基于汽車試驗場的整車耐久試驗模式研究

陳迪鋮,周勇強

(廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700)

基于汽車試驗場的整車耐久試驗模式研究

陳迪鋮,周勇強

(廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700)

汽車耐久性試驗是驗證整車可靠性的一種重要手段。介紹名義損傷的基本概念及關(guān)聯(lián)用戶用途技術(shù)基本原理，基于中國市場用戶調(diào)查及金屬疲勞損傷的理論，提出一種整車耐久試驗模式建立的方法。實踐表明：該耐久試驗方法可縮短試驗周期，加快不良顯在化進程，減少市場不良特別是疲勞失效相關(guān)不良，提升整車品質(zhì)和顧客滿意度。

整車耐久試驗模式；試驗場；載荷譜；損傷值

0 引言

整車耐久試驗是評價汽車可靠性最有效的技術(shù)措施，整車耐久試驗種類繁多，一般分為耐久性試驗和耐候性試驗兩類。耐久性試驗一般包括普通道路耐久試驗、砌塊路耐久試驗、4～10倍因子的加速強化耐久試驗、動力總成耐久試驗等；耐候性試驗包括整車腐蝕試驗、冷熱氣候耐久性試驗[1]。文中重點論述的是4～10倍因子的加速強化耐久試驗。

較早期的整車耐久試驗一般是為了保證在極端工況下車輛構(gòu)件不發(fā)生失效，且能滿足一定的商品性要求[2]?，F(xiàn)階段伴隨著疲勞損傷理論的推廣以及六分力儀等設備的普及，行業(yè)內(nèi)展開整車耐久試驗的水平有了顯著的提升。但伴隨著中國汽車市場的競爭加劇及新技術(shù)、新裝備的推廣，中國消費者對于汽車品質(zhì)提出了更加嚴苛的要求，對于汽車企業(yè)而言容易出現(xiàn)耐久試驗模式與中國市場關(guān)聯(lián)不足，進而導致耐久試驗不良檢出的水平大打折扣。某司一直致力于包含耐久試驗在內(nèi)的整車試驗方法的研究與實踐，通過理論研究和實踐，建立了適用于新車型試制階段的加速強化耐久試驗模式設立的方法，用以提升汽車可靠性、用戶滿意度。

1 汽車耐久試驗模式建立流程概述

耐久模式設立的起點來源于中國顧客及市場。將市場調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合車輛零部件技術(shù)標準及車輛維護保養(yǎng)要求，提取符合中國市場的耐久試驗要件，并根據(jù)試驗場的場地條件設立各工況模式初稿，通過入力采集及載荷譜強度計算，判斷是否達成試驗目標，并依據(jù)判斷結(jié)果決定是否有必要進行修正，設立耐久試驗模式，并依據(jù)車型投產(chǎn)后市場的反饋進行動態(tài)修正?？傮w建立流程如圖1所示。

1.1 耐久試驗模式設立的輸入要素研究

近年來伴隨著渦輪增壓發(fā)動機、CVT無級變速箱及DCT雙離合變速箱等新技術(shù)、新裝備、新結(jié)構(gòu)的推廣，在進行整車耐久試驗時除了考慮影響入力強度的強化系數(shù)以外，還要綜合考慮擁堵的路面條件、復雜的油品環(huán)境及顧客操作習慣等可能導致市場不良的要素?；谝陨戏治觯岢隽四途迷囼灥妮斎胍刂饕韵?個方面：

(1)試驗強化系數(shù)。整車耐久試驗一般聚焦于車輛壽命期或保修期，由于國家對于普通乘用車已取消了強制報廢的規(guī)定，故各公司對于壽命期目標可以有自己的見解。疲勞損傷仍然是耐久試驗核心要件，汽車研發(fā)部門一般有明確的目標如“80%用戶使用240 000 km”[3]。對于不同的目標，試驗強化系數(shù)設定有所不同，且隨著強化系數(shù)的增大，試驗的誤差也會相應增大。經(jīng)多年來的試驗研究，作者認為4～6倍因子的加速強化耐久試驗較為理想，過高的強化系數(shù)試驗僅適用于底盤與車身強度的檢驗，對于汽車各系統(tǒng)子部件、特別是一些日常需要操作部件的檢驗存在著一定的欠缺。

