第十三章 试验设计与试验研究

第十三章试验设计与试验研究,汽车研发过程中会大量遇到没有现成试验标准可依的试验，如开发的新系统、新发明的机构及新增的功能等方面的试验。欲完成这类试验，我们需按照试验工程的原则，运用科学的方法，确定试验内容，制定试验规范，理定试验程序和方法，这就是试验设计。此外，汽车制造企业欲在激烈的竞争中立于不败之地，需不断地推出新车型。新车型的不断推出，事实上就是汽车产品性能不断提升、功能不断拓展的过程。要想做到这一点，往往需要进行大量的试验，若所有的试验都按照已有的标准来进行，很可能难以达到预期的目标，为此需要对汽车试验技术自身展开研究。,13.1试验设计的一般程序与要求,所谓试验设计，是指按照科研的实际需要，对整个试验过程作出一个全面而系统的规划，其内容包括试验目的、试验条件、试验内容、试验场地与仪器、试验方法和试验数据处理与分析等。,一、试验设计的一般程序,1.全面深入地了解被试对象全面深入地了解被试对象是进行试验设计的前提。若对被试对象的结构、材料、功能、用途和作用缺少一个全面的认识，显然就不可能知道该做些什么试验。全面深入了解被试对象最直接且最有效的方法是从被试对象的设计研究者那里获取相关的信息，或邀请设计研究者参与试验设计工作。若无法做到这一点，则试验设计人员应深入分析被试对象的全部技术资料。,2、充分了解试验的要求,充分了解试验要求是科学合理设计试验的基础。试验要求之一是试验精度要求；其二是通过试验获取哪有用的信息。对于任何一项试验，所要求的试验精度不同，需用的试验仪器、试验方法、试验周期和试验费用将存在很大的差异。因此，无论什么类型的试验往往都需遵循这样的一个原则，即：在满足试验精度要求的前提下，应尽可能降低试验费用。通过试验获取必要的有用信息，但任何一种新机构的开发都需经历一个复杂的过程，即第一步是实现功能；第二步是完善其性能；第三步是探寻最经济的制造方法；第四步是产品正式投产的稳定性研究等。在产品开发的第一阶段通常仅需安排功能试验；第二阶段主要安排性能试验；第三阶段主要是安排工艺性试验；在产品开发的最后阶段，则需对产品进行全方位的试验考核。,3、研究相关的试验标准及试验规范,尽管我们所要进行的试验没有现成的试验标准或试验规范，但相近的产品或相近的研究可能已有了相关的试验标准或试验规范，其中或许绝大多数内容与本试验无关，但相近产品或相近研究的已有试验标准或试验规范的思想和内容一定会有可借鉴的部分。广泛研究相关试验标准或试验规范起码可以做到少走弯路、缩短试验设计的周期。值得注意的是，参照相关试验标准及试验规范并不等于简单的照抄照搬。试验设计是一项创造性的工作，一定要充分反映本实验的特点。,4.深入分析已有的试验条件、试验仪器设备,充分利用已有的试验条件和试验设备，尽可能少采用本单位没有的仪器设备，力争避免采用待开发的设备（试验仪器生产厂家尚未开发出来的仪器设备）是试验设计过程中应遵循的一项重要原则。因为购买新仪器需要时间，开发新的试验仪器设备所需的时间更长。充分利用已有试验条件和试验仪器设备的突出优点是，可以缩短产品研发周期。但千万不要指望所有的新试验都可借助于已有试验仪器设备就可以完成。进行科研性试验时，往往不可避免的需要不断地补充一些新的试验用仪器设备。,5、明确试验目的,所谓明确试验目的，就是要解决为什么要进行试验这一问题，即通过此次试验希望获取哪些信息，解决些什么问题？对于一项全新的试验而言，试验目的可能需要一个逐步明确的过程。在开始进行试验之前，或许只有部分试验目的是明确的。有些试验目的需等到一些试验数据出来之后才能逐渐清楚。事实上这是科研试验的一种普遍规律，即：科研性试验需在试验过程中去逐渐完善。,6、根据试验目的确定试验内容,所谓根据试验目的确定试验内容，就是要对症下药。既要避免做一些无谓的试验，而白白地浪费宝贵的时间和金钱，更不要漏掉一些重要的试验项目而影响科研的进展。,7、正确选择试验用仪器设备,首先应保证满足试验所必须的功能要求。第二，试验仪器设备所测的各种物理量应该准确可靠，即应保证试验的精度要求。正确选择仪器设备的原则是“在满足试验要求的前提下，不要片面地追求高精度”。