李安民 周志明 林文干

摘  要：根据客户调研结果，实测用户道路载荷谱和试验场道路载荷谱，用nCode GlyphWorks软件进行数据处理和分析。通过对轴头加速度、轴头位移以及板簧应变的损伤计算，确定出基于轴头位移进行试验场路面与用户路面的当量关系计算。最后通过对数据的雨流计数分布以及频域损伤谱的分析，进一步验证了所计算当量关系的准确性以及适用性，为在试验场进行整车路面负荷可靠性快速验证提供了一定的理论依据。

关键词：路面载荷谱；当量关系；整车可靠性试验；频域损伤谱

中图分类号：U467.5       文献标志码：A      文章编号：1005-2550（2023）06-0077-05

Calculation of Equivalent Relationship Between Proving Ground and Real Road

LI An-min， ZHOU Zhi-ming， LIN Wen-gan

（Commercial Product R&D Institute， Dongfeng Automobile

Co.， Ltd.， Xiangyang 430000， China）

Abstract： According to the customer survey results， loading data were measured in proving ground and real road respectively， and the data were processed and analyzed with nCode GlyphWorks. Through the damage calculation of the axle head acceleration， displacement and leaf spring strain， the equivalent relationship between proving ground and real road is determined based on the axle head displacement. Finally， the accuracy and applicability of the calculated equivalence relationship are further verified by analyzing the rain flow counting distribution and fatigue damage spectrum of the data， which provides a theoretical basis for the rapid verification of vehicle road load reliability in proving ground.

Key Words： loading spectrum; equivalent relation; vehicle reliability test; fatigue damage spectrum

1     引言

在汽车开发阶段，试验场验证作为最后一道考核和检验手段具有举足轻重的地位。试验场验证通常采用不超过用户道路载荷的最大值，对车辆进行快速可靠性验证。如果车辆通过试验场的验证说明设计的产品是合格的，如果车辆未通过试验场的考核，说明产品存在欠设计，如果车辆强度远大于试验场的验证强度，则说明产品属于过设计，使得车辆在市场上欠缺一定的经济性和竞争力。因此找到合适强度的试验场验证方法是我们可靠性验证工作中一项重要工作[1]。

若将用户道路和试验场组合道路的载荷谱采集下来，通过名义损伤强度和频率分布对比，就可以在试验场比较准确的复现用户道路的载荷，从而达到对产品加速考核的目的。在对用户道路和试验场道路对比分析时，当前国内一些主机厂和科研机构也进行了一些研究。陈孟春等[2]采用车身及发动机悬置应变来计算某越野车在定远试验场和襄阳试验场的当量关系；吴建国等[3]采用后桥轴头的垂向力、纵向力和测向力信号进行了用户道路谱与试验场道路谱的载荷当量等效模拟研究；王万英等[4]采用车桥轴头和车身加速度对用户道路和试验场道路的关联分析。

然而直接以加速度数据作为“名义应力”直接反映损伤量的大小有一定误差，因此本文通过将加速度信号转化为位移信号，根据位移信号进行损伤计算的方法，得到了某车型的用户道路和试验场道路的当量关系，并通过雨流分布和板簧应变信号损伤计算得到的当量关系对计算结果进行了验证。对利用轴头加速度信号快速计算两种不同路面的载荷关系具有一定的借鉴意义。

2    用户关联试验技术说明

2.1   名义损伤概念

在计算损伤时我们通常用实测的应力或者应变通过设定的应力S-N曲线与应变ε-N曲线进行计算，这种方式得到损伤是零部件的真实损伤。但在测试时，应变的测量一般需要打磨部件，而有些零部件由于其本身的状态、位置及空间等因素的影响，很难测试其实际应力的大小。因此在实际工程中，有时会采集加速度、位移、力、力矩等信号，将他们统称为“名义应力”，然后根据预设的S-N曲线，计算出这些“名义应力”产生的损伤值，就称为“名義损伤”。

