基于整车不同开发阶段的随机载荷谱影响因素分析方法研究

柳春林，陈春燕，梁振辉

基于整车不同开发阶段的随机载荷谱影响因素分析方法研究

柳春林，陈春燕，梁振辉

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

载荷谱是整车开发的主要数据支撑，实车载荷谱影响因素复杂，对其影响因素地分析非常重要。首先通过对多样本分析，得到样本离散性对载荷谱的影响。再以整车不同开发阶段作为因素，寻找可作对比的载荷通道，用损伤比例、损伤范围为基本参数，分析在离散因素下，不同阶段对载荷的影响程度。结果表明：ET和PT载荷接近，PT和Mule载荷差异较大。说明ET和PT阶段载荷无差异，PT和Mule阶段差异较大，并提供了不同整车开发阶段的影响程度数据，为载荷谱应用和汽车开发过程中的结构参数调整提供参考。

载荷谱；离散系数；整车开发阶段；影响程度；损伤范围；比例系数

前言

随着中国汽车大环境的销量下行，行业竞争愈趋白热化。汽车可靠性和耐久性，这两个决定用户对品牌认可度的最直接参量显得分量越来越重。汽车耐久试验主要是道路试验和室内台架试验，而整车的室内台架试验则以模拟道路载荷的道路模拟试验为主，车轮载荷谱是道路模拟试验基础且必要的输入。

载荷谱影响因素众多，目前分析方法大多是基于单一因素法则，采用动力学方法[1]、有限元仿真[2]或试验室方法[3]分析，缺少对真实环境和整车系统级的考核，而实车载荷受环境影响很大，且样本具有较大离散性。依据实车载荷谱的载荷因素分析目前少有文献。

1 背景及基本方法

1.1 背景

在整车开发早期即Mule（骡车）阶段，车身和底盘都采用了大量的旧件、替代件和手工件，ET（工程样车）阶段整车结构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（工装样车）阶段则全部更新为量产件。基于当前整车开发流程的思路，骡车数据作为ET开发的数学支撑，ET数据作为PT开发的数学支撑。而对于各开发阶段的数据和下一阶段的载荷数据差异，能否实际验证下一整车开发阶段的结构耐久，以及验证结果的可靠性都需要进一步论证。

另一方面，由于试验场的资源协调、设备的使用条件和费用等问题，车轮载荷谱采集的各方面投入都很大，且困难重重。而目前载荷谱的应用大多都是“一次性”，同一款车型采集一次，或者一个整车开发阶段采集一次。同时实车载荷谱的采集影响因素错综复杂，不同整车条件下采集的结构载荷谱，数据结果千差万别，很难预先了解载荷大小，对整车开发过程带来很大不确定性。所以在这种情况下，对载荷差异大小的研究，把握不同条件下的载荷边界，为载荷谱在不同整车开发阶段的持续应用和整车开发成效提供数据支撑，也为结构耐久的开发方向和载荷谱的进一步有效应用提供很大参考价值。

1.2 载荷谱对比存在问题和本文对比方法介绍

车辆载荷谱是汽车结构所受载荷（力、扭矩、位移、速度、加速度等）随时间变化的随机历程或载荷循环变化的特征统计。载荷谱影响因素众多，不可避免有较大离散度，因此很难分析各因素对载荷谱的影响程度。试验场载荷谱路面种类、载荷大小、测试时间差异很大，损伤计算公式指数级，使得损伤结果也呈指数级差别，另外载荷谱采集费用等原因，导致样本量少、组内差异大、组间受离散性干扰严重，使得结果数据分析很难适用统计方法。

为了区分离散性和开发阶段对载荷的影响，对载荷多样本离散性和不同开发阶段进行分析，比较两者参数确定影响因素。以各样本各路面损伤比值初步判断离散的比例范围，计算离散系数值作路面载荷数据离散范围参考，再将多个样本的损伤组合成损伤范围，根据多路面的范围趋势判断考虑离散对载荷的影响方向，并代入整个耐久循环次数计算影响程度。