圖1 耐久模式建立流程

(2)中國市場環(huán)境及用戶使用習慣。一般包括自然環(huán)境、社會環(huán)境及路面環(huán)境、用戶使用習慣4個方面，如圖2所示。根據(jù)這4個方面調(diào)查信息，統(tǒng)計出中國市場用戶實際操作車輛的習慣以及車輛走行路面的特征，這些特征構(gòu)成耐久試驗模式確立的依據(jù)：①自然環(huán)境指車輛使用環(huán)境溫度、海拔、日照、濕度等自然環(huán)境信息。②社會環(huán)境指各區(qū)域的燃油品質(zhì)(如乙醇汽油、汽油蒸發(fā)壓等)等社會環(huán)境信息。③路面環(huán)境指城市道路、市郊、山路、高速公路等路面狀況及所占比例等信息。④使用習慣指車速分布、剎車的強度與次數(shù)，手剎、車窗、空調(diào)、大屏幕使用頻率等信息。

圖2 用戶使用習慣及道路環(huán)境的信息構(gòu)成圖

(3)零部件技術(shù)標準及車輛維護保養(yǎng)的要求。整車試驗的研究必須基于對各系統(tǒng)及零部件技術(shù)標準的深入研究，從市場調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)需要與零部件的技術(shù)標準進行對比分析后才能成為指導耐久試驗的要件。此外，耐久試驗中試驗車須進行合理的保養(yǎng)。

(4)試驗場的場地條件。整車耐久試驗模式總體上由高速、城市(含塞車)、山路、惡路、越野5種工況構(gòu)成，但各工況的路面構(gòu)成無統(tǒng)一標準，需要基于試驗場的現(xiàn)地條件綜合考慮。作者將試驗場路面分為3個種類(如圖3所示)：第一類是基礎的入力路面，如石塊路、卵石路、扭曲路等入力絕對值較大的路面；第二類是典型的環(huán)境模擬路面，如井蓋路、接縫路等顧客用車時常見的路面；第三種是具有豐富激勵的不良顯在化路面，如共振路、搓板路等。每個企業(yè)要基于自身試驗的需要及試驗場的現(xiàn)有條件予以確定，如針對方向機異響的檢出，卵石路、凹凸路等隨機振動輸入路面作用特別明顯，這些路面就會入選到模式當中。

圖3 耐久試驗路面分類圖

1.2 用戶調(diào)查無線解決方案

用戶調(diào)查可以使用有線和無線數(shù)據(jù)傳輸兩種方式，無線傳輸方案數(shù)據(jù)可以實時監(jiān)控?；贕PRS通信協(xié)議可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，在項目中聯(lián)合某通信設備廠商定制了一套無線解決方案，試驗人員在目標車輛安裝無線數(shù)據(jù)采集儀(內(nèi)置CAN總線采集儀、GPS定位系統(tǒng)、溫度采集等模塊)，目標車輛在走行時實時將數(shù)據(jù)無線傳輸，通過服務器下載數(shù)據(jù)并進行處理，提取目標要件。

圖4 基于GPRS通信協(xié)議的智能無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.3 依據(jù)用戶調(diào)查提取耐久試驗要件

為指導數(shù)據(jù)處理，預先設立了目標要件的種類及詳細內(nèi)容。如表1所示，提取的耐久試驗要件一般包括車速分布、工

況分布、路面構(gòu)成、加速/制動要件等11大要件。上述11個要件是耐久試驗的基本要件。在加速與制動要件中，如表2所示，需要區(qū)分加速動作初速度、末速度及油門開度及加速操作的次數(shù)。值得注意的是，依據(jù)車型搭載的裝備，以及綜合考慮車型的定位及各車企的差異，需要對要件進行適當修訂。

近年來該公司相繼在國內(nèi)若干選定的城市采集了若干用戶數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析提取了中國用戶操作類及走行類要件，這些要件為耐久試驗模式的建立提供了依據(jù)。

表1 耐久試驗要件表

表2 中等強度加速(1/2油門開度)次數(shù)操作要件

2 疲勞損傷理論

2.1S-N曲線

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示汽車的失效接近80%是由疲勞問題導致的，疲勞問題是耐久試驗最核心問題。材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力或應變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。這里要導入S-N曲線概念：導致疲勞的應力(應變)水平S和標準試樣疲勞壽命N之間關(guān)系的曲線稱為材料的S-N曲線[4]。

2.2 累積疲勞損傷理論[5]

汽車的疲勞損傷可以直線累積，而S-N曲線只能解決特定載荷(載荷數(shù)值明確)的疲勞計算，但事實上汽車在路面走行時受到的載荷是富于變化的，如何將這些復雜的載荷進行累積計算？作者使用的是Miner線性疲勞累積損傷理論。依據(jù)Miner疲勞累積損傷理論, 總損傷量：

(1)

