個轉速在整個試驗過程中的出次頻度進行計數(shù)分析，并計算其所占百分比，結果見圖3。由圖3知，在整個道路載荷范圍內(nèi)，1 500 r/min和1 600 r/min是運行次數(shù)最多的兩個轉速，占所有轉速使用頻次的20%和22%，其次是1 400 r/min，1 700 r/min和1 800 r/min。另外，800 r/min的使用頻次也占較大比例，可推測在整個行駛過程中車輛回怠速行為比較頻繁或在怠速停留時間較長，這與圖1所示結果是一致的。700 r/min和2 200 r/min在整個轉速范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻次最小，是因為該柴油機怠速設計值為800 r/min，出現(xiàn)700 r/min可能是工況變換過程中的瞬時行為，而2 200 r/min出現(xiàn)的頻次小說明柴油機在實際使用過程中很少在標定轉速工作。

按照雨流計數(shù)方法對1 400～1 800 r/min轉速范圍內(nèi)負荷分布情況進行分析，結果見表3(只記錄循環(huán)數(shù)不為0的情況)。由表3可知，柴油機在1 400 r/min時負荷分布范圍為40%～100%，1 500～1 800 r/min轉速范圍內(nèi)負荷相對集中，其中1 600～1 800 r/min轉速主要以60%以上負荷分布為主。對各個轉速下負荷分布加權分析可知，1 400～1 800 r/min轉速范圍內(nèi)負荷當量集中區(qū)域為中高負荷區(qū)域，以1 400 r/min，1 700 r/min和1 800 r/min轉速的100%負荷為柴油機承受最大強度載荷。

表3 1 400～1 800 r/min負荷分布情況(以循環(huán)數(shù)計)

按照“時間等效、載荷等效、梯度分得開、向高負荷工況靠近”的原則，結合負荷在各轉速下的分布情況，可對工況點進行集成或強化。1 400 r/min轉速下的負荷分布相對分散，可結合其加權結果、1 500 r/min負荷分布以及載荷相近程度,集成1 400 r/min下全部工況與1 500 r/min的50%和60%工況至1 500 r/min的60%負荷工況，將時間分布作相應等效轉化(見表3和圖4)。1 500～1 700 r/min轉速范圍內(nèi)相近的負荷工況主要有1 500 r/min下70%負荷工況、1 600 r/min下60%，70%，80%負荷工況以及1 700 r/min下60%，70%，80%負荷工況，其中間工況相當于1 600 r/min下70%負荷工況，該工況與其他工況功率的最大差值為40 kW，因為轉速和負荷相近，可將這些工況集成到1 600 r/min下70%負荷工況。1 700 r/min在整個車輛行駛過程中使用頻次較高，其100%負荷工況又占一定的比例，因此保留其作為典型工況。1 800 r/min下負荷主要在60%以上，分布相對平均，取加權值75%作為典型工況。

綜合上述分析，1 500 r/min下60%負荷工況、1 600 r/min下70%負荷工況、1 700 r/min下100%負荷工況及1 800 r/min下75%負荷工況可作為1 400～1 800 r/min轉速范圍內(nèi)車輛行駛中的柴油機典型工況。

對于1 800 r/min以上的負荷分布，由于車輛行駛過程中該范圍內(nèi)的轉速使用頻次較少，負荷分布較少，可直接進行負荷分布分析(見圖5)。由圖5知，1 900～2 200 r/min轉速范圍內(nèi)，負荷主要集中在對應轉速的100%負荷工況，所占比例高達70%。由此可見，該車輛行駛中超過1 800 r/min時柴油機基本上是滿負荷工作。綜合考慮載荷接近程度和柴油機100%負荷的工作特征，可將1 900～2 100 r/min下100%負荷工況和2 200 r/min下90%和100%負荷工況集成至標定工況。1 900～2 200 r/min的其他部分負荷工況，負荷強度相對較低，在各個轉速下的最大占比不超過20%，可將其集成至1 800 r/min下75%負荷工況。

