多轴载荷）典型地区道路与EVP道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究

1、摘要典型地区道路与 EVP 道路载荷谱当量关系及后桥寿命数字化预测研究摘 要本文针对典型地区道路进行载荷谱采集和分析，并将其与大众 EVP 道路载荷谱进行比较，从而得出其相应的当量关系；以实测道路载荷为输入，对 PASSAT B5 后桥进行了疲劳寿命的数字化预测。本方法运用于产品开发中，可大大缩短开发时间和节约开发费用。首先根据用户调查结果确定了典型道路和使用工况。在典型道路和大众 EVP 道路进行了道路载荷谱的采集，采集信号包括后桥轴头六分力、后桥上应变信号。六分力信号由测量轮测量，应变测点基于有限元分析和经验确定。对后桥进行了有限元分析，通过静态和模态试验结果来修正计算模型，最后的得到较为

2、精确的有限元模型。结合实测后桥力信号、有限元分析结果和材料特性用名义应力法进行了后桥疲劳寿命预估。按准静态叠加和模态叠加两种方式分别进行了计算。将基于有限元的疲劳寿命计算结果与根据实测应变信号用局部应力应变法得出的疲劳寿命进行了对比和验证。根据实测轴头的垂向力、纵向力和侧向力信号进行多轴载荷分析，讨论了不同道路的多轴疲劳影响特征。基于实测后桥应变信号的伪损伤和实际损伤，分析比较得出了各地区道路与 EVP 道路载荷谱的当量关系。根据道路组合的原理， 得出了恶劣道路以及用户使用道路与 EVP 不同路段的组合比例关系。以 EVP 道路采集的后桥轴头力信号作为迭代控制目标信号，在 MTS 329 八通

3、道轴耦合道路模拟试验台上进行道路模拟试验。迭代结果与道路试验结果基本一致，说明在台架上可靠地复现了道路实际载荷。关键词：载荷谱，当量关系，有限元，疲劳寿命，预测，道路模拟ABSTRACTSTUDY ON LOADING SPECTRA CORRELATION OF EVP ROAD TO TYPICAL ROADSAND FATIGUE LIFE DIGITAL PREDICTION OF CARS REAR AXLEABSTRACTLoading histories of cars rear axle are collected and analyzed to get the loading

4、 spectra equivalent relationships between typical roads and SVW EVP proving ground in this paper. Fatigue life of rear axle ofPASSAT B5 is predicted using wheel forces collected in road test as input data. The new approach can contribute to substantial time and cost savings during product developmen

5、t process.According to customer usage investigation, conditions of typical roads and operating mode are determined at first. Signal including wheel forces and strains of real axle are collected at both typical roads and EVP road. Wheel forces are measured by wheel force transducer (WFT). The strain

6、gages are placed at critical locations obtained by the combination of FEM analysis and experience.FE model is verified and modified by testing results and FEM analysis of rear axle is carried out.The load histories are, in combination with result of Finite Element analysis and material properties pr

7、edicts the fatigue life of cars rear axle using stress-life approach. Damage is calculated according to the method of quasi-static superposition and modal superposition separately. Fatigue life obtained by the method based on FEM analysis is compared and verified by the calculating result of strain

8、signal using strain-life approach.Analysis and synthesis of multi-axial loads are employed based on vertical, longitudinal and lateral forces collected in road test and characteristics of different road are discussed. Equivalent relationships of loading spectra both in typical road and proving groun

9、d are calculated according to psudo-damage and real damage of strain signal. Correlation of rough road and customer combination road to tracks of proving ground are accqired according to method of road combination.Using loading histories of force acquired in proving ground by wheel force transducer

10、as control signal, road simulation of a cars rear axle is preceded on MTS 8-DOF spindle coupling road simulator. The iteration result coincides with the road test very well prove that real road load is reproduced on test rig.KEY WORDS loading spectra, equivalent relationship, FEM, fatigue life, pred