2.2   载荷谱关联技术

要使用户道路与试验场道路具有很强的关联性，其目的是为了使用户道路路面对轮胎的激励与试验场道路对轮胎的激励尽量达到一致。此外，汽车簧上部分的载荷大多是通过板簧悬架传递的，因此数据采集位置选择前后桥轴头以及板簧、车架等位置。将测得的数据进行处理计算，然后通过调整试车场道路中各路段的组合以及试验场与用户道路的当量关系，使两者各通道的名义损伤和雨流计数结果满足下式：

Ai×ni =Bi

式中，ni为用户道路与试验场道路的当量关系，Ai为用户道路各通道名义损伤或雨流计数载荷范围，Bi为试验场道路各通道的名义损伤或雨流计数载荷范围。

3    路面载荷谱采集

3.1   确定测试路面

由于汽车的使用范围很广，用户通常使用的载荷大小和路面情况以及驾驶习惯不能确定，因此需要在全国范围内选择几处比较有代表性的地区进行调研，调研的结果如下所示：

1、用户的目标行驶里程为30万公里，年平均行驶里程在37000公里；

2、车辆行驶速度主要在55-70km/h，加载状况主要有空载、半载、满载超载四种状态；

3、各道路占比主要有：城市道路占比72%，国道/省道占比18%，高速占比9%，山区道路占比1%。

具体30万公里的载荷和里程分配如表1所示。

3.2   确定数据采集点

根据前文所述，选择轴头和板簧位置作为当量关系计算的测点，分别测试轴头车架加速度、板簧应变作为计算的基本数据，共12个测点，13个通道，具体如表2所示。试验车辆符合其技术要求标准，数采设备采用eDAQ数据采集系统，用nCode GlyphWorks软件进行数据的处理和分析。

3.3   路谱采集

试验场选用襄阳试车场，选择石块路、综合路以及二环路等总共12.5公里作为试验场的采集路面。用户道路选择襄阳市区内的道路、襄阳周边的国道、襄阳至保康高速路段以及保康境内的山区道路作为用户目标道路。将车辆在测试前根据调研的载荷分配进行配重，且为避免不同驾驶员的驾驶习惯，使得测试的数据具有一定的代表性，使用3名司机，每位司机分别在相同的道路采集3次，每种载荷每种路况总共测得9组试验数据，选择其中一组数据进行当量关系计算。

4    当量关系计算

4.1   载荷数据预处理

采集到的路谱数据一般具有毛刺、趋势项等缺陷存在，需要对载荷数据进行预处理。利用GlyphWorks软件对数据进行处理，消除异常信号，试车场的某一段路处理后数据如图1所示。利用板簧板簧应变信号对不同路面的9组数据分别进行损伤计算，形成9×4的损伤向量，然后选择损伤值在中间的那一组数据，即存活率为50%的数据。将对应采集次数的轴头加速度进行两次积分，求出其位移数据，再分别根据轴头加速度和位移计算出的不同道路的单位公里损伤量，与板簧应变计算出的结果进行对比。

4.2   损伤比计算及验证

首先以满载数据为例，将采集到的用户道路中不同类型路面的轴头加速度信号进行雨流计数（From-To），然后分别外推到表1中满载所对应的里程，再进行叠加即可得到满载工况所对应的雨流矩阵，用同样的方法将试验场道路的轴头加速度雨流矩阵外推到与用户道路相同里程，根据外推后的雨流矩阵分别计算出用户道路和试验场道路的名义损伤，根据两者之间的关系，计算出的当量关系为6。然后将加速度数据经过两次积分转化为位移，根据位移数据重复上述过程，计算的当量关系为24。由于这两种方式的计算结果相差较大，因此与根据整车板簧应变数据进行计算的当量关系进行比较分析，选择比较合理的计算方式。根据应变数据计算的用户道路与试验场的当量关系为28。比较上述结果，发现位移计算结果与应变计算结果比较接近，并经过分析发现在较好的路面上，由于车辆速度较快，造成的轴头振动加速度较大，但振动频率较高，对车辆造成的实际损伤比较小，因此直接以轴头加速度作为“名义应力”进行损伤计算具有较大的误差，将轴头加速度进行两次积分得到位移，能够比较准确的反映损伤的大小。而对于选择板簧应变或者轴头位移作为基础数据进行计算，主要是轴头位置更靠近轮胎，更加能够准确的代表路面的负荷强度，因此选择轴头数据进行计算市场与试验场的当量关系。

