劉守銀， 余仕俠， 丁元俊

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

0 引 言

汽車可靠性是汽車產(chǎn)品質(zhì)量好壞的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是使用者關(guān)心的首要問題［1］。車輛開發(fā)過程中，要保證在設(shè)計(jì)目標(biāo)行駛里程或使用年限內(nèi)的可靠性，就必須進(jìn)行道路試驗(yàn)，而在公路上進(jìn)行試驗(yàn)不僅周期長，而且是不允許的，因此必須在試驗(yàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)也可大大縮短試驗(yàn)周期。

在試驗(yàn)場哪種道路上進(jìn)行試驗(yàn)、試驗(yàn)多少里程才能保證開發(fā)車輛的可靠性，這要求正確地將公路上的行駛里程換算成試驗(yàn)場可靠性行駛里程來進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

目前每一個(gè)汽車生產(chǎn)廠家都在試驗(yàn)場進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，如果試驗(yàn)前缺乏正確的調(diào)查和分析，不知道用戶道路使用情況，也不知道可靠性試驗(yàn)道路的狀況，那么可靠性試驗(yàn)的盲目性很大。因此，在車輛開發(fā)過程中，對車輛市場使用狀況和可靠性試驗(yàn)道路狀況進(jìn)行調(diào)查和科學(xué)分析，具有重要意義。

1 路面負(fù)荷倍率的調(diào)查分析

當(dāng)汽車零部件受到循環(huán)變化載荷作用時(shí)，載荷值即使沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下，也會(huì)發(fā)生疲勞破壞［2］。根據(jù)疲勞理論，疲勞損傷主要由循環(huán)變化的載荷引起［3］。凹凸不平的路面對車輛的作用力傳遞到各個(gè)零部件，零部件受到路面不斷變化的載荷作用，形成每個(gè)零部件的輸入加速度，對車輛零部件造成損害。將輸入加速度的頻度換算成等價(jià)受害度，把相當(dāng)于行駛1km的等價(jià)受害度的累計(jì)值稱為疲勞受害度，它表示路面的輸入加速度對車輛損害程度的大小。

一個(gè)典型的汽車耐久性試驗(yàn)場有一系列專門修建的可靠性試驗(yàn)路面，如高速跑道、石塊路、魚鱗路、卵石路、扭曲路、波浪路、比利時(shí)條石路、搓板路等［4］，這些都是試驗(yàn)場的可靠性路面。而公路即公共道路，包括國道、省道、縣道、城市和鄉(xiāng)村道路。與公路路面比較，標(biāo)準(zhǔn)可靠性試驗(yàn)路面的疲勞受害度大小的倍率稱為路面負(fù)荷倍率。

1.1 路面輸入加速度的測量方法

1.1.1 測量項(xiàng)目和測量位置

可靠性試驗(yàn)主要是對底盤的試驗(yàn)，尤其是關(guān)注彈簧上的車體和車架（簡稱簧上）與彈簧下的車橋和車輪（簡稱簧下）的受害度。一般對所有車橋的路肩側(cè)（右側(cè)）安裝傳感器進(jìn)行檢測。沿著車軸中心線，在車架外側(cè)（側(cè)面）固定傳感器，測量簧上的上、下加速度。同樣，沿著車軸中心線，在橋上固定傳感器檢測簧下的上、下加速度［5］，傳感器在簧上傳感器的正下方或外側(cè)，如圖1所示。

圖1 車橋處傳感器固定位置

圖1為前橋處傳感器的固定示意圖，后橋處也在相同位置上固定傳感器，分別安裝到車架和后橋殼上。

1.1.2 測定條件

（1）行駛條件。① 在公路行駛路面檢測時(shí)，裝載量為滿載，隨道路上的車流行駛，但是在明確以空車行駛等特定情況下，可追加條件；② 在可靠路面檢測時(shí)，裝載量為滿載，車速在各種可靠路面規(guī)定的行駛速度以內(nèi)。

（2）檢測條件。路面輸入給車輛的加速度不僅大小相差較大，還有正、負(fù)之分，將輸入加速度從小到大排列，再劃分成若干幅度大小相同的范圍，每個(gè)小范圍叫一個(gè)切片，每個(gè)具體切片對應(yīng)限幅電平，加速度檢測后，儀器可對每一個(gè)切片的加速度數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［6］，如圖2所示。

圖2 切片等級(jí)的統(tǒng)計(jì)

