李升 鄭亮 湯偉雄 李文鋒

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣州 511434）

1 前言

在汽車(chē)行駛過(guò)程中，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)不僅要承受來(lái)自動(dòng)力源的周期性激勵(lì)，還受到路面狀況、駕駛行為（如起步、換擋、制動(dòng)、加速或減速）及系統(tǒng)內(nèi)部零部件的各種動(dòng)態(tài)影響[1]。對(duì)于混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池和電機(jī)控制器等，與傳統(tǒng)燃油車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)相比，其工作模式、動(dòng)力傳遞路徑和受力情況更為復(fù)雜。目前，關(guān)于整車(chē)級(jí)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)與用戶工況和傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷關(guān)聯(lián)的研究較少。

作為混合動(dòng)力汽車(chē)的核心系統(tǒng)之一，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的耐久性被視為評(píng)估汽車(chē)整體質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，符合混合動(dòng)力汽車(chē)實(shí)際用戶使用場(chǎng)景的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方案開(kāi)發(fā)，是汽車(chē)行業(yè)需要深入研究的課題。本文主要通過(guò)分析車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)提取用戶相關(guān)信息[2]，借助整車(chē)加速驗(yàn)證方法和傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷等效理論進(jìn)行用戶關(guān)聯(lián)試驗(yàn)規(guī)范開(kāi)發(fā)。通過(guò)篩選用戶的中、大負(fù)荷工況構(gòu)建試驗(yàn)工況實(shí)現(xiàn)加速驗(yàn)證，再利用傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷等效理論將試驗(yàn)工況與用戶的傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷進(jìn)行等效關(guān)聯(lián)，完成驗(yàn)證規(guī)范的制定。

2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)獲取

本文所采集的車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于某品牌的混合動(dòng)力車(chē)型。為確保車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的合理性、代表性及全面性，在全國(guó)典型及主要銷(xiāo)售城市篩選600 余臺(tái)車(chē)輛，分布在華南、華中、西南、東北4個(gè)地區(qū)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸示意

在用戶類(lèi)型的選擇上，考慮了用戶的不同駕駛習(xí)慣和風(fēng)格[3]。采用駕駛風(fēng)格分析模型，通過(guò)分析駕駛員在使用加速踏板、制動(dòng)踏板和轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)的操作數(shù)據(jù)識(shí)別駕駛員的風(fēng)格并將其進(jìn)行分類(lèi)排序。最終選擇了一組具有代表性的用戶樣本，其駕駛風(fēng)格涵蓋了從保守到激進(jìn)的第95 百分位用戶，如圖2所示，由此確保了用戶類(lèi)型的廣泛性和樣本的代表性。

圖2 用戶駕駛風(fēng)格類(lèi)型

經(jīng)用戶授權(quán)同意，在車(chē)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集模塊，收集GPS、車(chē)速、加速度、3 個(gè)動(dòng)力源（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)）的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等信號(hào)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為6個(gè)月，總里程超過(guò)300×104km。

3 基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的試驗(yàn)規(guī)范開(kāi)發(fā)方法

3.1 用戶關(guān)聯(lián)及規(guī)范開(kāi)發(fā)

本文可靠性試驗(yàn)規(guī)范開(kāi)發(fā)包括用戶工況分析、用戶傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷等效關(guān)聯(lián)、可靠性試驗(yàn)規(guī)范制定3個(gè)部分。通過(guò)工況統(tǒng)計(jì)分析提取用戶典型的中、高負(fù)荷工況，初步構(gòu)建試驗(yàn)組合工況。然后實(shí)車(chē)采集并計(jì)算試驗(yàn)場(chǎng)組合工況傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷，與由車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取的用戶傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷進(jìn)行等效關(guān)聯(lián)，以確保試驗(yàn)組合工況能夠真實(shí)反映用戶在24×104km 使用周期內(nèi)的使用強(qiáng)度[4]。用戶關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)規(guī)范建立流程如圖3所示。

圖3 用戶關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)規(guī)范建立流程

3.2 用戶工況分析關(guān)聯(lián)

不同于傳統(tǒng)燃油車(chē)僅通過(guò)內(nèi)燃機(jī)輸出動(dòng)力，混合動(dòng)力汽車(chē)需考慮電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的交互作用及二者對(duì)整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。如圖4 所示，在進(jìn)行混合動(dòng)力車(chē)型試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮引入代表性沖擊載荷場(chǎng)景，如車(chē)輛經(jīng)過(guò)減速帶的工況。

