龍巖，蔣凌山，熊海林，劉雪強(qiáng)，陳志勇，余智明

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春，130022；2.一汽?大眾汽車有限公司技術(shù)開發(fā)部，吉林長春，130011)

隨著汽車工業(yè)迅速發(fā)展，中國已成為汽車生產(chǎn)大國，并進(jìn)入自主研發(fā)階段。作為車輛主要載荷的道路載荷在整車設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中起著重要作用。只有基于道路載荷數(shù)據(jù)，整車設(shè)計(jì)才有目標(biāo)，模擬仿真和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)才有意義，整車道路耐久性試驗(yàn)結(jié)果才能更精準(zhǔn)。國外整車廠商非常重視典型道路載荷數(shù)據(jù)，并已經(jīng)有幾十年的載荷數(shù)據(jù)積累，開發(fā)出很多符合用戶實(shí)際使用情況的耐久性試驗(yàn)，并依據(jù)載荷數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)零部件和總成，開發(fā)各種臺(tái)架試驗(yàn)并制定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。我國對(duì)典型道路載荷的研究和應(yīng)用主要集中在開發(fā)階段的模擬仿真和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)方面[1?2]，并已向疲勞性能設(shè)計(jì)方向發(fā)展[3]。作為整車開發(fā)過程中不可替代的道路耐久性試驗(yàn)，常規(guī)做法是通過分析用戶使用典型道路載荷情況，與試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷建立關(guān)聯(lián)進(jìn)行加速耐久性試驗(yàn)，如某試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)車輛行駛10萬km損傷與用戶行駛約30萬km損傷等效，其試驗(yàn)規(guī)范通常借鑒國外成熟試驗(yàn)結(jié)果。此外，國內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)容量有限，導(dǎo)致等待時(shí)間長且費(fèi)用昂貴。本文作者提出應(yīng)用中國典型道路直接進(jìn)行加速耐久性試驗(yàn)的方法，通過對(duì)選取的中國典型道路進(jìn)行道路載荷測(cè)量，計(jì)算道路載荷偽損傷，分析并建立多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模型，計(jì)算滿足整車載荷損傷和試驗(yàn)里程要求的典型道路最優(yōu)組合，考慮道路載荷類型及其構(gòu)成比例設(shè)計(jì)典型道路試驗(yàn)路線，按照中國交通法規(guī)制定試驗(yàn)運(yùn)行規(guī)范，并通過實(shí)車對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證方法的正確性。

1 道路載荷測(cè)量

1.1 測(cè)量道路選擇

道路狀態(tài)直接影響道路載荷，而道路狀態(tài)受多種因素影響，如氣溫、降水、排水設(shè)施、車流量、車輛類型、路面鋪裝類型、保養(yǎng)情況和使用年限等[4]，很多因素?zé)o法量化甚至每年都在變化，而且中國道路類型和數(shù)量眾多，在典型道路選擇時(shí)先考慮特征明顯且易操作的因素進(jìn)行前期定性評(píng)價(jià)。本文選擇路面狀況、道路類型和道路使用年限這3 項(xiàng)與道路載荷相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行前期篩選，以挑選道路載荷較大的典型道路。人體作為自然界復(fù)雜的感知系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地感知“人—車—路—環(huán)境”系統(tǒng)中細(xì)小而復(fù)雜的變化[5?6]，以具有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員的主觀感受作為道路載荷狀態(tài)的預(yù)選評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定合理性[7]。挑選10名道路耐久性試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)超過10 a的駕駛員，按照試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)要求將整車按80%載荷配載，依據(jù)駕駛主觀感受對(duì)道路的載荷狀態(tài)打分進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。將評(píng)價(jià)數(shù)值范圍設(shè)為0～100%，以所選第9 號(hào)瀝青鋪裝的城郊道路為例，評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。表1中，數(shù)值越高代表駕駛員感受到的載荷越大。經(jīng)定性評(píng)價(jià)可知該道路總體感受較舒適，縱向和側(cè)向載荷不大，當(dāng)整車垂向載荷不足時(shí)，可選該道路為補(bǔ)充道路或測(cè)試連接道路。