1.3 损伤计算方法

疲劳损伤是指在循环载荷过程中的损伤累积。因为简单方便且高效的原因，工程上应用最多的疲劳累积理论是Palm -gren-Minner线性疲劳损伤累积理论[4]。其计算方法：

其中，n是载荷谱统计S等级载荷的雨流循环数，N是SN曲线中载荷S对应的循环数。

在对载荷损伤计算应用中，大多不需要准确的损伤值，一般依据此公式选取固定参数计算伪损伤进行对比。

2 样本量和工况分析

道路模拟试验通过采集车轮载荷谱迭代整车结构载荷，车轮载荷谱由六分力传感器采集，分别采集轮心位置纵向力、侧向力、垂向力、翻转力矩、滚动力矩和回正力矩。

为了增加载荷数据置信度，理论上载荷样本越多，越真实全面反映道路载荷情况。结合试验费用和试验周期综合考虑，一般采集同一个试验车状态下载荷数据3-5个样本[5]，即表示试验车采集样本数据样本代表性可以被工程接受。同样，其离散度也被认为在合理范围。

因素对载荷谱特征的分析，不可避免会受载荷谱本身离散性影响。为了考虑载荷离散性的前提下分析载荷特征，要先分析载荷本身的离散影响程度。采集Mule阶段试验车、ET阶段试验车、PT阶段试验车作为三个开发阶段的载荷数据，样本量各为3个。同时采集试验车D单独分析离散影响，离散性分析需要更高的样本代表性，采集样本量为5个。

表1 主损伤工况损伤占比

试验在某试验场进行，按顺序和重复次数等效用户道路16万公里损伤。不同的路面工况考核不同方向载荷，如制动工况主要考核X向载荷，对Y向损伤贡献很小；绕八字工况考核Y向载荷，对X向损伤贡献很小，石块路考核Z向载荷，同时对X向和Y向有较大损伤贡献。为了减小后续数据分析困难，对所有工况路面核算其对总体损伤贡献，各挑选总损伤占比80%以上的部分主工况，工况损伤占比：

其中，C是第个工况的循环次数。

3 离散性对比

3.1 离散样本损伤比例系数对比

在试验采集过程中，对载荷谱快速判断样本差异的方法是损伤比值对比，可直接用nCode软件计算实现。这种方法简单快捷，结果也很直观，但数据的离散程度和样本量差异对比例系数波动范围干扰很大。如图1是Z方向比例系数对比结果（篇幅有限，只展示Z方向图例）。

X方向损伤比值主要在0.5-1.5，Y和Z方向损伤比值主要在0.8-1.2。X方向载荷集中趋势最差，Y方向有部分路面工况集中趋势差，Z方向集中趋势最好。总体各样本损伤差异在0.5-2倍以内，样本组间不存在明显大小趋势变化，符合使用要求。

图1 Z方向多样本损伤比例系数对比

3.2 离散样本损伤范围对比

以离散性损伤范围的均值为基础，均值在范围的浮动百分比表征离散对多样本载荷损伤的影响。

X方向损伤范围，主损伤工况中离散对搓板路和制动路影响最大，对整体影响40.5%。Y方向主损伤工况中离散对蛇形卵石影响最大，对整体影响26.2%。Z方向主损伤工况中离散对各路面影响都在10%-30%左右，对整体影响16%。

表2 离散对各主工况离散影响

3.3 离散系数的影响

在有限的样本量情况下，可以根据离散系数是否在合理范围，确定样本数据与样本总体关系，离散系数计算公式（3）：

从公式可以看出，方差二阶变化，均值一阶变化。在样本量较少的情况下，样本量越多，离散系数越小，最终趋于稳定。所以在载荷谱样本一般为3-5个时，离散系数会受样本量的影响，样本量为2时系数最大。为此可以以5个可靠样本损伤最大值和最小值，计算2个样本时的离散系数，以该系数作为其他样本数据是否合理的依据。