11、iction, road simulation目录目录第 1 章 绪论11.1 研究意义和工程背景11.2 道路载荷谱及疲劳分析研究现状21.3 研究思路5第 2 章 关联用户使用的典型路况调查72.1 关联用户用途的道路试验技术72.1.1 传统道路试验技术回顾72.1.2 关联技术原理及步骤82.2 用户典型道路调查地区的确定和路况概述102.2.1 宿迁地区112.2.2 东营地区122.2.3 温州地区132.3 后桥轴头加速度采集试验152.3.1 试验仪器和设备152.3.2 测点与测试系统的布置152.3.3 数据处理与分析162.4 用户问卷调查和分析172.4.1 江苏宿迁地

12、区182.4.2 山东东营地区182.4.3 温州地区192.4.4 结果分析192.5 本章小结20第 3 章 后桥道路载荷谱采集及数据处理213.1 后桥静态加载试验及模态试验223.1.1 后桥静态加载试验223.1.2 后桥模态试验273.2 测量轮简介283.2.1 测量轮结构及原理293.2.2 设计特点313.3 道路载荷谱采集313.3.1 试验测试信号的选定313.3.2 试验测试系统343.3.3 试验道路和工况的选取353.3.4 数据采集413.4 数据处理与分析433.4.1 数据预处理及检验433.4.2 数据分析463.4.3 数据选择483.5 本章小结51第

13、4 章 后桥有限元分析及模型验证52-I-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究4.1 有限元方法概述534.2 后桥有限元模型的建立544.2.1 几何模型的导入和网格划分544.2.2 模型修正584.3 模型验证624.3.1 静态验证624.3.2 模态验证654.4 本章小结67第 5 章 后桥疲劳寿命分析685.1 疲劳寿命分析基本理论695.1.1 构件的疲劳性能695.1.2 疲劳损伤累积理论735.1.3 计数法745.2 疲劳寿命估算方法及LMS FALANCS软件简介765.2.1 名义应力法765.2.2 局部应力应

14、变法795.2.3 疲劳分析软件LMS FALANCS简介815.3 利用有限元计算结果和道路载荷进行疲劳寿命模拟计算815.3.1 道路输入载荷825.3.2 有限元分析835.3.3 材料和机件的抗力指标835.3.4 疲劳寿命分析855.4 对实测应变谱进行疲劳寿命计算865.4.1 工作应变谱的采集875.4.2 后桥抗力指标875.4.3 均值的修正885.4.4 计算结果885.5 疲劳寿命估算结果分析比较895.5.1 损伤结果对比895.5.2 损伤分布情况905.6 本章小结92第 6 章 典型地区道路与大众EVP道路载荷谱当量关系研究941.1 雨流矩阵的编辑与处理946.

15、1.1 雨流矩阵的转换946.1.2 雨流矩阵的叠加956.1.3 雨流矩阵的外推956.2 多轴载荷的分析与合成976.2.1 雨流投影法的概念976.2.2 投影方向的选定986.2.3 不同道路多轴载荷分析比较1016.3 用户道路与试验场道路载荷谱当量关系1066.3.1 基于应变信号损伤值的当量关系比较1066.3.2 基于道路组合的当量关系比较1086.4 本章小结111申请同济大学博士学位论文II目录第 7 章 后桥多通道道路模拟试验1127.1 远程参数控制的基本理论1127.1.1 频响函数识别算法1137.1.2 计算初始驱动信号1157.1.3 迭代试验过程1167.2

16、迭代试验获取台架加载谱1177.2.1 MTS 329 八通道轴耦合道路模拟试验台简介1177.2.2 迭代试验的步骤与结果1177.2.3 迭代结果比较1197.3 本章小结121第 8 章 结论与展望1228.1 全文总结1228.2 研究前景展望123参考文献124致 谢130攻读博士学位期间发表论文131-III-申请同济大学博士学位论文第 1 章 绪论第1章 绪论1.1 研究意义和工程背景随着我国汽车工业的高速发展和加入 WTO，我国汽车工业也面临着很大挑战。汽车工业作为支柱产业，必须尽快改变缺少自有品牌和自主知识产权的现状，提高自主独立开发的能力，否则很难与国外大汽车公司竞争。为此