对空载、半载、满载以及超载载荷，根据轴头位移数据分别进行试验场和市场道路的损伤计算，然后根据计算结果，调整试验场各路段的占比，形成新的试验规范，计算出不同载荷的损伤比如图2所示。根据结果可以看出，损伤比基本在1附近，所有损伤比的均值为1.02，说明新的试验规范所定义的当量关系是较为准确的。下面分别在通过轴头位移以及车架端位移的雨流分布进行验证，查看载荷数量及大小分布是否合理[5]。

根据所计算的当量关系选取车架端数据进行雨流计数，结果如图3所示。将车架端加速度进行二次积分得到其位移数据，从图中可以看出，无论轴头位置还是车架位置，试验场与用户道路的路面载荷谱大小分布基本比较一致，试车场并没有存在远大于路面的载荷。因此，在损伤量相等的情况下，试验场路面能够较好的复现用户道路的路面负荷，完成整车的路面可靠性试验。

此外，通过频域疲劳损伤谱[6]来进行验证市场道路与试验场道路在各频率下损伤值的大小。频域损伤谱（Fatigue Damage Spectrum，FDS）是用来衡量结构在路面激励作用下不同频率下的损伤量。其计算方式为在一定的固有频率下，应用单自由度传递函数来过滤加速度数据，并同时将加速度数据转化为位移数据，再进行疲劳损伤计算，从1Hz开始，以步长为1Hz逐步增加单自由度系统的固有频率，将得到的数据作为“名义应力”即可获得各频率下的损伤量。以固有频率为横坐标，疲劳损伤为纵坐标绘制出车辆的频率疲劳损伤谱。将满载轴头垂向加速度数据进行上述过程，计算出其四个轴头的频率损伤谱，如图4所示。从图中可看出，左前、右前、左后和右后轴头位置的加速度频域损伤谱分布在试验场和用户道路上较为一致，均在0.5-2Hz，10-15H内损伤较大。

5    结论

本文根据客户调研结果，根据实测的用户道路载荷谱和试验场道路载荷谱，通过对轴头加速度、轴头位移以及板簧应变的损伤计算，确定出基于轴头位移进行试车场路面与用户路面的当量关系计算。最后通过不同载荷状态下的轴头位置损伤比、雨流计数分布以及轴头位置的频域损伤谱，进一步验证了所计算当量关系的有效性以及适用性，为整车的路面负荷可靠性快速验证提供了一定的理论依据。

参考文献：

[1]门玉琢，李显生，于海波. 与用户相关的汽车可靠性试验新方法[J]. 机械工程学报，2008，44（2）：7.

[2]陈孟春，熊恭祥. 试验场道路当量关系研究[J]. 汽车科技， 2008（z1）：4.

[3]吴建国，周鋐，陈栋华，等. 目标用户道路谱与试验场道路谱的载荷当量等效模拟研究[J]. 汽车技术，2007（7）：4.

[4]王万英，吴顺洪，唐北平，等. 试验场道路与用户道路的当量关系研究[J]. 重庆理工大学学报：自然科学，2010（12）：5.

[5]王霄鋒. 汽车可靠性工程基础[M]. 清华大学出版社，2007.

[6]邓鑫. 整车四通道快速模拟试验加载谱编制方法研究[D]. 上海理工大学.

专家推荐语

陈孟春

国家汽车质量监督检验中心（湖北）

副总工程师  研究员级高级工程师

应用nCode GlyphWorks软件，对实测用户道路载荷谱和试验场道路载荷谱进行疲劳伪损伤计算，以及频域损伤谱分析，计算试验场载荷与用户实际使用载荷当量关系，为在试验场进行整车可靠性快速验证提供依据。