表1 第9號(hào)路行駛載荷調(diào)查結(jié)果Table 1 Investigation results of No.9 road loads

經(jīng)實(shí)地綜合考察和定性評(píng)價(jià)，在某省境內(nèi)，選取以某市為起點(diǎn)到該省境內(nèi)的37 條典型道路作為試驗(yàn)道路，主要為使用5 a以上的公開道路。另外，為補(bǔ)充整車在實(shí)際使用中可能遇到的極限工況載荷，選擇的試驗(yàn)道路亦包含整車試驗(yàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)操穩(wěn)和制動(dòng)等工況道路，共計(jì)42條測(cè)量道路。

1.2 實(shí)測(cè)載荷疲勞偽損傷計(jì)算

在底盤零部件應(yīng)力集中點(diǎn)處粘貼應(yīng)變片，實(shí)測(cè)零部件局部載荷，通常道路載荷低于材料屈服極限，疲勞壽命均在百萬次以上，可按高周疲勞處理。應(yīng)用應(yīng)力?應(yīng)變法進(jìn)行局部載荷疲勞損傷分析[8]，由于被測(cè)零部件均為金屬件并且僅進(jìn)行載荷損傷對(duì)比分析，不需要損傷的絕對(duì)真實(shí)值，因此，可忽略各零部件具體材料特性，計(jì)算偽損傷即可。將零部件載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)[9?11]，零部件的應(yīng)變?壽命關(guān)系如下：

式中：εa為應(yīng)變幅值；σf為f級(jí)載荷下疲勞強(qiáng)度系數(shù)；E為材料彈性模量；為f級(jí)載荷下疲勞延伸系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞延性系數(shù)；Nf為f級(jí)疲勞載荷下的疲勞壽命。

零部件載荷循環(huán)應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系如下：

式中：σa為應(yīng)力幅值，K′為強(qiáng)度系數(shù)；n′為應(yīng)變硬化指數(shù)。

根據(jù)Miner疲勞損傷累積法則，即可計(jì)算測(cè)試循環(huán)過程中零部件局部載荷偽損傷D：

式中：Nf為第f級(jí)載荷(σf)的損傷循環(huán)數(shù)；nf為第f級(jí)載荷(σf)的實(shí)際加載循環(huán)數(shù)；當(dāng)D≥1時(shí)，認(rèn)為失效發(fā)生。

1.3 道路載荷預(yù)測(cè)量

使用裝備少量傳感器的車輛對(duì)42 條道路載荷進(jìn)行快速預(yù)測(cè)量，快速確定道路載荷類型，找出載荷比較大的道路，共28個(gè)測(cè)量位置，應(yīng)用上述方法計(jì)算不同道路不同位置載荷偽損傷[12?13]，如圖1所示。圖1 中，顏色深淺表征載荷偽損傷程度大小。

由圖1 可知42 條道路對(duì)應(yīng)的測(cè)量位置載荷偽損傷情況，根據(jù)各條道路對(duì)車輛載荷的貢獻(xiàn)情況可確定道路載荷類型并選擇載荷偽損傷較大的道路。例如，第16 號(hào)路右前彈簧上止點(diǎn)處、右后彈簧上止點(diǎn)處和右后控制臂處的載荷偽損傷較大，其余通道載荷偽損傷也較大，確定該條道路載荷以垂直方向載荷為主，因此，選擇第16 號(hào)路進(jìn)行精確載荷測(cè)量。

圖1 不同道路不同位置的載荷偽損傷對(duì)比Fig.1 Load damage comparisons of different positions of different roads

經(jīng)過對(duì)比分析[14]，從42 條道路中選出各類型載荷較大道路組合成精確測(cè)量路線[15]。考慮道路銜接性，共確定19 條道路組合為精確測(cè)量路線，如圖2所示。整條路線約1 622 km，路面狀況包含水泥路、砂石路、瀝青路、灰土路等，道路類型包括高速公路、城鄉(xiāng)結(jié)合路、鄉(xiāng)村壞路、盤山道路和山間土路等，道路使用時(shí)間年限均在5 a以上。

圖2 精確道路載荷測(cè)量路線Fig.2 Road load measurement route with high accuracy

1.4 道路載荷精確測(cè)量

圖3 道路載荷測(cè)量車及測(cè)量位置Fig.3 Road load measurement vehicle and measurement positions