17、，各个汽车生产企业需要逐步建立并完善自身的设计和开发机制，可靠的开发与试验方法则是其中的一个关键环节。由于欧美国家的路面条件与我国的实际情况有很大区别，而国外引进的试验方法和规范往往是以符合国外的路面条件来制订的，从而会出现在国外不发生故障的零部件在国内却出现刚度与强度以及可靠性的不同程度的问题。这说明针对欧美国家销售的汽车，其试验路面谱以及规范并不完全适用我国。而我国幅员辽阔，各地路况、交通状况、驾驶习惯相差甚大，所以有必要对典型地区的道路载荷谱进行研究，找出典型地区载荷谱与大众 EVP 道路载荷谱的对应关系，为制订适合国情的试验谱系及试验规范提供理论依据和具体参数，从而保证大众试验场可靠性

18、试验可覆盖中国典型地区的道路条件和用户使用情况。在进行自主产品开发或改进时，首先由设计部门根据调查确定用户使用道路的组成比例和里程。若能将其等效成试车场道路不同路段混和而成的组合道路，也就是得到用户使用道路与试车场道路载荷谱的当量关系，就可以在试车场按一定比例混和各种路面和事件，从而可在试验场复现用户使用道路的载荷输入，就可以在短时间内在试车场达到在用户道路数年的损伤情况，且损伤规律与用户道路上的使用一致，达到加速试验的目的，更进一步，若将与用户道路等效的试车场混和路段，通过载荷复现技术在道路模拟试验台架上得到试验加载谱，可更进一步的缩短试验时间，大大节省试验费用。随着计算机技术的发展，若将等

19、效的试车场混和路段载荷谱作为输入信号， 与有限元分析相结合，可进行虚拟疲劳试验，数字化预测车身和零部件的疲劳寿命。将虚拟试验与试车场道路和台架试验相结合，可在产品设计阶段预测不同设计方案的产品寿命，大大缩短开发、改进工作的周期，节省开支。-1-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究本文通过对后桥易损典型地区道路情况和用户使用情况进行调查，从而得出典型地区的道路情况、组成比例及用户使用工况，为道路载荷谱采集获取了第一手资料，对以后不同厂家、不同车型、不同零部件疲劳试验的道路谱采集具有一定的指导意义；将实测道路载荷与有限元分析和模态分析相结合，

20、可提高疲劳寿命预估的精度；而将其作为台架道路模拟的迭代目标信号，可大大提高道路模拟试验精度；通过疲劳寿命预估、可靠性分析及台架试验，分析比较得出中国典型地区道路载荷谱与大众 EVP 道路载荷谱的当量关系，对于产品设计部门进行自主开发、改进工作具有很好的应用参考价值和实际指导意义；通过本课题可为制订符合我国特点的试验规程与标准提供了理论基础，并在工程上实际运用，填补国内在该领域的空白。本课题涉及到疲劳损伤理论，统计理论，振动的远程参数控制理论，信号分析处理技术和振动试验技术等多门学科，是综合性的研究课题。本文以 PASSAT B5 后桥为研究对象，通过对这一典型底盘零部件进行分析，得出典型地区与

21、上海大众 EVP 道路载荷谱的当量关系。其寿命预测方法不仅适用于后桥，同样适用于其他底盘零部件在进行开发或改进。本文研究成果可以直接为上海大众汽车有限公司所用，对国内其他汽车企业的开发、试验部门也可有很好的应用参考价值和实际指导意义。本文来源于上海市经委项目轿车典型底盘零部件（后桥总成）开发试验标准研究、上海汽车工业科技发展基金项目 中国典型地区道路与大众 EVP 试车场道路载荷谱关系研究（结合典型底盘零部件）。1.2 道路载荷谱及疲劳分析研究现状外部载荷时间历程（一般为随机性质）施加在结构上，引起结构的响应， 响应信号一般包括应力、应变、加速度或力(力矩)等。响应时间历程经过计数处理，得到各

22、种形式的累计频次分布，称之为载荷谱【1】（Loading Spectrum）。国外对机械结构疲劳问题的研究开展很早，对于载荷谱的研究也非常深入。美国汽车工程师学会(SAE)是国际上最权威的汽车研究机构。他们在 60 年代出版的零件疲劳设计手册，至今仍然是汽车工程师进行设计和试验的重要工具。1963 年，美国材料试验学会(ASTM)发表了疲劳试验与疲劳数据的统计申请同济大学博士学位论文2第 1 章 绪论分析指南，开创了疲劳试验的统计研究方法。1974 年，SAE把局部应力一应变分析法纳入汽车、飞机零部件设计大纲【2】。德国是欧洲汽车最发达的国家，他们在疲劳研究方面的历史最为悠久。如提出S-N曲线

