商用車道路載荷譜的采集系統(tǒng)研究及應(yīng)用

楊林，侯圣文，張發(fā)勇

（陜西法士特集團(tuán)公司汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

引言

隨著電商、物流等行業(yè)的高速發(fā)展，對國內(nèi)牽引車在輕量化、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面提出了更高的要求。其中變速器作為汽車動力總成中的關(guān)鍵零部件，其換擋同步時間、疲勞壽命直接影響整車傳動系統(tǒng)的舒適性、可靠性。研究和提升變速器的可靠性是保障整車質(zhì)量的一個核心環(huán)節(jié)。由于中國幅員遼闊，高原、丘陵、平原等路況錯綜復(fù)雜，國內(nèi)重卡行業(yè)還沒有普通使用基于真實行駛工況分析評價變速器可靠性。目前國內(nèi)基于道路載荷譜研究乘用車的燃油經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但是在重卡變速器的可靠性等方面的研究及應(yīng)用尚在起步階段。 本文旨在研究重卡變速器的道路載荷譜的采集及應(yīng)用。

1 道路載荷譜的采集系統(tǒng)

道路載荷譜的采集系統(tǒng)由多功能GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)處理分析軟件等部分組成。多功能GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過CAN總線實時獲取ECU的內(nèi)部數(shù)據(jù)，結(jié)合 GPS傳感器獲取定位信息和行駛車速，并將數(shù)據(jù)通過GPRS/3G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺。用戶可通過手機(jī)、筆記本登錄服務(wù)平臺監(jiān)控試驗車輛。

1.1 多功能GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

多功能GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與無線行駛記錄儀類似，安裝在終端車輛，長時間記錄、檢測、存儲行駛過程中發(fā)動機(jī)ECU總線數(shù)據(jù)、車速、行駛軌跡等參數(shù)。因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須滿足以下條件：內(nèi)置實時處理器，達(dá)到1HZ采樣率；內(nèi)置高精度GPS傳感器，可與北斗兼容，2.5米定位精度；具有SD卡存儲功能，支持?jǐn)嚯姳Ｗo(hù)；具有 CAN總線接口，支持SAEJ1939、CCP、ISO15765等協(xié)議，可連接INDAM模塊和車輛ECU；具有抗沖擊、抗振動等惡劣環(huán)境能力，滿足礦區(qū)、顛簸等路況要求，可在-40℃-85℃溫度范圍內(nèi)工作等等。

1.2 遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺

遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺主要用于監(jiān)控和管理試驗車輛，配合無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)試驗車輛定位、行駛狀態(tài)監(jiān)控、歷史軌跡回放、歷史數(shù)據(jù)下載、ECU數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、條件設(shè)定與報警等功能。因此服務(wù)平臺必須滿足以下條件：自定義路況，可實現(xiàn)里程、車速統(tǒng)計，車輛軌跡對比，路況統(tǒng)計等統(tǒng)計功能；以航拍和街道的地圖方式顯示車輛定位，可以精確定位到車道；用戶可以查詢車輛任意時間段的數(shù)據(jù)，并以 excel等格式下載；具有上萬臺車輛的數(shù)據(jù)管理容量。

圖1 車輛實時狀態(tài)監(jiān)控

遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺還支持手機(jī)APP軟件，近距離可基于藍(lán)牙用于數(shù)據(jù)顯示、配置和數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)距離可基于移動網(wǎng)絡(luò)用于車輛狀態(tài)、故障和總線數(shù)據(jù)管理。

圖2 遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺的APP

1.3 數(shù)據(jù)處理分析軟件

數(shù)據(jù)處理分析軟件除了能夠?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)平臺的里程、車速等簡單的統(tǒng)計功能，主要作用是工況分析、檔位計算與統(tǒng)計、駕駛習(xí)慣分析、油耗分析、異常數(shù)據(jù)處理等分析功能。

工況分析：可對扭矩、轉(zhuǎn)速、瞬時油耗等參數(shù)進(jìn)行時間歷程分析并用XY曲線表示；根據(jù)用戶定義，曲線表示發(fā)動機(jī)萬有特性曲線；生成轉(zhuǎn)速-扭矩負(fù)載工況圖等；輸出word、PDF等格式的工況分析報告。