使用改裝的道路載荷測(cè)量車精確測(cè)量道路載荷，如圖3所示。按照試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行80%配載，并根據(jù)測(cè)量需要裝備車輪六分力測(cè)量輪以及應(yīng)變片、加速度計(jì)等傳感器，得到包括車載網(wǎng)絡(luò)(CAN)信號(hào)等共83個(gè)通道的測(cè)量數(shù)據(jù)，如表2所示。按照國家交通法規(guī)要求進(jìn)行測(cè)試，精確測(cè)量19條道路的載荷數(shù)據(jù)。

2 道路多目標(biāo)優(yōu)化

基于道路載荷精確測(cè)量數(shù)據(jù)，按照上述理論進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，在合理的范圍內(nèi)以整車載荷偽損傷比(DT)最大化和試驗(yàn)行駛總里程(S)最小化為優(yōu)化目標(biāo)，各測(cè)量通道與試驗(yàn)場(chǎng)的偽損傷比的范圍為約束條件[16?17]，以每條道路循環(huán)次數(shù)為設(shè)計(jì)變量，建立道路載荷損傷多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

表2 測(cè)量車測(cè)量通道Table 2 Measurement channels of load measurement auto

2.1 設(shè)計(jì)變量

每條道路的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)直接影響整車載荷偽損傷和行駛總里程，故設(shè)計(jì)變量為

式中：Xj為第j條道路的循環(huán)次數(shù)，本次優(yōu)化選取19條道路的循環(huán)次數(shù)為設(shè)計(jì)變量，即j=1，2，…，19，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)變量如表3所示，其中循環(huán)上限為試驗(yàn)場(chǎng)總里程除以每條路單程里程。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量Table 3 Optimization design variables

2.2 目標(biāo)函數(shù)

道路優(yōu)化過程包括2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)即整車載荷偽損傷比(DT)和試驗(yàn)行駛總里程(S)。

1)整車載荷偽損傷目標(biāo)。根據(jù)損傷累積理論，應(yīng)使整車載荷偽損傷盡量大并接近試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷(Daim)，即每個(gè)通道偽損傷與試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷之比(偽損傷比)盡量大。

式中：Di為第i個(gè)測(cè)量通道各道路載荷偽損傷，本文83個(gè)測(cè)量通道中有54個(gè)通道數(shù)據(jù)可用于計(jì)算實(shí)際道路載荷，因此i=54。Daimi為第i個(gè)測(cè)量通道試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷。如每個(gè)測(cè)量通道均取得最大載荷偽損傷，可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化計(jì)算不收斂。因此采用下式作為優(yōu)化計(jì)算目標(biāo)：

2)試驗(yàn)行駛總里程目標(biāo)。綜合考慮汽車行駛道路銜接以及各道路循環(huán)的里程總和，同時(shí)在優(yōu)化過程中應(yīng)優(yōu)先保證試驗(yàn)總里程目標(biāo)，總里程過多則達(dá)不到加速試驗(yàn)的目的，總里程過少則載荷過于集中且強(qiáng)度太大，不符合用戶實(shí)際使用情況。試驗(yàn)行駛總里程優(yōu)化目標(biāo)為

式中：aj為第j條道路的單程里程。

2.3 約束條件

由于Miner法則并沒有考慮加載順序以及載荷損傷測(cè)試的隨機(jī)性和計(jì)算的誤差影響，為使各測(cè)量通道載荷偽損傷盡量與試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷趨于一致，通道偽損傷比約束條件可設(shè)定如下：

由于試驗(yàn)場(chǎng)道路加速耐久性試驗(yàn)總里程限制，將試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)總里程設(shè)為80 000～100 000 km，以便得到足夠數(shù)量的最優(yōu)解：

2.4 優(yōu)化計(jì)算模型

道路優(yōu)化計(jì)算模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：dij為第j條道路的第i個(gè)測(cè)量通道的單循環(huán)載荷偽損傷。

3 道路優(yōu)化結(jié)果

道路優(yōu)化計(jì)算公式定義如下：

式中：和分別為各測(cè)量通道偽損傷與試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷之比的下限和上限，?。籜L和XU分別為各設(shè)計(jì)變量的下限和上限。