23、概念的Whler，被称为“疲劳试验之父”。Gassner提出的八级程序加载方法，至今仍然是疲劳试验的基本方法。目前德国享有盛誉的疲劳研究机构是朗和费工作强度研究所(LBF)。他们经过多年的研究，积累了大量的汽车结构抗疲劳设计和研究的经验【3】。日本汽车工业发展也比较快，在疲劳研究方面作出了较大贡献。疲劳计数法中的雨流法就是由日本人Matsuishi和Endo提出【4】。日本在疲劳试验方面也有一定研究，汽车行业制定的疲劳试验标准为中国同行广泛借鉴【5】。美、日、德等发达国家都投入了大量的人力和物力，对飞机、汽车等机械的整机、各部件总成和零部件道路试验和空中飞行试验测定，获得大量的载荷谱数据，并加

24、以标准化。凭借先进的研究和试验手段，从疲劳的微观机理和宏观特性两个方面进行研究，取得了很多成果。美国的SAE、ASTM以及日本的JAE 和德国LBF等研究机构，已发表了许多有关这方面的学术论文，使疲劳理论得到不断发展并将其应用于工程实践中【6】。我国的汽车工业自主设计开发产品时间较短，设计方而长期借鉴前苏联的经验。近年来，随着自主开发产品能力的提高，汽车零部件的疲劳设计、试验方面有了一定的发展。长春汽车研究所近二十年来对解放牌系列汽车的前轴【7】、半轴【8】、钢板弹簧【9】等零部件的道路载荷谱进行了实地测量，通过分析研究，建立了这些零部件的基本载荷谱，估算了疲劳寿命【10】，并进行了大量的疲劳

25、试验【11】。建立了这些零部件实际使用寿命与台架寿命之间的当量关系【12】，提出了疲劳试验强化的量化方法【13】。东风汽车工程研究院结构强度室多年来一直致力于汽车零部件疲劳设计与道路载荷谱的研究工作。鲁三才高级工程师等人以东风汽车公司生产的EQ140 载货汽车后桥、车架、钢板弹簧、传动轴等零部件为主要对象，先后进行了道路载荷谱测定. S-N曲线试验与疲劳试验等实际工作，并对其基本载荷谱进行了深入研究。例如累积频次分布规律【14】、极值推断【15】、不敏感带设置【16】、疲-3-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究劳累积损伤规律等。他们还把

26、理论分析的结果成功应用于东风汽车的实际开发中，进行了后桥壳的减重优化设计和可靠性优化设计【17】。80 年代，东风汽车公司与德国LBF合作，进行了在中国使用条件下汽车零部件道路载荷谱测定， 借鉴LBF一整套成熟而完整的方法，对中国使用条件进行了第一次系统研究【1,18,19】。找出用户使用条件下道路载荷谱与汽车试验场载荷谱的当量关系是进行试验场可靠性研究面临的主要问题。福特公司的Jerry Z. Wang, Mark W. Muddiman和Glen R. Moore【20,21】于 1996年至 1997 年对中国用户道路载荷谱与福特公司在美国和比利时的试验场道路载荷谱进行了比较研究。以紧凑

27、型轿车、普通家庭轿车和轻型客车为试验对象， 在哈尔滨、北京、上海、武汉、重庆、广州等城市进行了用户道路载荷谱采集。首先在进行用户调查的基础上，确定采谱道路和工况。结合有限元分析和经验， 在车身的危险点处安装了 30 个应变片进行数据采集。分析的基础还是建立在对应变响应信号进行疲劳损伤计算的基础上，基于累计疲劳损伤等效的原则，得出针对某构件或测点的用户道路载荷谱与试验场载荷谱的等效关系。因此测试点的选择和贴片技术对试验结果的影响非常大。英国nCode公司的David F. Ensor和林晓斌【22】也提出了关联用户使用的道路试验试车技术，该技术通过比例叠加试验场试验跑道环境下的汽车循环载荷输入，