我国相关标准规定，测试仪器的精度等级共有7级，分别是0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5和5.0。第三，合理地组建试验用仪器系统（一项复杂的汽车试验，往往需要将多种不同功能的仪器组合起来才能完成试验工作），充分注意传感器的接入对测试系统动态特性的影响及仪器设备级联所带来的负载效应。,8、分析试验条件对试验结果的可能影响,对于汽车试验而言，尤其是那些需在室外进行的试验，由于室外的环境和气候条件不可控，且不同地区、不同季节和不同时段的环境和气候条件差异很大。若所要进行的试验对环境和气候的变化敏感，则应对其做出严格的规定，以避免试验条件的变化对试验结果带来的不利影响。,9、理定试验方法,所谓立定试验方法，就是要对如下一些内容做出明确而详细的规定。当然并不是所有的试验项目均包括如下6项内容。试验项目的不同，试验方法所涉及的内容亦会有些差异。1）试验对象的维修规范；2）试验过程中，试验对象出现异常情况的处理（如：中断实验还是处理后继续试验，或是加倍重新进行试验等）；3）试验前的磨合与预热；4）试验如何进行，仪器和试验对象如何操控？5）试验数据如何处理和修正？6）试验结果如何评价？,二、试验设计的一般要求,试验设计应先进合理试验的可操作性要强试验的周期要短,1、试验设计应先进合理,需要进行试验设计的试验项目，通常都是为科研服务的，即科学技术的进步离不开试验的推动。然而，若试验技术和试验理论没有得到及时更新和发展，则试验就起不到推动科学技术的作用。,2、试验的可操作性要强,试验的可操作性主要表现在如下几个方面。1）试验条件在现有的技术条件下要易于实现试验用仪器设备应易于购买或在短时期内能够被开发出来。2）试验要便于操作。任何一项试验，若在现阶段的技术和设备条件下无法实现，则无论它是多么先进，也是一项设计不合理的试验。试验的可操作性是评价设计水平高低的一项重要指标，因为试验的操作越简单，试验精度越易于得到保证，试验成本亦会越低。,3、试验的周期要短,汽车产业是竞争最激烈的行业之一，产品更新换代的时间越来越短。若试验的周期太长，显然不利于汽车产业的发展。对于那些耗时长的可靠性和耐久性试验，一般都采用强化水平较高的试验以缩短产品的试验周期。,13.2试验规划与设计,关于汽车试验的规划和设计，在此结合一个实例来进行讨论。线控转向和线控制动系统被认为是未来汽车转向和制动系统的发展方向，全球各大汽车公司均已投入了相当的力量从事该技术的研究。显然，此两项技术要想从设想发展成为商品化的产品，那么此类试验如何进行规划设计呢？下面就针对线控转向系统的试验问题来展开对试验规划和设计的讨论。,一、被试对象的结构原理分析,线控转向系统至少应包括：转向操控装置、电动转向装置、转向传动机构、路感模拟装置、转向控制器、传感器（转角传感器、车速传感器、转向轮偏转量传感器、转向轮横摆加速度传感器、车身倾角传感器）等。对于常规的机械转向系统，常用减速机构的增扭作用来减小转向操纵力，其结果是大大地增加了汽车转向盘的转角。汽车转向盘的最大转角通常为10001800，即转向盘从左极限位置转到右极限位置要转约35圈。对于线控转向系统，转向操纵力完全由电力提供，转向盘最大转角的大小与操纵力无关，因此线控转向系统转向盘的最大转角通常设计得较小，一般不超过180。如此便可将汽车转向盘设计成飞机舵的型式，故将线控系统的转向操控装置称为转向舵。,良好的路感是保证汽车安全行驶的重要前提。然而，对于线控转向系统，路面对汽车转向轮的作用无法传递给驾驶员，即完全无路感可言。为了保证驾驶员能同步及时地获得路感，线控转向系统通常需要一个路感模拟器。转向控制器根据转向轮横摆加速度传感器提供的信息，给路感模拟器发出控制信号，使之给转向舵施加一能反映路感的作用力。,二、了解科研各阶段的具体试验要求,任何一项科研，都有多个不同的研究阶段，线控转向系统的研发亦如此，它通常需要经历功能实现（包括方案研究、各主要总成部件如电动转向装置、路感模拟器、转向控制器等的并行开发、系统的连机调试等）；性能提升；系统的结构工艺性研究；系统稳定性研究（可靠性与耐久性）。