選用NSGA-Ⅱ遺傳算法搜索得到最優(yōu)解，圖4所示為NSGA-Ⅱ遺傳算法種群進(jìn)化400 代后的Pareto最優(yōu)解集。由最優(yōu)解集可知：總損傷比和總里程2個(gè)目標(biāo)函數(shù)是相互矛盾的，雖然在最理想的總偽損傷比(DT=54)附近存在最優(yōu)解，經(jīng)過分析，該最優(yōu)解的總里程較少，試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)較大，而且包含的載荷類型較單一并且道路類型構(gòu)成比例不合理，與用戶實(shí)際使用情況不相符；而在總偽損傷比DT=46附近最優(yōu)解較多，有多種道路類型和載荷類型的最優(yōu)組合，通過綜合考慮選取1組最優(yōu)解(見圖4)。該組最優(yōu)解總里程接近105km，道路類型包含高速公路、城鄉(xiāng)結(jié)合路、鄉(xiāng)村壞路、盤山公路和山間土路等道路類型，路面狀況包含水泥路、砂石路、瀝青路、灰土路和試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路，且各類型道路在總里程中所占比例較高，載荷類型也較全面，只是總損傷略低于試驗(yàn)場(chǎng)值。將優(yōu)化的道路循環(huán)次數(shù)歸整，設(shè)計(jì)道路連接順序并適當(dāng)安排連接道路[18]，優(yōu)化試驗(yàn)運(yùn)行路線如圖5所示，最終優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

圖4 NSGA-Ⅱ遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Optimization results of NSGA-Ⅱalgorithm

圖5 優(yōu)化試驗(yàn)運(yùn)行線路Fig.5 Road durability test route after optimization

表4 道路優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Table 4 Optimization results of roads

4 路線數(shù)據(jù)驗(yàn)證

按照優(yōu)化結(jié)果制定耐久性試驗(yàn)運(yùn)行規(guī)范，避免載荷較大道路過于集中，將各道路載荷連接得到試驗(yàn)總里程和各通道總載荷數(shù)據(jù)[19]。54個(gè)測(cè)量通道的載荷偽損傷與試驗(yàn)場(chǎng)載荷偽損傷對(duì)比如圖6所示。由圖6可知：各通道載荷偽損傷比大都小于試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷比，偽損傷比為[0.4,1.5]，滿足損傷約束條件，但有6個(gè)通道結(jié)果靠近約束下限，如右后縱臂處偽損傷比僅為0.41，這與選擇總偽損傷比為46的最優(yōu)解有關(guān)，同時(shí)與將優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行歸整和設(shè)計(jì)道路順序以及安排連接路時(shí)減少或增加部分道路循環(huán)次數(shù)有關(guān)，說明還有繼續(xù)優(yōu)化的空間。

下面以4個(gè)車輪六分力測(cè)量輪上Z向載荷為例分析試驗(yàn)載荷與試驗(yàn)場(chǎng)載荷的對(duì)比結(jié)果，分別如圖7和圖8所示。由圖7可知：試驗(yàn)后4個(gè)車輪Z方向載荷偽損傷比雖然比試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷比略低，但仍然滿足偽損傷比要求(0.3～3.0)。由圖8 可知：4個(gè)車輪Z方向載荷成分與試驗(yàn)場(chǎng)載荷成分也基本一致，僅僅某些大載荷出現(xiàn)的次數(shù)有差別，在典型道路試驗(yàn)過程中屬于正?，F(xiàn)象，如根據(jù)路況緊急制動(dòng)和避讓等不可預(yù)知工況，這也與變速箱懸置處偽損傷比基本一致，差別次數(shù)在可接受數(shù)值范圍內(nèi)，滿足道路加速耐久性試驗(yàn)要求。左右側(cè)車輪載荷有差別也是左右側(cè)車輪的行駛路面狀況差異所致，其余測(cè)量通道對(duì)比結(jié)果亦類似。由此可見：設(shè)計(jì)試驗(yàn)路線的總里程和總載荷基本滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，試驗(yàn)運(yùn)行規(guī)范合理，可開展道路加速耐久性試驗(yàn)[20]。

圖6 優(yōu)化后載荷偽損傷與試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷對(duì)比Fig.6 Comparisons of load damages after optimization and from proving ground

圖7 優(yōu)化后車輪Z向載荷偽損傷與試驗(yàn)場(chǎng)偽損傷對(duì)比Fig.7 Comparisons of load damages in wheel Z direction after optimization and from proving ground

