吉雷 袁志剛 姚偉 李偉慶 鄭興華
摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)電動(dòng)車起步、停車工況驗(yàn)證不足的問(wèn)題,基于城市道路起步停車次數(shù)多的特點(diǎn),文章提出一種電動(dòng)車城市道路循環(huán)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)方法。結(jié)合城市道路類型以及駕駛方式定義試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù),按照試驗(yàn)開(kāi)發(fā)目標(biāo)定義強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)和試驗(yàn)里程構(gòu)建初步試驗(yàn)方案,通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備開(kāi)展道路載荷測(cè)量。通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法及疲勞損傷理論對(duì)道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷強(qiáng)度計(jì)算,得出強(qiáng)度系數(shù)。根據(jù)強(qiáng)度系數(shù)閾值調(diào)整試驗(yàn)方案,達(dá)到強(qiáng)度系數(shù)目標(biāo),確定試驗(yàn)方法。實(shí)測(cè)結(jié)果證明:該方法具有可操作性,并能達(dá)到目標(biāo)要求,完成實(shí)際試驗(yàn)開(kāi)發(fā)。
關(guān)鍵詞:電動(dòng)車 城市道路 道路載荷 強(qiáng)度系數(shù)
1 引言
當(dāng)前面臨空氣污染和能源危機(jī)等社會(huì)問(wèn)題,電動(dòng)汽車作為一個(gè)重要的解決方案,目前取得了很大的技術(shù)進(jìn)步,并逐步得到用戶認(rèn)可。在政策和市場(chǎng)的雙重作用下,2022年我國(guó)新能源汽車依然保持爆發(fā)式增長(zhǎng),全年產(chǎn)銷量分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛,同比分別增長(zhǎng)96.9%和93.4%,連續(xù)8年位居全球第一。并且,新能源汽車的市場(chǎng)占有率達(dá)到25.6%,高于2021年12.1個(gè)百分點(diǎn)。其中,純電動(dòng)汽車依然是整個(gè)新能源市場(chǎng)的核心,2022年銷量為536.5萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)81.6%。
從消費(fèi)者的使用需求來(lái)看,82.6%的消費(fèi)者為代步使用,因此電動(dòng)車在實(shí)際使用中城市工況占大多數(shù)。城市工況會(huì)產(chǎn)生很多起步停車的動(dòng)作,并且經(jīng)常使用到能量回收功能,在能量回收過(guò)程中會(huì)對(duì)動(dòng)力電池充電并對(duì)傳動(dòng)系產(chǎn)生載荷,因此電動(dòng)車城市工況會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸和動(dòng)力電池產(chǎn)生更大的載荷強(qiáng)度。傳統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)是基于燃油車進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),啟停工況少,不能滿足對(duì)于該載荷強(qiáng)度的驗(yàn)證。
本文根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo),設(shè)計(jì)通過(guò)公開(kāi)路面實(shí)現(xiàn)耐久試驗(yàn)開(kāi)發(fā)方案,通過(guò)實(shí)際道路載荷測(cè)量和強(qiáng)度計(jì)算,能夠達(dá)到目標(biāo)要求,試驗(yàn)方法獲得認(rèn)可,驗(yàn)證了該方案的可行性,為基于公開(kāi)路面進(jìn)行耐久試驗(yàn)開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。
2 試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)及強(qiáng)度指標(biāo)定義
根據(jù)城市道路特點(diǎn)及實(shí)際駕駛方式,對(duì)城市道路進(jìn)行調(diào)研,即統(tǒng)計(jì)道路類型和與道路類型對(duì)應(yīng)的路況和駕駛行為。道路類型包括環(huán)島、鐵軌路口、紅綠燈路口等,路況包括城市擁堵路況,駕駛行為包括掉頭、直角轉(zhuǎn)彎、超車、起步、剎車等。
針對(duì)該試驗(yàn)的目標(biāo)和考察重點(diǎn)定義強(qiáng)度指標(biāo),包括:橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門(mén)踏板、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩。
3 道路載荷測(cè)量
3.1 規(guī)劃初步運(yùn)行方案
根據(jù)場(chǎng)景庫(kù)與測(cè)試要求的匹配性以及總的試驗(yàn)里程規(guī)劃初步運(yùn)行方案。比如為了滿足縱向加速度強(qiáng)度指標(biāo),需要選擇紅綠燈多的城市擁堵路段,這樣會(huì)有更多的起步和停車次數(shù),并且需要用運(yùn)動(dòng)的風(fēng)格駕駛車輛,運(yùn)動(dòng)的風(fēng)格指的是大的油門(mén)起步以及重踩制動(dòng)踏板,這樣會(huì)產(chǎn)生大的縱向加速度以匹配測(cè)試要求。
結(jié)合道路類型、路況和駕駛行為制定初步運(yùn)行方案,該方案包括兩條城市道路,分別見(jiàn)圖1和圖2。
3.2 道路載荷測(cè)量準(zhǔn)備
選取和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相同的車輛,并按車輛允許載荷的80%進(jìn)行加載。加載通過(guò)裝載85kg水人的方式進(jìn)行,對(duì)于不足的載荷可以用沙袋進(jìn)行補(bǔ)充。
通過(guò)車輛總線連接數(shù)采設(shè)備,并進(jìn)行配置文件編寫(xiě),保證能夠記錄強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的總線信號(hào)。
對(duì)駕駛員進(jìn)行培訓(xùn),遵守道路交通規(guī)則,以安全為前提。按照運(yùn)行風(fēng)格進(jìn)行駕駛,快速起步和大力制動(dòng)可以獲得更好的縱向載荷,快速過(guò)彎可以獲得更好的橫向加速度,Z向加速度通過(guò)不同路面顛簸和對(duì)應(yīng)的車速來(lái)獲取。
3.3 道路載荷測(cè)量
在遵守道路交通規(guī)則和安全的前提下,按照要求的駕駛方式在選定的兩條道路上行駛,采集道路載荷數(shù)據(jù),記錄每條路測(cè)量的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間以及駕駛員姓名。為了避免數(shù)據(jù)的隨機(jī)性,對(duì)每條道路進(jìn)行4次測(cè)量,并由兩名駕駛員進(jìn)行駕駛,按照要求做好數(shù)據(jù)記錄。