不同的研究阶段要求安排不同的试验。,1、功能实现阶段（方案研究）,前面所介绍的电控转向系统的组成是方案研究的初级成果。方案研究的最终目标是：确定电动转向装置和路感模拟器的结构型式和类型；确定转向控制器的控制方式和控制内容；确定要采集哪些必须的信息（需测量哪些物理量）和采用什么类型的传感器等。显然，在方案研究阶段需要通过试验解决的问题有：不同电力驱动装置的性能和结构适应性对比；验证哪些物理量是线控转向系统所必须和容易获得的；对于那些必须的、而又不便测量的物理量可否用间接测量的方法获得。,2、各主要总成部件的并行开发阶段,电动转向装置、路感模拟器和转向控制器的并行开发阶段需进行的试验主要是不同装置的功能验证，即电动转向装置可否按照转向的实际需要进行动作；路感模拟器是否可有效地模拟道路对转向轮的作用，其模拟精度如何？转向控制器是否可实现对电动转向装置和路感模拟器的有效控制等。,3、系统联机调试,4、线控转向系统的性能研究,线控系统性能研究的主要方法是试验，即线控系统联机调试完成后，应对整个系统进行全面的试验，其内容包括：线控系统的动态特性、转向随动性、路感模拟器的模拟精度、线控系统的抗干扰的能力等；系统装车后的汽车操纵稳定性试验；使用可靠性、维修方便性和环境适应性试验。利用试验去发现所存在的技术问题；并借助于试验去探寻解决问题的方法。,5、线控系统的结构工艺性试验,线控系统研发的最终目标是将其变成一种性能优良、经济可靠的产品。任何机电产品的性能好坏、制造成本的高低都与制造工艺直接相关。往往工艺性研究唯一仅有的方法就是试验，其内容包括材料的加工试验、工艺方法和工艺流程试验等。,6、可靠性与耐久性试验,可靠性耐久性试验是汽车及其总成部件投产前必须要做的重要试验研究工作，其内容包括：可靠性、耐久性试验；系统性能的稳定性试验；使用可靠性等。,三、研究已有相关标准和试验规范,收集和分析已有的相关试验标准和试验规范是试验规划与设计的一个重要环节。此项工作的好坏将直接影响到试验设计的水平和周期。从上面对科研各阶段的具体试验要求和分析中不难发现，线控转向系统在整个研发过程中所要进行的试验，其中半数以上的试验已有可直接采用或可参照执行的试验标准和试验规范（如：电动转向装置和路感模拟器驱动方式的对比试验、转向控制器控制方式试验、主要总成部件的功能试验、汽车操纵稳定性试验和工艺试验等）。显然若对相关试验标准和试验规范研究的比较透彻，那么至少可节省一半的试验设计时间。,四、明确试验目的、确定试验内容,五、试验仪器的选用,试验仪器的选用，由被测物理量及测试精度决定。若被物理量较多，则采用虚拟仪器系统进行试验较为理想。对于汽车道路试验而言，虚拟仪器系统中的计算机和多路信号采集器可以制作成功能易于扩充的通用部件，再配上所需的可满足测试要求的各种传感器，便可实现对汽车进行各种不同的试验。由此可见，虚拟仪器系统较适合于科研性试验。欲满足上述线控转向系统联机调试试验的要求，若选用虚拟仪器系统进行试验，则至少要用到如下一些传感器，即：一只非接触式汽车行驶速度传感器、一个车身倾角传感器、二只角位移传感器（测两转向轮偏转角）、二只侧向加速度传感器（测两转向轮的横摆加速度）、一只多圈转角传感器、一只转矩传感器、二只应变式力传感器、一只横摆角速度传感器或侧向速度传感器等。,六、对试验条件给出一个明确的规定,试验条件是指对影响汽车试验结果的试验用道路、环境及试验用车辆所做出的规定。当试验道路、环境及车辆状况发生变化时，其试验结果将会有明显的不同。这样便无法对汽车性能的好坏和技术水平的高低给出一个正确的评判。在我国汽车试验的标准体系中，为了避免在各项标准中都重复书写试验条件中的相同内容，专门制定了一个汽车试验条件的标准，即GB/T125341990汽车道路试验方法通则。该标准对绝大多数汽车试验所通用的试验条件做出了统一的规定。对于前面我们所讨论的线控转向系统联机调试所要进行的试验，应对试验条件做出如下补充：,对试验条件的补充规定,路感测试的试验道路应包括汽车性能试验路面和比利时砌石路面；试验前应对汽车车轮定位参数进行检查，并将其调整为正确的数值；对汽车转向、悬架等系统进行检查、调整、紧固和润滑。