檢測儀器為直方圖記錄儀，配置如下：50Hz低通濾波器；切片數(shù)為±32片；滯后現(xiàn)象（無效振幅）為1／2片。檢測項(xiàng)目和切片等級(jí)的設(shè)定，見表1所列。

表1 切片等級(jí)設(shè)定值和傳感器容量選定標(biāo)準(zhǔn) m／s2

1.2 疲勞受害度的計(jì)算方法

對直方圖數(shù)據(jù)進(jìn)行等效受害度換算處理。

（1）直方圖數(shù)據(jù)的修正。＋值、－值側(cè)的相同切片等級(jí)的次數(shù)加起來除以2，如圖3所示。

圖3 負(fù)荷次數(shù)與加速度

（2）計(jì)算等效疲勞受害度換算值。將各切片的加速度次數(shù)換算成相對于g（g＝9.8m／s2）的等價(jià)疲勞受害度，并累積在一起［7］，即

其中，Sv為等價(jià)疲勞受害度的累積值；a為各切片的加速度大小等級(jí)；N為各切片中該加速度等級(jí)輸入次數(shù)。（1）式中5.5的指數(shù)是根據(jù)市場和試驗(yàn)車輛的損壞方式來確定的，公路損壞較大時(shí)取6.0，公路無損壞時(shí)取4.5，泛指市場上道路時(shí)，底盤一般取5.5。

（3）疲勞受害度（相當(dāng)于1km的累積等效疲勞受害度）的計(jì)算。公式為：

其中，M為疲勞受害度；Lm為檢測距離。

由圖3可知，至破損為止的負(fù)荷次數(shù)N與重力加速度g的常數(shù)次方成反比例。

2 路面負(fù)荷倍率的求解

2.1 市場運(yùn)行和路面輸入加速度的調(diào)查

車輛用途不同，其運(yùn)行狀況也不同，因此，要對裝載量、道路的種類及在該路上的行駛速度等車輛狀況進(jìn)行調(diào)查，同時(shí)，檢測每種路面的輸入加速度并計(jì)算疲勞受害度。為保證可靠性試驗(yàn)強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)目標(biāo)，一般選稍差的路面，并將路面運(yùn)行狀況模型化，見表2所列。

表2 市場行駛狀況的模型化

2.2 各種可靠路面的負(fù)荷倍率

市場路面調(diào)查后可直接測量各種可靠性路面的輸入加速度，算出相對市場路面的負(fù)荷倍率。也可選擇與市場上簧上、簧下的疲勞受害度接近的試驗(yàn)場可靠性路面來作為標(biāo)準(zhǔn)可靠性路面，設(shè)定市場換算倍率，再測量其他可靠性路面的輸入加速度，算出相對標(biāo)準(zhǔn)可靠性路面的負(fù)荷倍率。

為提高路面可靠性試驗(yàn)的精度和效率，在確定標(biāo)準(zhǔn)可靠性試驗(yàn)時(shí)，要考慮2個(gè)影響較大的因素。

（1）車型不同，疲勞受害度的值也不同，同類車型的響應(yīng)性基本是一致的，其市場換算倍率也基本相同，即使試驗(yàn)車型不同，也可以參考進(jìn)行市場換算倍率設(shè)定。

（2）為保證試驗(yàn)強(qiáng)度，市場調(diào)查時(shí)路面即使做了維修，在決定標(biāo)準(zhǔn)可靠性路面時(shí)也可作為普通公路使用。

2.3 設(shè)定可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

計(jì)算出進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的各可靠性路面的負(fù)荷倍率后，可參照如圖4所示的路面負(fù)荷可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)定可靠性行駛模式。

圖4 路面負(fù)荷可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

試驗(yàn)前要充分做好試驗(yàn)準(zhǔn)備［8］，試驗(yàn)時(shí)必須對被試車輛的載荷、車輛速度、路線等進(jìn)行嚴(yán)格控制［9］。

2.4 公路上行駛里程的換算

在各個(gè)可靠性試驗(yàn)路面上行駛的總里程可換算成公路上的行駛里程，如果在可靠性試驗(yàn)過程中零部件沒有失效，則可確認(rèn)完成的可靠性試驗(yàn)滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)壽命的要求。