28、使其符合用户使用环境下的载荷特点，实现两者关联。为更进一步研究道路载荷谱特性以及为整车及零部件道路模拟试验提供驱动道路载荷谱，提高自主独立开发的能力，长春汽研所、上海大众等单位近来引进了车轮力传感器【23,24】（Wheel Force Transducer）。车轮力传感器（WFT）,习惯上被称为测量轮，可实时采集作用于后桥轴头的六分力信号。本文首次尝试应用上海大众的IGEL测量轮对典型地区道路载荷谱进行了采集和分析，并用实测力信号作为驱动信号进行了道路模拟试验【25】。20 世纪 60 年代，随着液压伺服设备和数字式程序控制器的产生和发展， 使闭环控制的道路模拟试验成为可能。最初，这种室内试

29、验技术主要用于模拟汽车行驶时路面不平度输入。随着随机振动理论、控制技术以及计算机技术的迅猛发展，使室内对整车进行道路模拟试验的方法及设备日趋完善。远程参数申请同济大学博士学位论文4第 1 章 绪论控制技术【26,27】（Remote Parameter Control）的提出是在世界范围内车辆模拟试验技术的重大突破。RPC技术打破了当时世界上流行的模拟道路谱的常规，取而代之以模拟车辆上的响应谱，大大提高了在道路模拟机上再现车辆响应的精度。在疲劳试验方面，国内管迪华、王霄锋、杜永昌和何泽民28,29,30等人讨论了汽车零部件室内耐久性试验方法，提出了闭环控制应变模拟试验方法，并利用远程参数控制技

30、术开发出了一套自主产权的汽车道路动态试验模拟控制系统RDSS。王占奎、鲁三才31和王秋景32等结合随机载荷作用下疲劳寿命估算理论，对现行的汽车疲劳试验标准作了合理的评价和修正。在疲劳寿命预估方面，国内外学者、企业也进行了深入研究。平安、王德俊、徐灏【33,34,35】等研究了二维分布载荷顺序效应与排列顺序效应、小载荷取舍标准、载荷谱强化等。高镇同、熊峻江【36】提出了二维动态应力强度干涉模型。姚卫星【37】提出基于弹塑性有限元分析的应力场强法，来计算结构的疲劳寿命。而Liping Huang、Hari Agrawal38提出了在计算机仿真环境中预测车身零部件疲劳寿命的方法。Peter JHey

31、es、 林晓斌【39,40】讨论了基于有限元及功率谱密度的各种疲劳寿命分析方法。 孙凌玉、吕振华41结合有限元分析和功率谱密度分析了车身的寿命。英国的nCode【42】公司开发了疲劳和耐久性分析的软件nSoft；MSC公司推出的的MSC.FATIGUE；比利时LMS【43,44,45】公司也推出载荷谱分析软件TecWare和疲劳分析软件FALANCS，这些软件已经在世界各大汽车公司得到广泛应用, 可以比较准确地预测产品的耐久性和可靠性。1.3 研究思路本课题主要是结合 PASSAT B5 后桥，以中国典型地区道路、总后定远试验场道路和大众EVP 试验场道路载荷谱为研究对象，利用IGEL 测量轮

32、和MTS 329 八通道试验台等先进试验装备，在进行有关道路谱采集和其它零部件总成疲劳耐久性试验及相关资料的基础上，应用试验模态分析技术、有限元分析方法、疲劳损伤理论和疲劳寿命估算方法以及室内疲劳耐久性试验技术来进行。-5-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究本文技术路线及实施方案如图 1-1 所示：典型地区用户道路调查驱动加载谱处理编辑定远道路载荷谱采集EVP 道路载荷谱采集典型地区道路载荷谱采集载荷谱分析道路载荷谱后桥有限元分析疲劳寿命预估道路模拟试验迭代载荷谱当量关系图 1-1 工作流程图研究具体内容如下： 对中国各地道路状况和用户