只有确认试验车完全符合厂家规定的技术条件时,才可进行试验；试验车用轮胎是经过500km以上、10000km以下正常行驶的轮胎、不得使用行驶里程超过10000的轮胎进行试验。试验前应检查轮胎气压，并将其调整到厂家所规定的数值。试验时,应对空载、半载和标准满载三种装载状况进行试验。载货汽车的装载物推荐用砂袋，均布于货箱内；客车的装载物推荐用砂袋或人形水袋，分置于底板和座椅上。试验员、驾驶员及仪器的质量计入汽车装载质量内；试验车的数量不小于2辆。,七、理定试验方法,所谓试验方法，就是对整个试验过程所做的全面而细致的规定。对于汽车试验而言，在进行正式试验之前，通常需要进行一些必要的辅助性试验，然后才进行正式试验。试验方法应按照试验顺序逐项列出。下面仍以线控转向系统联机调试的几项试验为例，介绍试验方法的理定。,1、试验用车辆的准备,1）与装用线控转向系统同型号的装用普通机械式转向系统的汽车2辆，设其编号分别为01和02；2）左、右转向轮偏转角可以独立任意调节的汽车2辆，其编号为03和04；3）线控转向系统的汽车2辆，其编号分别为05和06。,2、试验前的辅助性试验,1）试验车应进行不少于2500的磨合试验，磨合试验按生产厂家相关标准和规范进行；2）试验前，汽车应不少于30km的预热行驶。,3、汽车最小转弯直径的测定,1）按照相应的国家标准测量汽车左转和右转的最小转弯半径；2）调节转向轮限位螺钉，使汽车左转和右转所测得的最小转弯半径相等。,4、测汽车两转向轮偏转角和车身倾角,图13-1双轴汽车转向时两轮转向轮偏转角的理想关系,3)按照仪器使用说明书的要求将虚拟仪器系统安装到两转向轮偏转角可任意单独调节的试验车03和04上。各传感器的安装部位分别为：两只应变式力传感器分别安装在转向轮偏转角调节器与两转向轮转向节相联的拉杆上，用于测量两转向拉杆上力的大小；两只角位移传感器分别安装在转向节上，用于测量两转向轮的侧偏角；一只倾角传感器，安装在汽车中部，靠近汽车质心位置处，用于测量汽车车身的侧倾角；一只汽车行驶速度传感器（常采用非接触式五轮仪的速度传感器），最好安装在汽车前部与汽车纵向中心平面交合处附近，测量汽车的前进速度；,4）起动汽车进行预热行驶，待汽车各总成部件达到正常工作温度后，接通仪器、打开电源，开始进行试验。5）汽车按空载、半载、满载三种载荷状况分别进行试验。三种载荷状况的试验内容完全相同。,5传统转向系统汽车的路感试验,在自动控制系统中有一个十分重要的环节，那就是反馈。控制的结果通过反馈环节传给控制系统，控制系统将其与被控参量的目标值进行比较，以便实时对控制结果进行修正，以提高控制的精度。对于汽车的转向操纵系统，若将驾驶员置于其中，那么就是一个闭环的自动控制系统。驾驶员就是其中的控制器。要想驾驶员能有效地控制汽车行驶，就必须要有“反馈”。线控转向系统中的反馈就是我们通常所说的路感。没有路感就无法实现对汽车转向操纵的有效控制。由此可见，适当的路感是汽车安全驾驶的重要保证。,所谓路感，其实质就是汽车在行驶过程中，驾驶员的两只手在转向盘上所感受到路面对转向轮的作用通过转向系统逆向传过来的力矩和转角。路感通常有两部分组成，其一是，汽车转向行驶时的回正力矩；二是路面凹凸不平对转向轮的侧向冲击。由此可见，转向操纵过分轻便的汽车，其路感往往较差，这或许就是高速赛车几乎都不采用动力转向系统的根本原因。对于线控转向系统中的路感模拟器，要解决的核心问题就是要确定路感的目标值。那么如何才能获得路感的目标值呢？在现阶段，唯一仅有的方法就是试验。即取两辆路感良好的汽车进行路感测试。,路感模拟器是一个全新的装置，似乎不会有可参考的相关标准。但经过深入研究发现，已有现成的国家标准可以参考。汽车行驶平顺性试验就是测量汽车特征点上的垂直、侧向和纵向加速度；汽车操纵稳定性试验中，转向盘力矩和转角的测量是两项重要的测试指标。由此可见试验如何进行、试验仪器如何选用，在GB49701996汽车平顺性随机输入行驶试验方法和GB/T63232009汽车操纵稳定性试验方法可以找到准确的答案。,试验设计的最后一个环节是：理定试验方法。