某輕型車用戶道路與試驗(yàn)場(chǎng)道路當(dāng)量關(guān)系計(jì)算

李安民 周志明 林文干

摘? 要：根據(jù)客戶調(diào)研結(jié)果，實(shí)測(cè)用戶道路載荷譜和試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜，用nCode GlyphWorks軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。通過(guò)對(duì)軸頭加速度、軸頭位移以及板簧應(yīng)變的損傷計(jì)算，確定出基于軸頭位移進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)路面與用戶路面的當(dāng)量關(guān)系計(jì)算。最后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的雨流計(jì)數(shù)分布以及頻域損傷譜的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了所計(jì)算當(dāng)量關(guān)系的準(zhǔn)確性以及適用性，為在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行整車路面負(fù)荷可靠性快速驗(yàn)證提供了一定的理論依據(jù)。

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

中圖分類號(hào)：U467.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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(kāi)發(fā)階段，試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證作為最后一道考核和檢驗(yàn)手段具有舉足輕重的地位。試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證通常采用不超過(guò)用戶道路載荷的最大值，對(duì)車輛進(jìn)行快速可靠性驗(yàn)證。如果車輛通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)的驗(yàn)證說(shuō)明設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是合格的，如果車輛未通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)的考核，說(shuō)明產(chǎn)品存在欠設(shè)計(jì)，如果車輛強(qiáng)度遠(yuǎn)大于試驗(yàn)場(chǎng)的驗(yàn)證強(qiáng)度，則說(shuō)明產(chǎn)品屬于過(guò)設(shè)計(jì)，使得車輛在市場(chǎng)上欠缺一定的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。因此找到合適強(qiáng)度的試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證方法是我們可靠性驗(yàn)證工作中一項(xiàng)重要工作[1]。

若將用戶道路和試驗(yàn)場(chǎng)組合道路的載荷譜采集下來(lái)，通過(guò)名義損傷強(qiáng)度和頻率分布對(duì)比，就可以在試驗(yàn)場(chǎng)比較準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)用戶道路的載荷，從而達(dá)到對(duì)產(chǎn)品加速考核的目的。在對(duì)用戶道路和試驗(yàn)場(chǎng)道路對(duì)比分析時(shí)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)一些主機(jī)廠和科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了一些研究。陳孟春等[2]采用車身及發(fā)動(dòng)機(jī)懸置應(yīng)變來(lái)計(jì)算某越野車在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)和襄陽(yáng)試驗(yàn)場(chǎng)的當(dāng)量關(guān)系；吳建國(guó)等[3]采用后橋軸頭的垂向力、縱向力和測(cè)向力信號(hào)進(jìn)行了用戶道路譜與試驗(yàn)場(chǎng)道路譜的載荷當(dāng)量等效模擬研究；王萬(wàn)英等[4]采用車橋軸頭和車身加速度對(duì)用戶道路和試驗(yàn)場(chǎng)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(yīng)力”直接反映損傷量的大小有一定誤差，因此本文通過(guò)將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)，根據(jù)位移信號(hào)進(jìn)行損傷計(jì)算的方法，得到了某車型的用戶道路和試驗(yàn)場(chǎng)道路的當(dāng)量關(guān)系，并通過(guò)雨流分布和板簧應(yīng)變信號(hào)損傷計(jì)算得到的當(dāng)量關(guān)系對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)利用軸頭加速度信號(hào)快速計(jì)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(yàn)技術(shù)說(shuō)明

