与用户使用关联的整车耐久性试验方案确定

江毓　王骁磊　郑燕萍　王羽尘

摘要：在试验场整车耐久性试验中，多年来不同的车型都是采用各试验场统一的试验标准，缺少试验场道路设置和用户使用的关联研究。本文旨在提出一种关联用户使用情况的相对合理的试验场整车耐久性试验方案。研究通过采集试验场路面的载荷信号，并对采集的数据进行信号处理，得到多个通道的频率和疲劳损伤特征。然后，开展了面向安徽省某用户的调查，采集了一定里程用户使用路面的载荷，并将试验场特殊路面与用户实际路面进行对比，提出一套试验方案，再对其合理性进行理论分析与论证。

关键词：整车耐久性；试验场；用户关联；试验方案

1.引言

多年来，不同的车型都是采用各试验场统一的标准来进行整车耐久性试验，忽略了试验场道路设置和用户使用的关联性。为研究用户使用路面和试验场路面之间的关联关系，本文选择了某国内汽车试验场进行数据采集。利用数据采集设备、传感器，采集试验场各种路面多种载荷信号，将其与用户实际路面载荷进行对比，提出一个较为合理的整车耐久性试验方案，然后再对方案的合理性进行论证。

2.采集路面及试验方案

2.1采集路面

测试的路面应该代表用户日常使用，用户日常行驶的路面千差万别，故选取了8种有代表性的强化路面作为采集路面，这8种路面是面向用户使用过程中常遇到的路面，采集路面如图1所示。试验车采用的行驶规范如表1所示。

2.2试验方案

道路载荷的采集使用eDAQ公司的设备，其野外工作很稳定。本研究要求测量设备抗震，低功耗，且尽可能地集成多个功能，因此选用了SomateDAQ数据采集设备。

测试选取了12个力信号，使用MTSswift20钛材料六分力传感器采集这四组信号（左前车轮X、Y、Z向，右前车轮X、Y、Z向，左后车轮X、Y、Z向，右后车轮S、Y、z向）。由于六分力测试系统采集的载荷是车辆的外部载荷，可以通过该外部载荷加载在车体模型上，借助CAE可以对各个部件的载荷进行计算，从而得到所有部件的疲劳寿命，可以在设计阶段发现问题，优于以往测试车辆内部载荷的方法。

车轮轮胎安装了修改的轮辋适配器，轮毂适配器安装在车轴上，而六分力传感器安装在轮毂适配器和轮辋适配器之间。当轮胎受到冲击，力通过改装的轮毂，经过六分力传感器，传递到轮毂适配器上，这个传递路径和实际车轮受力传递到轮毂上是一致的，所以六分力可以获取数据。三个方向的力和力矩由六个独立的电桥测量，各通道之间几乎無干扰。同时六分力传感器也不受温度和电磁的影响。

3.试验数据的分析处理

采集到的信号首先进行了预处理，由于采集数据量巨大，如果使用人工统计分析数据将需要很长周期，所以本次研究借助了GlyphWorks软件，大大提高了研究效率。

3.1采集路面损伤分析

汽车上绝大多数零部件所受载荷的幅值是变化的，变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和不同幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累的结果。当材料试件或零部件承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料试件或零部件产生一定的损伤。

计算零部件的损伤有两种方法：在计算零部件的损伤时，一般是用应力或应变信号根据零部件的S-N曲线用相应的方法计算。通过这种方法得出的损伤值是“真实”损伤值。另一种方法是将各类信号作为“广义应力”输入，通过预先设定的S-N曲线，即可求得名义损伤或伪损伤。本次研究中选用的S-N曲线斜率取-1/3，截距取10。特别指出，采用伪损伤方法得到的绝对数值并无实际意义，只能在同一通道信号间进行相互比较，是一种基于能量的比较方法。

3.2各路面各通道损伤分析

在试验场中，选择修复路、破损路、铁饼路、鱼鳞路、卵石路、扭曲路、搓板路、石块路8种特殊路面上进行测量，12个通道选择左前车轮x、Y、z向、右前车轮x、Y、z向、左后车轮x、Y、z向、右后车轮x、Y、z向的损伤值。由于石块路对车轮的损伤最大，本文将其作为基准，将其它7种不同路面各通道的损伤与石块路各通道损伤进行对比，其比值如图2所示。

由图可知：鱼鳞路、扭曲路、搓板路和破损路对车轮的损伤很小。其它路面对车轮的损伤程度顺序为：石块路>铁饼路>卵石路>修复路。

3.8路面的加速度功率谱密度分析

功率谱密度是表示信号的能量或功率密度在频域中随频率的变化情况，它主要研究信号的能量或功率的分布情况，确定信号所占的频带。以车辆z向位移为例选取左前侧分析，将不同路段整合后的数据开展分析，取出z向相关数据，包括左前轮轮心z向受力、左前螺簧位移、左前车身加速度、左前轮轮心z向加速度，可以分析到左前螺簧位移应变谱1.47Hz处具有波峰，这代表了车身的固有频率或是车辆的俯仰频率，而车身加速度12.53Hz和12.82Hz代表了车轮的跳动，如图3所示。特别在分析搓板路频率时，发现底盘在27.63Hz附近会出现相同的波峰，如图4所示。这是由于搓板路面行驶时，受到路面激励，整个车辆都在做受迫运动，所以车辆在设计时需要考虑避开相应的频率，防止出现共振疲劳。

4.与用户关联的试验场耐久试验方案研究

本文以安徽省某用户为例，首先采用问卷调查的形式对安徽省某用户车辆的使用情况进行调查。数据通常会使用正态分布和威布尔分布进行统计分析。通过Minitab软件分析得知，威布尔分布拟合用户里程分布更好，统计用户在各个路况下使用里程风险更小些，所以本文采用威布尔分布来统计分析用户在各个路况下的使用里程。90%的用户每年行驶的各工况分布如下：

表3为在试验场测试的各特殊路面组成，同样地采集了用户在安徽省的城市、高速、山路、国省县乡道路工况的损伤。下图为试验场与城市工况损伤对比：

从图5可以看出，试验场与城市工况损伤基本吻合，但是右前轮Y向的误差较大，由之前的各路面损伤得知，石块路对右前轮Y向有较大损伤，适当减少石块路的试验里程，形成新的试验场试验方案，试验场与城市工况损伤会更加符合。

在试验场行驶时，试验场路面会产生一些特定频率，这些频率会触发车辆共振，车上的部件会产生共振造成共振疲劳，但是实际路面不一定会产生这些共振，所以需要剔除这些路面。车辆在搓板路测试时，整个车辆在做受迫运动，在27.63Hz附近出现波峰，但是在从用户采集的数据来看，并不会发现这个频率，所以在编制相关性方案时需要将搓板路面避开，否则将出现过度试验的问题。

由此，表3中给出的试验场试验路面组成，就是本研究提出的与用户关联的试验场车辆耐久性试验方案。

5.结语

本研究采集了试验场8种特殊路面的载荷进行损伤分析。根据试验场路面的损伤情况，提出了一种整车耐久性试验的方案，即试验场特殊路面里程组合。同时，采集安徽省城市、高速、山路、国省县乡道路工况的载荷，将试验车在特殊路面的损伤与用户在城市工况的损伤进行对比分析，用户使用城市工况与试验场组合路段损伤值吻合得较好。频域分析中，搓板路测试中出现的27.63Hz在实际路面测试时并不会出现，所以在编制相关性方案时需要将搓板路面避开。由此，表3即为提出的整车耐久性试验方案。