式中：Ni為σ-n理論曲線上對應于應力值σi的循環(huán)次數(shù)；ni為在應力值σi作用下的實際循環(huán)次數(shù)。

設N0為對應于疲勞極限σ-1的極限壽命，則根據(jù)Basquin關(guān)系式，有：

(2)

式中：σ-1為疲勞極限；N0為疲勞極限對應的疲勞壽命。

將式(2)代入式(1)中可得累積損傷的計算公式：

(3)

依據(jù)Miner理論，當材料整個損傷完畢時，D=1，就發(fā)生疲勞破壞。

3 路面載荷采集與疲勞損傷計算方法

3.1 路面載荷采集

載荷一般分為力、應力和加速度3個種類，響應時間歷程經(jīng)過計數(shù)處理，得到各種形式的累計頻次分布，稱之為載荷譜[3]。路面對車輛的輸入力，依據(jù)傳遞路徑(首先從輪胎經(jīng)減震器、彈簧，最后作用于整個車身)，采集載荷時需要將傳感器按照順序布置在傳遞路徑上。依此原則，如圖5所示依此將輪胎六分力儀、應變片及加速度傳感器布置在輪胎、懸架簧下、減震彈簧、減震器座[6]。

圖5 六分力儀設備與采集數(shù)據(jù)通道

3.2 路面載荷數(shù)據(jù)處理方法

3.2.1 載荷數(shù)據(jù)預處理

如圖6所示，采集載荷的原始數(shù)據(jù)為加速度、力、應力時域數(shù)據(jù)，在預處理階段需要對受干擾的點(曲線中的部分尖點，特征是存在明顯跳躍)予以切除。

對于隨機載荷，廣泛使用的統(tǒng)計分析方法主要為計數(shù)法。將載荷-時間歷程處理為一系列的全循環(huán)或半循環(huán)的過程叫作計數(shù)法，推薦的方法是雨流計數(shù)法[4]。

將采集的路面載荷原始數(shù)據(jù)(時域數(shù)據(jù))經(jīng)雨流法計數(shù)處理，原始數(shù)據(jù)被分進若干個區(qū)間(如100個或者200個)，輸出結(jié)果為落在各區(qū)間載荷的次數(shù)，這樣就可以與S-N曲線關(guān)聯(lián)上。采集數(shù)據(jù)的處理如圖7所示。

圖6 采集載荷原始數(shù)據(jù)

圖7 雨流法處理后的載荷譜數(shù)據(jù)

3.2.2 疲勞損傷值的計算

經(jīng)雨流計數(shù)法處理后的數(shù)據(jù)與材料的S-N曲線構(gòu)成關(guān)聯(lián)，通過疲勞損傷累積理論可以計算出疲勞損傷Dm值，值得注意的是這里的Dm值是絕對值。而實踐中汽車底盤及車身材料構(gòu)成比較復雜，每一種材料都有自己特定的S-N曲線，所以在實踐中無法精確計算絕對損傷值。這里需要導入相對損傷值的概念:構(gòu)造理想S-N曲線，使得基準路面(一般是用戶實際走行的社會道路)數(shù)據(jù)代入S-N曲線當中時，計算Dm值剛好為1。再將試驗場的路面數(shù)據(jù)代入理想S-N曲線中，計算出來的損傷值即反映試驗場路面強度與基準路面的對比[6]，整體流程如圖8所示。

圖8 疲勞損傷值計算流程

4 耐久試驗模式的強度修正

4.1 強化系數(shù)設定

如第1.1節(jié)所述，為了縮短試驗周期, 整車耐久試驗一般都在具有各種特征強化路面的試驗場進行、設有一定的強化系數(shù)，即在試驗場路面走行單位公里的損傷值，等價于社會道路的K倍，K值即為耐久試驗強化系數(shù)，K值的大小等價于汽車在社會路面走行的里程數(shù)與在試驗場強化路面行駛的里程數(shù)之比：

(4)

式中：L1為社會路面走行的目標里程數(shù)；L0為試驗場耐久試驗走行的目標里程數(shù)。

4.2 試驗場及社會路面載荷采集與對比分析

4.2.1 試驗場路面載荷采集

按照第3.1節(jié)中路面載荷采集的方法，試驗車在安裝好傳感器(六分力儀、應變片、加速度)后，按照空載、半載、滿載3種配載方式，按試驗場耐久試驗初稿模式走行，共采集15組原始載荷數(shù)據(jù)，處理完的數(shù)據(jù)按照比例進行累加。

4.2.2 社會路面載荷采集

通過中國市場信息調(diào)查，獲取用戶走行的路面及車速構(gòu)成，如表1所示，根據(jù)這些信息，選取社會特征路面，按照第4.2.1節(jié)中的配載方式采集社會道路載荷，作為基準路面生成理想S-N曲線，用以與試驗場耐久模式強度對比[6]。