檔位計算與統(tǒng)計：根據(jù)用戶設(shè)定的加、減、乘、除、冪、對數(shù)等復(fù)雜算法計算檔位；統(tǒng)計檔位的使用時間、行駛里程的百分比并用柱狀圖表示；生成檔位—時間百分比、檔位—里程百分比等。

駕駛習(xí)慣分析：統(tǒng)計檔位之間的轉(zhuǎn)換頻率并使用次數(shù)柱狀圖表示；統(tǒng)計檔位、車速、扭矩等關(guān)系，并用檔位—轉(zhuǎn)速、檔位—扭的分布等。

油耗分析：利用積分累積各個檔位、轉(zhuǎn)速區(qū)間下的油耗，生成油耗—轉(zhuǎn)速分布圖、油耗—檔位分布圖等。

異常數(shù)據(jù)處理：由于實際測試中，信號干擾不可避免，采集的數(shù)據(jù)曲線可能會出現(xiàn)尖峰、中斷或高頻干涉。譬如穿過較長隧道時GPS沒有信號，經(jīng)緯度的定位信息就會丟失。因此數(shù)據(jù)采集分析軟件必須具有曲線濾波、平滑處理等工具，采用低通濾波、強(qiáng)制零相位、平滑連接的那個技術(shù)，保證數(shù)據(jù)曲線的真實性。

圖3 工況分析報告

2 道路載荷譜的應(yīng)用

如圖4所示，本公司在某物流車隊安裝了多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，歷時15天，采集了河北邯鄲—云南瑞麗的道路載荷譜, 測試?yán)锍?7939Km。整車動力總成為：濰柴發(fā)動機(jī)WP13.480E401、法士特變速器C12JSDQXL240T、漢德車橋（速比3.083）。

圖4 邯鄲—瑞麗的軌跡

圖5 各檔換擋次數(shù)的百分比

經(jīng)道路載荷普的專用分析軟件分析可得：如圖5各檔換擋次數(shù)百分比可知， 9、10、11檔的換擋次數(shù)較多，這與西南地區(qū)的高速公路上下坡多有直接關(guān)系；如表1中各個檔位的時間使用百分比可知，該整車配置在邯鄲—瑞麗的高速公路上高檔區(qū)使用時間百分比大于 92%,最常用檔位為直接檔12檔，另外此表格還反應(yīng)了高檔區(qū)扭矩＞2000Nm的時間占比約8%—38%，＞2200Nm的時間占比約4%—20%；如圖6中10檔的扭矩—轉(zhuǎn)速分布圖可知，10檔的使用時間中約27%的扭矩＞2000Nm、約 12%的扭矩＞2200、90%以上轉(zhuǎn)速位于1000-1500rpm的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間。

表1 檔位使用時間百分比及大扭矩時間占比

圖6 10檔的扭矩—轉(zhuǎn)速分布圖

根據(jù)Miner疲勞損傷準(zhǔn)則、齒輪強(qiáng)度計算及材料S-N曲線，將變載荷、變轉(zhuǎn)速的道路載荷譜向變速器的最大輸入扭矩、疲勞試驗臺的最大輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行加速獲得臺架載荷譜，并在疲勞試驗臺上進(jìn)行恒定載荷、恒定轉(zhuǎn)速下的加載疲勞試驗。如圖7所示120萬公里后S變速器的拆檢：主、副箱所有檔位齒輪齒面磨損均勻，沒有點蝕或斷齒；軸承轉(zhuǎn)動平順，無卡滯現(xiàn)象。加載試驗證明：在邯鄲—成都的高速公路上，法士特S變速器至少可行駛120萬公里，齒輪、軸承等零件部不會發(fā)生故障。

圖7 120萬公里S變速器拆檢

3 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了道路載荷譜的采集系統(tǒng)及技術(shù)指標(biāo)。首選基于實際采集的河北邯鄲—四川成都的道路載荷譜，分析了該高速公路的上司機(jī)的駕駛習(xí)慣：常用檔位、各檔使用時間百分比、換擋次數(shù)百分比、扭矩—轉(zhuǎn)速的分布圖。然后根據(jù)疲勞損傷理論加速道路載荷譜，并疲勞試驗臺架上考察了法士特S變速器的可靠性，為商用車變速器的正向開發(fā)與可靠性提升提供一種新方法。