4 載荷強(qiáng)度計(jì)算
4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
首先通過(guò)測(cè)量時(shí)間檢查數(shù)采設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)是否完整,并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。對(duì)數(shù)據(jù)總線解析文件進(jìn)行編輯處理,獲得需要的總線信號(hào)。通過(guò)特定的數(shù)據(jù)解析文件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,得到強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的總線信號(hào),包括橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門(mén)踏板、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩等??v向加速度信號(hào)如圖3所示。并按要求的格式輸出,以便進(jìn)行載荷強(qiáng)度計(jì)算。
4.2 載荷強(qiáng)度計(jì)算
應(yīng)力幅的大小直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的損傷度計(jì)算,因此需要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以便得到不同大小應(yīng)力幅的出現(xiàn)次數(shù)。然后結(jié)合各應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的損傷度和各應(yīng)力幅出現(xiàn)的次數(shù),得出結(jié)構(gòu)的總損傷。
雨流計(jì)數(shù)法簡(jiǎn)稱雨流法,也稱塔頂計(jì)數(shù)法。雨流計(jì)數(shù)法對(duì)載荷的時(shí)間歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)的過(guò)程反映了材料的記憶特性,具有明確的力學(xué)概念,因此該方法得到了普遍的認(rèn)可。
雨流計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)方法如圖4所示:
1)雨流的起點(diǎn)依次從每個(gè)峰值的內(nèi)側(cè)邊開(kāi)始,波形左半部為內(nèi)側(cè)邊;
2)雨點(diǎn)在下一個(gè)峰值落下,直到對(duì)面有一個(gè)比開(kāi)始時(shí)的峰值更大的峰值為止,也就是說(shuō)比開(kāi)始時(shí)的最大值更大的值或者比最小值更小的值為止;
3)當(dāng)雨流遇到來(lái)自上面屋頂流下的雨時(shí),也就停止;
4)按以上過(guò)程取出所有全循環(huán),并記下各自的變程;
5)再按正負(fù)斜率去除所有半循環(huán),并記下各自的變程;
6)把取出的半循環(huán)按修正的“變程對(duì)”計(jì)數(shù)法配成全循環(huán)。
本文通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法以及疲勞損傷理論對(duì)道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,并和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,得出強(qiáng)度系數(shù)。
如果某強(qiáng)度指標(biāo)未達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),則從場(chǎng)景庫(kù)中選擇能夠提高該指標(biāo)的場(chǎng)景,從而將相應(yīng)的路段、路況和駕駛行為加入到新的運(yùn)行方案中。比如,縱向加速度指標(biāo)不滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),就多加紅綠燈,加速行為、制動(dòng)行為。
如果某強(qiáng)度指標(biāo)明顯超過(guò)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),可以從新的運(yùn)行方案中剔除能夠提高該指標(biāo)的場(chǎng)景。
對(duì)新的運(yùn)行方案進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,直到所有指標(biāo)都滿足強(qiáng)度系數(shù)閾值,縱向加速度、橫向加速度及Z向加速度強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。
對(duì)不同電機(jī)扭矩和持續(xù)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),電機(jī)扭矩和持續(xù)的時(shí)間與目標(biāo)值具有良好的一致性,如圖6所示。
4.3 制定試驗(yàn)方案
根據(jù)載荷計(jì)算結(jié)果,確定試驗(yàn)路線及駕駛方式,制定試驗(yàn)方案。主要要求如下:
1)車輛按允許載荷的80%加載;
2)在遵守道路交通規(guī)則的前提下,按照運(yùn)動(dòng)的方式駕駛,重踩油門(mén)加速起步以及重踩制動(dòng)踏板減速,已獲得足夠的縱向加速度;快速過(guò)彎以獲得足夠的橫向加速度;
3)按照路線1和路線2交替循環(huán)運(yùn)行的方式開(kāi)展試驗(yàn),完成10萬(wàn)公里試驗(yàn)里程。
5 結(jié)論
本文通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)及強(qiáng)度指標(biāo)定義、道路載荷測(cè)量、載荷強(qiáng)度計(jì)算及優(yōu)化,完成城市道路循環(huán)試驗(yàn)開(kāi)發(fā),試驗(yàn)方案已獲得認(rèn)可。該方法簡(jiǎn)要過(guò)程如圖7所示。
實(shí)測(cè)結(jié)果證明,該方法具有可操作性,為后續(xù)基于公開(kāi)路面開(kāi)發(fā)耐久試驗(yàn)提供參考。
參考文獻(xiàn):
[1]葉毅銘,張大禹,衛(wèi)龍龍,等. 純電動(dòng)汽車城市循環(huán)工況構(gòu)建方法研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù),2019(23).
[2]龍巖,蔣凌山,熊海林,等. 應(yīng)用中國(guó)典型道路的道路耐久試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019(11).
[3]武振,梁東,聶振宇,等. 基于用戶道路的整車耐久性試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2021.
[4]楊陽(yáng). 純電動(dòng)汽車城市循環(huán)工況的研究[J]. 時(shí)代農(nóng)機(jī),2017(10).
[5]張思遠(yuǎn). 基于實(shí)際交通環(huán)境的電動(dòng)汽車循環(huán)工況構(gòu)建研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù),2017(24).