綜上所述，通過對柴油機在道路載荷歷程中轉速和負荷分布進行分析，并考慮怠速轉速使用分布，形成表4所示的柴油機典型運行工況。

表4 柴油機典型工況

3 瞬態(tài)行為研究

假設駕駛員行為或路面變化導致柴油機轉速變化的響應時間不超過10 s，對整個載荷時間歷程的轉速躍變情況進行分析。以柴油機轉速躍變梯度為特征，分析0～5 s響應時間段內(nèi)的柴油機躍變能力(見圖6)。由圖6可見，響應時間大于4 s時，無論是駕駛員行為還是道況變化或是其他行為導致柴油機轉速躍變的極限梯度已穩(wěn)定，不再增加，因此，0～5 s響應時間段的轉速躍變可代表整個載荷時間歷程的轉速躍變能力特征。圖6中轉速躍變的極限值發(fā)生4～5 s內(nèi)，小于1 000 r/min。對于0～5 s內(nèi)柴油機的轉速躍變，按照100 r/min的轉速間隔進行躍變頻次的分析(見圖7)。由圖7可見，以500～600 r/min躍變區(qū)間的頻次最高，而大于900 r/min的轉速躍變頻次幾乎接近于0；整個時間段內(nèi)，隨響應時間延長，躍變頻次增加。

對0～5 s響應時間段內(nèi)柴油機轉速躍變的起點和終點進行分析，結果見圖8至圖10。從整個轉速躍變情況來看，一部分是從低轉速向中高轉速的躍變，另一部分是從中高轉速向低轉速的躍變，還有很小的一部分是從中高轉速向近標定轉速或近標定轉速向中高轉速的躍變。在低轉速向中高轉速躍變中，低轉速多分布在怠速轉速附近，以700 r/min，800 r/min和900 r/min分布占多數(shù)。從中高轉速向低轉速的躍變中轉速多低于1 800 r/min，其中以低于1 600 r/min開始的從高到低的躍變占多數(shù)。在700～800 r/min的轉速躍變區(qū)間內(nèi)，從中高轉速向低轉速的躍變近90%。中高轉速與近標定轉速間的躍變以由低向高的躍變?yōu)橹?，但躍變頻次有限，躍變始點多以1 500 r/min左右轉速為主，終點接近標定轉速。綜合考慮躍變幅度和躍變起點，可將整個載荷時間歷程中柴油機轉速瞬態(tài)變化歸結為800 r/min?1 600 r/min和1 500 r/min?2 200 r/min兩種躍變，其中以800 r/min?1 600 r/min占多數(shù)。

4 臺架運行循環(huán)的形成

通過對柴油機典型運行工況的分析和對瞬態(tài)行為的研究，車輛整個道路載荷歷程中柴油機動作行為就可用典型運行工況和瞬態(tài)過程表征。以10 h為一循環(huán)，以瞬態(tài)變化為中心，典型運行工況適當穿插，并結合不同工況在整個載荷時間歷程所占比例構成新的柴油機運行循環(huán)(見圖11)。其中前100 min內(nèi)的怠速→標定工況→1 500 r/mim部分負荷表征了1 500 r/min?2 200 r/min的瞬態(tài)行為，300～360 min的工況表征了800 r/min?1 600 r/min的瞬態(tài)行為。怠速→標定工況→1 500 r/mim的轉速躍變幅度大于或接近700 r/min的躍變行為，可以代表1 500 r/min?2 200 r/min的瞬態(tài)行為。

5 循環(huán)工況分析和比較

在整個臺架運行循環(huán)中，1 500 r/min下60%負荷工況、1 600 r/min下70%負荷工況以及1 800 r/min下75%負荷工況為主要成分，這與第2章中的分析結果是一致的(見圖12)。按照文獻1中提供的方法，可計算出載荷時間歷程中統(tǒng)計的平均載荷為190 kW，最大載荷為356 kW，而構建的臺架運行循環(huán)統(tǒng)計的平均載荷為210 kW，最大載荷為360 kW，與道路載荷強度相似，強化因子約為1.1。道路載荷統(tǒng)計的柴油機最高轉速為2 226 r/min，而臺架運行循環(huán)的最高轉速為2 200 r/min，考慮實際道路運行過程中的轉速波動性，二者是接近的，可以用臺架標定轉速來表征道路載荷的最高轉速。臺架運行循環(huán)的轉速因子為255 km/循環(huán)，平均小時當量里程為25.5 km，與40 min車輛行駛產(chǎn)生道路載荷的16 km里程也是相似的。以1 000 h試驗為例，臺架運行循環(huán)相當于車輛28 050 km的行駛里程。因此，道路載荷的當量試驗運行循環(huán)可用于柴油機零部件疲勞損傷和壽命分析。

