关联用户汽车试验场可靠性强化系数计算

陈沛，周驰

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

汽车产品的可靠性是用户最为关心的问题之一[1-3]，而可靠性强化试验则是加速汽车产品可靠性考核、缩短试验时间的基本试验方法，是验证与考核车辆耐久性与可靠性的一种重要手段[4]。

李洪涛[5]等为了制定上汽安亭试验场耐久性规范，以定远试验场为目标，采用等相对损伤关联法建立试验场间损伤等效模型，并从损伤、幅值域、频域方面进行验证。李唐[6]基于六分力载荷谱，利用雨流计数法将时域信号转化成雨流矩阵，并采用等损伤原理进行损伤计算，获取两个试验场道路之间的相关性，为汽车产品可靠性试验提供依据。而这些研究都没有合理地考虑用户的使用情况，并且由于对汽车试验场路面相对于目标用户的强化情况没有做过研究，因此对强化试验结果也不能给出科学的产品可靠性指标。

本文以某轻型货车为研究对象，采集某试验场与典型用户道路的路谱数据，构建试验场—用户损伤关联模型，最后求出试验场综合加速系数。根据试验场-用户损伤关联，发现试验场制动考核不足难以有效复现用户实际制动损伤，并根据这一特点提出了制动考核不足的方案。

1 试验场与用户载荷信息

1.1 试验场信息

该试验场为国内汽车耐久性快速评价试验场，用于汽车前期开发时关键零部件快速评价。共采集该试验场12 种道路载荷信号，道路名称和单圈行驶里程如表1 所示。

表1 试验场道路信息Tab.1 Road information of test site

1.2 用户信息

典型用户路谱按高速、省道、乡村、山路、城市5 种路况，每种路况各采集200 km 用户载荷，以此为基础按照年使用周期中不同路况比例，外推至1 年服役周期内的载荷与损伤。1 年内，95百分位行驶里程为36 000 km，对应各路况比例如表2 所示。部分用户采集详细路线图如图1 所示。

表2 典型用户路况比例Tab.2 Proportion of road conditions of typical users

图1 部分用户采集详细路线图Fig.1 Detailed roadmap of user acquisition

1.3 测点选择

道路载荷谱的测量点选择应该突出重点，并考虑综合性与经济性，测量点位置应对路面激励较为敏感[7]。对于不同的路况，轮心力具有较好的还原性。以车辆激励载荷源为出发点选择测点，选择六分力作为输入载荷，以左前轮六分力为例的表征通道如表3 所示。

表3 左前轮六分力表征通道Tab.3 Six component force representation channels of left front wheel

2 试验场-用户关联分析

2.1 伪损伤计算

载荷的剧烈程度反应了载荷潜在的损伤能力，因此评价载荷严重程度的方法应该基于S-N曲线和疲劳损伤累积准则。伪损伤是应用最为广泛的评判载荷严重程度的方法，它是以S-N曲线、线性累积损伤准则和雨流计数法原理为基础，通过Basquin给出的S-N曲线的表达式计算伪损伤[8：]

式中：S——应力幅值；N——试样在幅值N作用下的疲劳寿命；α——常数；β——疲劳强度指数。

幅值为Si的一个载荷循环的伪损伤为1/Ni，应用线性累积损伤准则，将所有载荷循环的伪损伤叠加，获得总伪损伤D[9]

根据选择的六分力测点载荷信号，对六分力数据进行处理，计算出各个通道的伪损伤值。统一设定S-N曲线斜率为-5，截距设定为5 000，伪损伤计算Ncode 处理流程图如图2 所示。

图2 伪损伤数据获取Fig.2 Pseudo damage data acquisition

根据图2 所示的伪损伤获取流程图，对试验场和用户进行伪损伤计算，计算结果如表2 所示。

表2 试验场与用户道路伪损伤数据Tab.2 Pseudo damage data of test site and user road

2.2 强化系数

试验场整车耐久试验是为了缩短试验周期，道路强化系数直接反映了试验场强化路面相对于用户实际使用条件的强弱程度，通过强化试验与实际用户路面行驶结果相比较得出，即车辆在试验场强化路面行驶时单位里程的伪损伤与用户道路行驶时单位里程伪损伤之比，比值为K，K值的大小就是试验场耐久强化系数，其表达式为

式中：L0——用户行驶单位公里的损伤；L1——试验场耐久试验行驶单位公里的损伤。

根据式（3）对试验场-用户关联强化系数计算，试验场综合强化系数为58.37，各六分力通道强化系数结果如图3 所示。

图3 六分力强化系数Fig.3 Six-component force strengthening coefficient

3 试验场制动考核补足方案

针对图3 试验场—用户关联加速系数通道图可以看出4 个My通道复现效果差，说明试验场耐久路面对车辆的制动性能的考核差，无法有效复现用户损伤水平。分别提取出试验场完成行驶一周条件下与用户路面行驶条件下的驱动轴左右轮的制动力矩与GPS 车速信号，如图4 所示。根据Miner 线性累积损伤理论计算出其制动工况下的伪损伤，并根据试验场—用户关联加速系数计算出其所需补足的损伤情况。

图4 试验场制动扭矩提取Fig.4 Braking torque extraction in test field

分别进行70，60，45 km/h 三种测试条件下的制动考核，图5 所示。并计算出每种条件下的制动伪损伤强度，并以此为依据对试验场路面制动考核进行补足。

图5 制动试验扭矩Fig.5 Braking test torque

考虑到驾驶员实际驾驶情况与试验场各路面行驶速度，采取45 km/h—0 这一制动工况进行制动损伤补足，经过计算得出45 km/h 下单次制动损伤，通过用户强化系数下每公里损伤减去试验场行驶条件下每公里损伤得出需要补充的损伤数值，进而得出制动次数。

表4 制动试验各参数含义Tab.4 Meaning of parameters of brake test

表5 制动优化方案Tab.5 Braking optimization scheme

由计算结果可得出试验场内每10 km 增加一次45 km/h 制动工况为宜，考虑试验场实际单圈长度，建议驾驶员每行驶两圈在原有制动条件下多增加一次制动，能够在耐久路面上对车辆制动效能进行有效的考核。

4 结论

本文结合用户实际使用情况，通过试验样车采集试验场路谱数据与用户实际使用工况的路谱数据，以车辆在试验场路面与用户路面行驶时的伪损伤为基础，构建试验场—用户损伤关联模型，最后求出试验场路面对典型用户使用情况的综合加速系数为58.37。并针对试验场对制动考核不足这一特点提出了补足方案，计算结果表明，试验场内行驶每10 km 增加一次45 km/h 制动能有效复现用户实际使用情况。本文研究结果能为该车型后续改款提供有力的数据支撑。