圖4 車(chē)輛通過(guò)減速帶工況下傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩對(duì)比

本文用戶工況分析關(guān)聯(lián)主要使用車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，基于車(chē)速、加速度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)，通過(guò)工況聚類(lèi)分析、載荷分析等提取中、高負(fù)荷工況，根據(jù)使用分布情況以第95百分位作為提取指標(biāo)，明確用戶典型工況類(lèi)型及用戶執(zhí)行操作次數(shù)，從而構(gòu)建試驗(yàn)組合工況，如圖5所示。

圖5 用戶工況提取關(guān)聯(lián)

將用戶工況劃分為11種典型工況，可以歸納為變速工況、高速工況、爬坡工況、沖擊工況、其他工況（倒車(chē)、轉(zhuǎn)向等）5個(gè)類(lèi)別，如表1所示?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)主要考核工況為交變轉(zhuǎn)矩及持續(xù)中、大轉(zhuǎn)矩工況，在用戶實(shí)際行駛過(guò)程中，交變轉(zhuǎn)矩主要是指用戶頻繁進(jìn)行加、減速，主要對(duì)應(yīng)用戶大坡度爬坡及高速行駛的駕駛場(chǎng)景。同時(shí)，也需考慮用戶的常規(guī)操作，如倒車(chē)、繞圓、半坡起步、過(guò)減速帶等工況?；谟脩舻湫凸r，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化成4類(lèi)，共11種試驗(yàn)工況，如表2所示。

表1 用戶工況分類(lèi)

表2 本文試驗(yàn)工況分類(lèi)

本文以大坡度勻速行駛工況為例，首先通過(guò)提取600余臺(tái)車(chē)輛行駛中持續(xù)中、大轉(zhuǎn)矩輸出數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每輛車(chē)外推至24×104km實(shí)際爬坡次數(shù)分布，如圖6所示。

圖6 大扭矩爬坡次數(shù)分布

由圖6可知，通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的提取分析，混合動(dòng)力系統(tǒng)持續(xù)大轉(zhuǎn)矩工況下，覆蓋95%用戶的大轉(zhuǎn)矩爬坡工況應(yīng)設(shè)置不少于1 019 次。同時(shí)，根據(jù)某地圖白皮書(shū)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在17%～28%坡度的坡道上，用戶以10～20 km/h 的車(chē)速爬坡里程占比約為2/3，如圖7所示。

圖7 17%～28%坡度道路行駛車(chē)速分布

根據(jù)車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，99.6%的大轉(zhuǎn)矩爬坡工況中，爬坡持續(xù)時(shí)間均在10 s以內(nèi)。因此，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)條件，選定在坡度為30%的坡道上以20 km/h勻速爬坡工況，爬行時(shí)長(zhǎng)約為10 s，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩約為最大輸出轉(zhuǎn)矩的70%，執(zhí)行1 019次可覆蓋95%用戶24×104km 行駛里程的中、大轉(zhuǎn)矩爬坡工況。同理，對(duì)用戶其他典型使用工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與提取，可獲取全部試驗(yàn)工況的初步執(zhí)行次數(shù)，如表3所示。

表3 覆蓋95%用戶24×104 km行駛目標(biāo)工況執(zhí)行次數(shù)

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷等效關(guān)聯(lián)

對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞損傷來(lái)說(shuō)，為了等效關(guān)聯(lián)用戶使用壽命，需要確保試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)組合工況能夠反映車(chē)輛在設(shè)計(jì)規(guī)定的里程內(nèi)相同的疲勞損傷程度[5]，以便充分暴露動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量問(wèn)題。因此，需要獲取用戶傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷譜進(jìn)行損傷計(jì)算，并將其與試驗(yàn)場(chǎng)的工況進(jìn)行疲勞損傷等效。