6 結論

a) 通過柴油機轉速的使用行為分析可知，1 500 r/min和1 600 r/min為該車輛行駛過程中柴油機的常用轉速；

b) 對轉速大于1 800 r/min時的負荷進行分析可知，滿齒桿全負荷運行成為柴油機高速運轉的主要特征；

c) 在1 400～1 800 r/min的運轉區(qū)間內(nèi)，柴油機主要工作在負荷約60%的工況；

d) 柴油機瞬態(tài)行為中，500～600 r/min的轉速瞬變?yōu)槌B(tài)，而大于1 000 r/min的轉速瞬變幾乎不存在；

e) 構建的柴油機臺架運行循環(huán)與實際道路載荷相比，載荷強度相似，高使用頻次的轉速分布相似，能夠代表柴油機裝車后道路行駛過程，可用于柴油機零部件的疲勞分析和壽命研究。

[1] Andreas Kusters,Franz Maassen.Specific Durability Testing with FEV Master Program[C]．SAE Paper 2010-01-0922.

[2] Andrzej Niewczas,Graegorz Koszalka.Method of Accelerated Evaluation of Automotive Engine Durability[C]．SAE Paper 2002-01-0337.

[3] 錢立軍，吳道俊，楊年炯，等.基于室內(nèi)道路模擬技術的整車加速耐久性試驗的研究[J]．汽車工程，2011，33(2)：91-96.

[4] Saraf M R,Raju S.Concept of Accelearted Durability Evaluation in Vehicle Development[C]．SAE Paper 990043,1999.

[5] 冀樹德，張興剛，孫學東，等.基于相關系數(shù)法的柴油機動態(tài)特征提取[J]．汽車技術，2014(12)：18-21.

[6] Dodds.Laboratary Road Simulation for Full Vehicle Testing: A Review[C]．SAE Paper 2001-26-0047.

[7] Thomas Resch.Analysis of Engine Dynamics Under Transient Run-up Conditions[C]．SAE Paper 2004-04-1454.

[8] Shinde V V,Prashant R Pawar,Ameen Shaikh,et al.Geneartion of India Specific Vehicle Wheel Load Spectrum and its Applications for Vehicle Development[C]．SAE Paper 2013-26-0156.

[9] 劉再生，霍福祥，楊立峰，等.基于路譜輸入的汽車臺架耐久性試驗方法研究[J]．汽車技術，2010(9)：47-50.

[10] 王正.車用發(fā)動機可靠性技術發(fā)展研究[J]．車用發(fā)動機，2010(5)：1-6.

[11] 常麗，杜憲峰.基于虛擬樣機的柴油機機體結構傳遞特性分析[J]．車用發(fā)動機，2014(3)：66-70.

[編輯： 袁曉燕]

Excitation Analysis and Test Cycle Design of Diesel Engine Based on Road Load Spectrum

JI Shude, GONG Yongxing, TANG Zhi, ZHANG Xinggang, HAO Jiyan, GAO Haitao

(China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China)

The typical working conditions and transient behavior were analyzed and studied based on the load history of typical road and the bench test cycle was constructed. The results showed that 1 500 r/min and 1 600 r/min were used frequently during the driving of vehicle and their used number was higher than that of other speeds. The driving behavior beyond 1 800 r/min made diesel engine run at full loads in most cases. At the range from 1 400 r/min to 1 800 r/min，diesel engine mainly operated in medium and high load conditions and statistic value of load percentage was beyond 60%. The speed jumps between 500 r/min and 600r/min dominated in the whole history of load and the maximum jump of speed was smaller than 1000r/min. The load strength of built test cycle and the speed distribution was similar to that of actual load history, which could represent the excitation status of diesel engine during the driving of vehicle.

diesel engine; road load spectrum; excitation; bench test; test cycle

2015-02-10；

2015-07-06

冀樹德(1979—)，男，副研究員，碩士，主要研究方向為柴油機試驗設計與測試方法；shudianer@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.007

TK427

B

1001-2222(2015)06-0033-06