圖8 優(yōu)化后車輪Z向階次穿越與試驗(yàn)場(chǎng)階次穿越對(duì)比Fig.8 Comparisons of level crossing after optimization and from proving ground in wheel Z direction

5 實(shí)車對(duì)比驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的典型道路加速耐久性試驗(yàn)的有效性，精選2臺(tái)配置相同的同批次同款式量產(chǎn)車，選用2名經(jīng)驗(yàn)豐富的道路耐久性試驗(yàn)駕駛員分別在整車試驗(yàn)場(chǎng)(1 號(hào)車)和設(shè)計(jì)的典型道路路線(2 號(hào)車)上進(jìn)行道路耐久性對(duì)比試驗(yàn)[21]，每天試驗(yàn)結(jié)束后均對(duì)車輛進(jìn)行目視檢查。在1 號(hào)車完成101 129 km的試驗(yàn)場(chǎng)加速耐久性試驗(yàn)和2號(hào)車完成102 231 km的典型道路加速耐久性試驗(yàn)后，目視檢查發(fā)現(xiàn)明顯疲勞損壞，結(jié)束試驗(yàn)并分別對(duì)2臺(tái)試驗(yàn)車在白車身、底盤、動(dòng)力總成、電器等幾個(gè)方面進(jìn)行拆檢對(duì)比。由于道路耐久性試驗(yàn)通常依據(jù)零部件是否出現(xiàn)疲勞破壞進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，基本不作零部件疲勞耐久性的定量評(píng)價(jià)(不測(cè)量殘余壽命)，因此本次拆檢只對(duì)零部件進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。以底盤拆檢結(jié)果為例，依據(jù)磁粉探傷結(jié)果，底盤金屬零件沒有發(fā)現(xiàn)明顯疲勞破壞問題。非金屬件分別以右后縱臂和變速箱懸置為例，具體疲勞破壞情況分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可見：2臺(tái)車右后縱臂和變速箱懸置的疲勞破壞位置和破壞形式基本相同，其他測(cè)量位置亦有類似結(jié)果，且發(fā)現(xiàn)明顯疲勞破壞問題時(shí)2臺(tái)試驗(yàn)車加速耐久試驗(yàn)里程均超過105km。

圖9 2臺(tái)車右后縱臂鉸鏈撕裂的位置和形式Fig.9 Tearing positions and bushing forms of 2 vehicles

圖10 2臺(tái)車變速箱懸置開裂部位Fig.10 Tearing positions of gear-box mount of 2 vehicles

拆檢對(duì)比結(jié)果說明典型道路加速耐久性試驗(yàn)可以達(dá)到與試驗(yàn)場(chǎng)加速耐久性試驗(yàn)等效的試驗(yàn)結(jié)果。另外，進(jìn)行典型道路加速耐久性試驗(yàn)的道路需要定期進(jìn)行道路載荷監(jiān)控，以保證典型道路載荷損傷與試驗(yàn)場(chǎng)載荷偽損傷的一致性，當(dāng)載荷偽損傷變化時(shí)，可隨時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行方案調(diào)整，增加或減少現(xiàn)有試驗(yàn)里程以及補(bǔ)充新的道路。目前已經(jīng)持續(xù)對(duì)典型道路載荷監(jiān)控4 a，典型道路載荷損傷和試驗(yàn)運(yùn)行效果基本保持穩(wěn)定。

6 結(jié)論

1)綜合采用道路狀態(tài)評(píng)估、駕駛員主觀判斷和道路載荷測(cè)量客觀評(píng)價(jià)的方法可以對(duì)中國典型道路進(jìn)行較全面的篩選。

2)在合理范圍內(nèi)以整車載荷偽損傷最大和試驗(yàn)里程最小為優(yōu)化目標(biāo)，以各道路循環(huán)次數(shù)為設(shè)計(jì)變量，用NSGA-Ⅱ遺傳算法對(duì)試驗(yàn)道路進(jìn)行道路組合與循環(huán)優(yōu)化計(jì)算，可以得到Pareto 最優(yōu)解集，選取的最優(yōu)解可以兼顧試驗(yàn)道路載荷組成多樣化且比例合理，但整體載荷偽損傷稍偏低。

3)在滿足載荷偽損傷和行駛里程要求的同時(shí)，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的中國典型道路可以進(jìn)行整車加速耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)場(chǎng)加速耐久性試驗(yàn)結(jié)果等效。