4.2.3 試驗場與社會路面載荷強度對比

按照第3.2節(jié)中論述的方法，計算試驗場輸入力損傷值相對社會路面輸入力損傷值的比值。試驗中采集的路面載荷，每個傳感器為1個通道(六分力儀有6個通道)，每個通道的損傷值需要分開進行對比，如表3所示[6]。

表3 試驗場與社會路面強度對比表

表3中，如強化系數(shù)設定為4，通過試驗場與社會路面損傷值的對比，如圖9所示，檢查發(fā)現(xiàn)部分通道的損傷值低于標準值，而部分通道高出標準值，如存在上述不平衡的情況則需要進行修正。

圖9 試驗場與社會路面強度對比圖

4.2.4 模式強度的修正

表3中，從數(shù)據(jù)上分析車輛輪胎受到的垂直路面方向的損傷值偏低，而側(cè)向力偏高。推薦的修正方法為：改變走行的車速、路面種類、惡路與平緩道路的比例，如垂直方向損傷值偏低，可以增加惡路工況的比例，或者適當增加惡路工況中車速；側(cè)向力偏大，需要減少轉(zhuǎn)向操作，或者將山路工況的比例調(diào)低。

由于采集數(shù)據(jù)通道數(shù)往往超過20個，實現(xiàn)全部通道的數(shù)據(jù)平衡存在極大的困難，建議在進行模式強度修正中設立一定的優(yōu)先級別，優(yōu)先處理級別高的通道。優(yōu)先級別如下：

六分力儀>簧下加速度>彈簧應變>減震器座應變>車身其他位置信號

5 耐久模式動態(tài)修正體制

耐久模式來源于市場，而市場和用戶是處于不斷變化之中的，耐久模式建立之后需要依據(jù)市場不良信息及市場環(huán)境的變化進行動態(tài)修正：對于新裝備、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)關(guān)聯(lián)及操作點檢類的要件，依據(jù)車型投產(chǎn)后前3個月的市場投訴信息進行車型修正；對于一年內(nèi)各車型試驗流出市場的共性不良及市場排名TOP不良(如TOP10、TOP20)，每年進行集中研究并修正關(guān)聯(lián)的要件；對于市場環(huán)境及用戶使用習慣，每4～5年進行集中用戶調(diào)查和入力采集，并修正關(guān)聯(lián)的要件。

6 結(jié)論

根據(jù)以上方法建立的整車耐久試驗模式，在該公司多個車型試驗中實施，實踐表明：該模式可以強化新車型試作階段的不良顯在化，特別是對用戶操作點檢及使用相關(guān)的不良的檢出效果提升明顯，從一定程度上降低市場投訴風險、提升顧客滿意度。

伴隨著中國汽車市場的飛速發(fā)展，中國市場正受到來自全世界各車企巨頭的重視，市場競爭急劇增強，如何提升顧客滿意度是值得所有汽車企業(yè)研究的課題，而整車耐久試驗開展的水平與顧客滿意度之間存在較大的關(guān)聯(lián)。文中從疲勞損傷的理論出發(fā)，結(jié)合市場調(diào)查、零部件技術(shù)標準的研究，提出了一種基于中國市場的汽車耐久試驗模式建立的流程和方法，并在工程實踐中運用。結(jié)果表明：該方法能有效改善整車耐久品質(zhì)，提升用戶滿意度。

【1】鄒世偉，徐曉明，彭劍,等.基于UML建模的整車耐久試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究[C]//2013年中國汽車工程學會試驗評價分會(籌)年會論文集，2013.

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Study on Automotive Durability Test Mode Based on Proving Ground

CHEN Dicheng, ZHOU Yongqiang

(Guangqi Honda Automobile Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510700,China)

Durability test is an important means to verify vehicle reliability. The concept of pseudo damage and the principle of automobile test technology related usage purpose were introduced. Based on the investigation of Chinese market user and the theory of metal fatigue damage, a new method of durability test mode was proposed. Practice has shown that using the method, the test cycle is shortened, the process of fault phenomenon is accelerated.So market complaints, especially that caused by fatigue failure, is reduced, vehicle quality and customer satisfaction are improved.

Automotive durability test mode; Proving ground; Loading spectrum; Damage value

2017-03-31

陳迪鋮,男，本科，研究方向為汽車可靠性試驗、汽車環(huán)境適應性試驗。E-mail:chen603902@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.003

U467.1+9

B

1674-1986(2017)05-013-06