2.1? ?名義損傷概念

在計(jì)算損傷時(shí)我們通常用實(shí)測(cè)的應(yīng)力或者應(yīng)變通過(guò)設(shè)定的應(yīng)力S-N曲線與應(yīng)變?chǔ)?N曲線進(jìn)行計(jì)算，這種方式得到損傷是零部件的真實(shí)損傷。但在測(cè)試時(shí)，應(yīng)變的測(cè)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(cè)試其實(shí)際應(yīng)力的大小。因此在實(shí)際工程中，有時(shí)會(huì)采集加速度、位移、力、力矩等信號(hào)，將他們統(tǒng)稱為“名義應(yīng)力”，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的S-N曲線，計(jì)算出這些“名義應(yīng)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(yàn)場(chǎng)道路具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，其目的是為了使用戶道路路面對(duì)輪胎的激勵(lì)與試驗(yàn)場(chǎng)道路對(duì)輪胎的激勵(lì)盡量達(dá)到一致。此外，汽車簧上部分的載荷大多是通過(guò)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(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，然后通過(guò)調(diào)整試車場(chǎng)道路中各路段的組合以及試驗(yàn)場(chǎng)與用戶道路的當(dāng)量關(guān)系，使兩者各通道的名義損傷和雨流計(jì)數(shù)結(jié)果滿足下式：

Ai×ni =Bi

式中，ni為用戶道路與試驗(yàn)場(chǎng)道路的當(dāng)量關(guān)系，Ai為用戶道路各通道名義損傷或雨流計(jì)數(shù)載荷范圍，Bi為試驗(yàn)場(chǎng)道路各通道的名義損傷或雨流計(jì)數(shù)載荷范圍。

3? ? 路面載荷譜采集

3.1? ?確定測(cè)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(xí)慣不能確定，因此需要在全國(guó)范圍內(nèi)選擇幾處比較有代表性的地區(qū)進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研的結(jié)果如下所示：

1、用戶的目標(biāo)行駛里程為30萬(wàn)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(guó)道/省道占比18%，高速占比9%，山區(qū)道路占比1%。

具體30萬(wàn)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(diǎn)

根據(jù)前文所述，選擇軸頭和板簧位置作為當(dāng)量關(guān)系計(jì)算的測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試軸頭車架加速度、板簧應(yīng)變作為計(jì)算的基本數(shù)據(jù)，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，13個(gè)通道，具體如表2所示。試驗(yàn)車輛符合其技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)采設(shè)備采用eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用nCode GlyphWorks軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。

3.3? ?路譜采集

試驗(yàn)場(chǎng)選用襄陽(yáng)試車場(chǎng)，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(yàn)場(chǎng)的采集路面。用戶道路選擇襄陽(yáng)市區(qū)內(nèi)的道路、襄陽(yáng)周邊的國(guó)道、襄陽(yáng)至保康高速路段以及?？稻硟?nèi)的山區(qū)道路作為用戶目標(biāo)道路。將車輛在測(cè)試前根據(jù)調(diào)研的載荷分配進(jìn)行配重，且為避免不同駕駛員的駕駛習(xí)慣，使得測(cè)試的數(shù)據(jù)具有一定的代表性，使用3名司機(jī)，每位司機(jī)分別在相同的道路采集3次，每種載荷每種路況總共測(cè)得9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行當(dāng)量關(guān)系計(jì)算。