4 不同整车开发阶段对比

4.1 不同整车开发阶段离散系数比较

对包含离散的因素对比有必要先分析其离散性是否在可行的离散范围内，计算三个阶段的离散系数与多样本的离散系数对比，结果如下表：

表3 不同开发阶段各工况离散系数

结果表明，三个阶段的离散系数基本小于多样本离散系数，个别路面数据离散系数相差不大，说明样本数据的离散性满足要求，可以做进一步损伤分析。

4.2 不同整车开发阶段损伤比例对比

图2 Z方向各路面工况损伤比例对比

以前轮载荷损伤为对象，计算损伤比例关系。图2是Z向载荷比例关系曲线，从曲线看出，PT车和ET车损伤非常接近，Mule车损伤最小。X方向损伤PT>ET，其他稳定工况损伤比值在0.6-1.2，主损伤工况制动因离散大差异很大。Y方向损伤PT>ET，其他稳定工况损伤比值在0.5-1.2，八字工况离散度大。Z方向损伤ET >PT，比值在0.4-1.2左右。

4.3 不同整车开发阶段损伤范围对比

图3是三个阶段的Z方向损伤范围对比示例，X方向，范围PT和Mule无交集，和ET交集大，考虑随机因素，损伤范围明显PT>Mule，ET接近PT，ET损伤离散性较大，ET和PT不存在明显关系。Y方向，损伤范围逐渐上升趋势，因此考虑随机因素和绕八字离散性问题，损伤关系PT>ET> Mule。Z方向，各主工况范围ET>Mule，ET最大，PT其次，Mule最小，且范围交集也较少。因此考虑随机因素，损伤ET>PT>Mule。

以PT对比ET增加量、PT对比Mule增加量和样本离散影响程度对比，PT对比ET的增加量在离散影响范围内，PT对比Mule增加量则超过离散影响范围。说明PT和ET载荷非常接近，更大程度受离散影响，不同整车开发阶段对其损伤影响可忽略。而PT对Mule的增长量包含了离散的影响仍然很大程度增加。PT相对Mule开发阶段综合影响程度X方向为0.35，Y方向为0.48，Z方向为0.33。

图3 Z方向各路面工况损伤范围对比

图4 开发阶段和离散性对Z向载荷影响对比

5 结论

本文通过计算多样本的离散因素影响，以损伤比例系数和损伤范围趋势为依据，对比整车不同开发阶段对载荷的影响程度，总结了基于随机载荷谱的影响因素分析方法。为载荷谱进一步有效应用提供参考。同时凭借对载荷的影响程度结果，为整车开发过程的结构设计调整提供方向。同时有如下结论：

（1）比例系数的结果可作为初步判断依据，但结果会很大程度受离散影响。

（2）离散对X方向载荷损伤整体影响±40.5%；对Y方向载荷损伤整体影响±26.2%；对Z方向载荷损伤整体影响±16%。

（3）损伤比例系数分析X和Y方向载荷：PT>ET>Mule，Z方向载荷：ET>PT>Mule。损伤范围分析表明PT和ET无明显差异，主要受离散影响。PT>Mule，骡车排除离散影响后，整车开发阶段影响较大，综合影响载荷X方向为0.35，Y方向为0.48，Z方向为0.33。

[1] 何荣.概念开发阶段汽车车轮动态载荷预测方法研究[D].长春:吉林大学,2014.

[2] 姜贺贺.路面冲击下车轮动载特性研究[D].长春:吉林大学,2017.

[3] 郭孔辉,李宁,庄晔.轮胎侧向力影响因素试验[J].农业机械学报, 2011, 42(12):1-5.

[4] 李文礼,石晓辉,柯坚,等.关联用户的汽车传动系载荷谱室内台架试验编制方法[J].机械工程学报, 50(20).

[5] 熊云亮,周楚毅,彭辉,等.计及驾驶员操作影响的试验场载荷研究[J].汽车工程学报,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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1671-7988(2021)06-111-04

柳春林，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院。