將可靠性試驗(yàn)道路行駛距離換算成公路的行駛距離的倍率，稱為市場換算倍率，即普通道路的行駛距離與可靠性試驗(yàn)道路的行駛距離之比。

負(fù)荷倍率的計(jì)算步驟如圖5所示。

圖5 路面負(fù)荷倍率的計(jì)算步驟

3 某商用車疲勞受害度檢測和分析

某商用車，滿載總質(zhì)量為4 590kg，路面狀況為：① 公路壞路，平均速度為43.4km／h；② 試驗(yàn)場石塊路，平均速度為40km／h。

3.1 檢測后輸出數(shù)據(jù)的分析

檢測距離為1km，檢測后輸出的數(shù)據(jù)見表3所列。

表3 頻度和疲勞受害度的關(guān)系

根據(jù)（1）式，公路壞路的等價(jià)疲勞受害度累積值Sv＝5.02×106，由于測量距離為1km，根據(jù)（2）式可以計(jì)算出公路壞路的疲勞受害度MA＝5.02×106次／km，同 理 算 出MB＝45.3×106次／km，MC＝3.22×103次／km，MD＝10.4×103次／km。

3.2 路面負(fù)荷倍率的計(jì)算

將試驗(yàn)場石塊路的疲勞受害度除以公路壞路的疲勞受害度，就是石塊路的負(fù)荷倍率。

通常，把前軸的簧下和簧上以及后軸的簧下和簧上4點(diǎn)的負(fù)荷倍率的平均值作為車輛的路面負(fù)荷倍率，見表4所列。

表4 車輛路面負(fù)荷倍率的計(jì)算

3.3 路面負(fù)荷倍率的影響因素

不同類型的車輛輸入加速度相差較大，但是在相同路面進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，分別檢測滿載時(shí)車速為90km／h的試驗(yàn)樣車和標(biāo)桿車的輸入加速度，如圖6所示，可以看出路面的輸入加速度相差不大，即同類車輛的負(fù)荷倍率可以參考和利用。

圖6 標(biāo)桿車和試驗(yàn)樣車高環(huán)輸入加速度

同樣可檢測、整理和計(jì)算公路壞路的負(fù)荷倍率，也可算出不同速度、不同載荷時(shí)試驗(yàn)場石塊路的負(fù)荷倍率。滿載公路壞路與試驗(yàn)場石塊路的負(fù)荷倍率如圖7所示。

同樣，可計(jì)算出滿載高速道路與試驗(yàn)場高速環(huán)路不同載荷的負(fù)荷倍率，如圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，載荷和速度對負(fù)荷倍率影響很大，同時(shí)路面不同，負(fù)荷倍率也相差較大，因此在相同路面上進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)要確定載荷和行駛速度。

圖7 滿載公路壞路與試驗(yàn)場石塊路的負(fù)荷倍率

圖8 滿載高速道路與試驗(yàn)場高速環(huán)路的負(fù)荷倍率

3.4 市場換算倍率的計(jì)算

某商用車市場上道路行駛比例為高速10%、一般公路60%、壞路30%；高速、一般道路、壞路的路面負(fù)荷倍率分別為1.2、8.5、5.0；該整車市場換算倍率為6.72倍。

如果開發(fā)車輛的設(shè)計(jì)目標(biāo)里程為3×105km，那么，在相同行駛比率下、在試驗(yàn)場可靠性道路行駛里程需要約4.5×104km。

3.5 整車試驗(yàn)和市場驗(yàn)證

由于采用較差市場路面作為試驗(yàn)路面，可靠性試驗(yàn)強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)目標(biāo)。從6年銷售情況來看，市場反饋?zhàn)C明該商用車使用壽命滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)里程的要求。

4 結(jié)束語

本文對路面輸入加速度進(jìn)行了檢測和分析，不僅充分了解了車輛行駛或可靠性試驗(yàn)過程中不同路面、載荷和行駛速度對車輛的影響，而且確定了開發(fā)車輛可靠性試驗(yàn)的載荷、道路和行駛里程。

不同車型疲勞受害度和市場換算倍率雖然不同，但可以建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫［10］。新車開發(fā)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)里程、該車型疲勞受害度和市場換算倍率或同類車型的疲勞受害度和市場換算倍率確定試驗(yàn)場試驗(yàn)的可靠性道路、速度和里程。

通過分析路面、載荷和速度對疲勞受害度的影響，確定研發(fā)車輛的試驗(yàn)道路、速度、載荷和試驗(yàn)里程，相比于以往僅憑研發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)來決定車輛的可靠性試驗(yàn)，不僅能科學(xué)而準(zhǔn)確地確認(rèn)研發(fā)車輛的可靠性是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且節(jié)約成本，提高效率。

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