通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)獲取混合動(dòng)力汽車(chē)多個(gè)動(dòng)力源的行駛數(shù)據(jù)，并通過(guò)仿真運(yùn)算獲取用戶傳動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)載荷譜。根據(jù)損傷等效原理[6]，如果汽車(chē)的輸入載荷相同，那么隨之產(chǎn)生的疲勞損傷理論上也應(yīng)相同，汽車(chē)各部位所承受的載荷基本上與汽車(chē)的輸入載荷成比例?；谶@一原理，如果已知用戶實(shí)際使用環(huán)境中汽車(chē)的載荷輸入，就可以在試驗(yàn)場(chǎng)道路上通過(guò)模擬組合工況對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)部件施以特定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩重現(xiàn)這一載荷輸入，達(dá)到傳動(dòng)部件壽命相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的上傳頻率通常為1 Hz，為評(píng)估1 Hz 的載荷譜數(shù)據(jù)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞損傷計(jì)算的影響，采集實(shí)車(chē)道路綜合工況數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。設(shè)備最大數(shù)據(jù)采集頻率為100 Hz，設(shè)置1 Hz、10 Hz、100 Hz 3種采集頻率，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)這3組不同頻率的載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，可得出：載荷譜數(shù)據(jù)的頻率降低至1 Hz 時(shí)，混合動(dòng)力汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷計(jì)算精準(zhǔn)性受影響較??；將100 Hz 頻率載荷譜計(jì)算結(jié)果與1 Hz 頻率載荷譜計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要零部件平均損傷值約為92.45%，具體損傷值對(duì)比如表4 所示；通過(guò)將各零部件載荷譜數(shù)據(jù)在1 Hz和100 Hz 頻率下的損傷值進(jìn)行對(duì)比，可獲得修正系數(shù)，將用戶載荷譜按系數(shù)進(jìn)行修正，可得到更精準(zhǔn)的載荷譜數(shù)據(jù)。

表4 不同頻率下的損傷比%

按以上方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)按設(shè)計(jì)目標(biāo)里程進(jìn)行外推，得到設(shè)計(jì)或驗(yàn)證所需的載荷譜數(shù)據(jù)，用于后續(xù)試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范開(kāi)發(fā)時(shí)目標(biāo)載荷譜的輸入。

由于混合動(dòng)力車(chē)型有多種驅(qū)動(dòng)模式，不同驅(qū)動(dòng)模式下混合動(dòng)力變速器內(nèi)零部件受力不同，需根據(jù)混合動(dòng)力變速器內(nèi)各軸齒受力特性將其分解，以便進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算。根據(jù)前文所提取的試驗(yàn)工況，利用Miner 線性累積損傷準(zhǔn)則[7]可以計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)各軸系、齒輪系在各子工況下的疲勞損傷。同時(shí)，基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)提取的載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，獲取用戶24×104km里程下傳動(dòng)系統(tǒng)各軸系、齒輪系的目標(biāo)總損傷值如表5所示。

表5 用戶24×104 km行駛目標(biāo)工況總疲勞損傷值

3.4 試驗(yàn)規(guī)范制定及驗(yàn)證

為覆蓋用戶24×104km 行駛目標(biāo)總疲勞損傷值，以各子工況單位損傷值進(jìn)行各旋轉(zhuǎn)件的協(xié)同損傷最優(yōu)組合，同時(shí)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作的便利性，在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行工況先后順序排列組合，獲得用于考核混合動(dòng)力車(chē)型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)規(guī)范。表6所示為各試驗(yàn)子工況的執(zhí)行總次數(shù)。

表6 試驗(yàn)子工況操作次數(shù)

為檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范的合理性及有效性，搭載多款車(chē)型進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)，如圖8所示，從驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間、傳動(dòng)系統(tǒng)的軸齒損傷值、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件溫度范圍、混合動(dòng)力變速器換擋次數(shù)4 個(gè)方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：試驗(yàn)規(guī)范能夠較好地覆蓋用戶使用情況，可同時(shí)兼顧混合動(dòng)力系統(tǒng)各動(dòng)力源的考查。

圖8 試驗(yàn)規(guī)范工況與用戶行駛24×104 km工況傳動(dòng)系統(tǒng)損傷對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)獲取了用戶實(shí)際使用工況類(lèi)型及操作次數(shù)，并利用實(shí)車(chē)路譜采集和大數(shù)據(jù)分析得到傳動(dòng)系統(tǒng)目標(biāo)里程所產(chǎn)生的疲勞損傷。基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，制定了混合動(dòng)力車(chē)型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)耐久試驗(yàn)規(guī)范，并確保其滿足用戶使用壽命要求。

然而，用戶對(duì)車(chē)輛的使用壽命需求會(huì)隨著技術(shù)進(jìn)步和使用習(xí)慣而改變，因此需要持續(xù)收集車(chē)聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)以優(yōu)化試驗(yàn)場(chǎng)景和方法。本文研究結(jié)果可應(yīng)用于系統(tǒng)級(jí)及零部件級(jí)的臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定，還可為降低產(chǎn)品成本、提高試驗(yàn)認(rèn)證的準(zhǔn)確性提供數(shù)據(jù)支持。