4? ? 當(dāng)量關(guān)系計(jì)算

4.1? ?載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理

采集到的路譜數(shù)據(jù)一般具有毛刺、趨勢(shì)項(xiàng)等缺陷存在，需要對(duì)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。利用GlyphWorks軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除異常信號(hào)，試車場(chǎng)的某一段路處理后數(shù)據(jù)如圖1所示。利用板簧板簧應(yīng)變信號(hào)對(duì)不同路面的9組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行損傷計(jì)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(duì)應(yīng)采集次數(shù)的軸頭加速度進(jìn)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(jì)算出的不同道路的單位公里損傷量，與板簧應(yīng)變計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.2? ?損傷比計(jì)算及驗(yàn)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(hào)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)（From-To），然后分別外推到表1中滿載所對(duì)應(yīng)的里程，再進(jìn)行疊加即可得到滿載工況所對(duì)應(yīng)的雨流矩陣，用同樣的方法將試驗(yàn)場(chǎng)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(jì)算出用戶道路和試驗(yàn)場(chǎng)道路的名義損傷，根據(jù)兩者之間的關(guān)系，計(jì)算出的當(dāng)量關(guān)系為6。然后將加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)兩次積分轉(zhuǎn)化為位移，根據(jù)位移數(shù)據(jù)重復(fù)上述過(guò)程，計(jì)算的當(dāng)量關(guān)系為24。由于這兩種方式的計(jì)算結(jié)果相差較大，因此與根據(jù)整車板簧應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的當(dāng)量關(guān)系進(jìn)行比較分析，選擇比較合理的計(jì)算方式。根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算的用戶道路與試驗(yàn)場(chǎng)的當(dāng)量關(guān)系為28。比較上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)位移計(jì)算結(jié)果與應(yīng)變計(jì)算結(jié)果比較接近，并經(jīng)過(guò)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(dòng)加速度較大，但振動(dòng)頻率較高，對(duì)車輛造成的實(shí)際損傷比較小，因此直接以軸頭加速度作為“名義應(yīng)力”進(jìn)行損傷計(jì)算具有較大的誤差，將軸頭加速度進(jìn)行兩次積分得到位移，能夠比較準(zhǔn)確的反映損傷的大小。而對(duì)于選擇板簧應(yīng)變或者軸頭位移作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，主要是軸頭位置更靠近輪胎，更加能夠準(zhǔn)確的代表路面的負(fù)荷強(qiáng)度，因此選擇軸頭數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算市場(chǎng)與試驗(yàn)場(chǎng)的當(dāng)量關(guān)系。

對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)和市場(chǎng)道路的損傷計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整試驗(yàn)場(chǎng)各路段的占比，形成新的試驗(yàn)規(guī)范，計(jì)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(shuō)明新的試驗(yàn)規(guī)范所定義的當(dāng)量關(guān)系是較為準(zhǔn)確的。下面分別在通過(guò)軸頭位移以及車架端位移的雨流分布進(jìn)行驗(yàn)證，查看載荷數(shù)量及大小分布是否合理[5]。

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

此外，通過(guò)頻域疲勞損傷譜[6]來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證市場(chǎng)道路與試驗(yàn)場(chǎng)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(lái)衡量結(jié)構(gòu)在路面激勵(lì)作用下不同頻率下的損傷量。其計(jì)算方式為在一定的固有頻率下，應(yīng)用單自由度傳遞函數(shù)來(lái)過(guò)濾加速度數(shù)據(jù)，并同時(shí)將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位移數(shù)據(jù)，再進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，從1Hz開(kāi)始，以步長(zhǎng)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(yīng)力”即可獲得各頻率下的損傷量。以固有頻率為橫坐標(biāo)，疲勞損傷為縱坐標(biāo)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(jìn)行上述過(guò)程，計(jì)算出其四個(gè)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(yàn)場(chǎng)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(shí)測(cè)的用戶道路載荷譜和試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜，通過(guò)對(duì)軸頭加速度、軸頭位移以及板簧應(yīng)變的損傷計(jì)算，確定出基于軸頭位移進(jìn)行試車場(chǎng)路面與用戶路面的當(dāng)量關(guān)系計(jì)算。最后通過(guò)不同載荷狀態(tài)下的軸頭位置損傷比、雨流計(jì)數(shù)分布以及軸頭位置的頻域損傷譜，進(jìn)一步驗(yàn)證了所計(jì)算當(dāng)量關(guān)系的有效性以及適用性，為整車的路面負(fù)荷可靠性快速驗(yàn)證提供了一定的理論依據(jù)。

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專家推薦語(yǔ)

陳孟春

國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（湖北）

副總工程師? 研究員級(jí)高級(jí)工程師

應(yīng)用nCode GlyphWorks軟件，對(duì)實(shí)測(cè)用戶道路載荷譜和試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜進(jìn)行疲勞偽損傷計(jì)算，以及頻域損傷譜分析，計(jì)算試驗(yàn)場(chǎng)載荷與用戶實(shí)際使用載荷當(dāng)量關(guān)系，為在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行整車可靠性快速驗(yàn)證提供依據(jù)。