此项试验中，试验方法的大部分内容均可直接照搬GB49701996和GB/T63231994中的相关条款，因此，在此仅介绍本试验特有的内容。（1）试验车的载荷状态有空载、半载、满载三种，每种载荷状态均应进行全部内容的试验。（2）传感器的安装汽车纵向速度传感器的安装和上述试验相同。转向力、转向角传感器按仪器使用说明书的要求安装。转向轮横摆加速度传感器安装到两转向轮的转向节臂上。,133试验新方法的探索与研究,不断地更新汽车试验技术，探索试验新方法，是汽车产业发展的客观需要，也是从事汽车试验工作的工程技术人员应尽的责任。近几年是我国汽车产业高速发展的时期，汽车试验技术的发展略显落后，有许多试验方法和技术有待更新，如汽车燃料经济性试验、汽车排放测试、汽车车轮定位参数的快速测量等。下面就以此为例来讨论试验新方法的探索与研究问题。,一、汽车燃料经济性试验新方法的探索,国标GB/T12545.12008轻型汽车燃料消耗量试验方法中所规定的燃料消耗量试验内容是工况循环燃料消耗量试验，图132轻型汽车工况循环的运行图，图13-3和图13-4分别是试验运转循环1部循环单元示意图和试验运转循环2部循环单元示意图，与之对应的试验操作要求见表13-3和表13-4。标准中明确规定工况循环燃料消耗量试验应在底盘测功机上进行。由于汽车在底盘测功机上的运行状况与在实际道路上的运行状况存在较大的差异，且设备投入大，因此我们有必要探索一种新的能较好反映汽车实际燃料消耗量的方法。当然，要想试验能较好地反映实际，最直接且最简单地方法是测量汽车实际使用的燃料消耗量。但汽车在实际使用过程中的可变因素太多，试验的可比差。,图132汽车燃油消耗量试验工况循环图,图13-3汽车燃油消耗量试验运转循环1部循环单元示意图,图13-4汽车燃油消耗量试验运转循环2部循环单元示意图,汽车燃油消耗量试验运转循环1部循环单元操作要求,汽车燃油消耗量试验运转循环2部循环单元操作要求,如何解决可操作性与可比性之间地矛盾呢？通常需要从两个方面着手进行研究：一是要研究新的试验用仪器设备；二是探索新的试验方法。若能开发出利用汽车速度进行实时反馈控制的自动驾驶系统，则汽车多工况燃料消耗量试验就变得非常容易。然而若已经开发出了可根据目标函数进行跟踪操作的自动驾驶系统，那么我们就可以在典型时段到多种不同典型地区去采集汽车的实际运行工况，对所采集的工况进行组合编辑后，作为操控汽车的目标函数，用于控制汽车燃料消耗量试验，显然，若能够做到这一点，汽车燃料消耗量试验技术就会上一个台阶。,二、汽车排放试验新方法的探索,我国汽车排放试验有两个并行的标准，即GB18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测试方法（中国、阶段）和GB18285-2005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）与GB3847-2005车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法。前者适用于汽车制造厂新开发的车型，试验内容有五项，即常温下冷起动后排气污染物排放试验（15工况加城郊工况）、曲轴箱污染物排放试验、蒸发污染物排放试验、污染控制装置耐久性试验、低温下冷起动后排气中CO和HC排放试验；后二者适用于汽车制造厂的出厂检验与在用车的检验。,对于装用点燃式发动的汽车，排放检测的内容有：怠速、高怠速及简易工况的排气污染物浓度；对于装用压燃式发动机的汽车，排放检测的内容是：发动机自由加速及加载减速过程的烟度。比较两个标准不难发现，在用车排气污染物试验标准中省掉了最重要的工况排放试验内容，而且在实际操作过程中，加、减速工况的排放测试也常被省掉。GB18285中没有将工况排放试验内容列入的原因是考虑到，试验设备的投资太大、测试时间太长，汽车用户无力承受高额的试验费用。加、减速工况排放测试在实际操作过程中常被省掉的原因则是，因为国内的汽车检测线绝大多数尚没有相应的设备。,在用车的数量至少是新车产量的10倍，在用车的排放无法进行有效控制，欲改善人们赖以生存的大气环境可能比较困难。能否找到