33、使用情况进行有针对性的调查，确定具有一定代表性的典型地区，并对选定地区的道路进行分类组合，确定用户使用工况和道路组合比例； 建立底盘典型零部件 PASSAT B5 后桥总成有限元模型，并利用Patran/Nastran 进行有限元分析，为道路采谱和疲劳寿命分析提供理论依据； 在选定典型区域试验道路和大众 EVP 道路进行道路载荷谱采集； 利用有限元分析结果和道路实测六分力信号，对后桥的疲劳寿命进行估算； 对载荷谱进行应变信号疲劳分析、载荷多轴疲劳分析和道路组合分析， 分别得出典型地区与 EVP 道路载荷谱的当量关系； 根据路试所采数据，迭代得出 EVP 道路模拟台架试验的加载谱。申请同济大学博

34、士学位论文6第 2 章 关联中国用户使用的典型路况调查第2章关联用户使用的典型路况调查现代工程设计必须以市场为导向，其产品应当既充分满足用户的使用要求， 同时使用裕度又不“过头”。设计“过头”的产品通常是不经济且缺乏市场竞争力的，所以无论在产品的设计、开发阶段，还是在试验阶段，都应当考虑用户的使用要求。汽车的道路试验是考核和验证汽车耐久性的一种重要手段。如何进行合理的、符合用户使用条件的道路试验是整个汽车行业面对的一个重要课题。开发符合中国道路特点及满足中国用户使用习惯的自主品牌的轿车已成为我国汽车行业的当务之急。在产品的开发和改进过程中，应合理的考虑中国用户使用特点。选择的路面和工况，要求既

35、能够反映国内道路的特点，又符合中国人的驾驶习惯。据有关的资料【1】，一些中国道路的主要特征和驾驶习惯如下：相当多的道路路面很粗糙，部分多坑，车辆在行驶时垂直载荷和纵向载荷较大；路面常有很深的坑，这将引起很大的垂直载荷和纵向载荷，也有一小部分沥青或水泥路面， 弯度半径很小，汽车在转弯时会承受较大的侧向载荷；车辆超载情况严重，司机驾驶习惯较欧洲司机小心和保守。由于中国用户道路的地区差异很大，并且在近年来各地道路情况在不断迅速变化之中，很难归纳成普遍的规律。本文尝试在后桥易损地区对用户使用情况和路面状况进行调查，确定用户道路载荷谱的采集地区和路段，确定采谱试验的工况，并对用户的驾驶习惯和行驶的道路情

36、况进行了解。2.1 关联用户用途的道路试验技术【22】2.1.1 传统道路试验技术回顾传统汽车道路试验技术大多基于“聪明的推测”，或依赖于过去的经验及习惯。传统试车方法的主要根据可以总结如下：(1) 推测 许多已有的汽车考核试验，如 Belgian Block Pave、Kerb Strike、General Endurance Routes 等，都是由经验丰富的工程师根据推测制定出测试距离和重复次数的。-7-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究(2) 最差路况 绝大多数汽车试验场试验道以及测试参数的建立都是通过估计或测量一些最差的路况，

37、如 Belgian Block Pave、Ride&Handling Tracks、Kerbing、Potholes 和 Off Road 路面都是某种被认为是典型的最差路况或事件。(3) 常规标准 一个试验方法被确定下来后，因为连续使用，很快成为了一个标准。后面的几代工程师都以为这些试验方法是有理论根据的，并且随着所收集的数据越来越多，成为了事实上的标准。但是这些意义明确的结果实际却是基于最初的推测。(4) 基本的道路载荷数据 基于真实数据的试验标准也有一些。在车辆上安装测试仪器从道路或其它条件下收集数据。基于这些测量数据来制定试验标准。(5) 法规 有一些试验标准是根据法律要求制定的，如C

38、rash Worthiness、NVH Drive-By-Operating Control Loads 等。值得指出的是，上面所述试验的基础大都偏向于强度试验而不是寿命试验， 都是为了保证在最差的工况下车辆部件不发生断裂，且能满足一般的工程要求。显然，这些试验基本上依照习惯或经验，并未合理地考虑用户的使用情况。主要是推测而不是基于科学的工程原理。2.1.2 关联技术原理及步骤发生次数车辆疲劳试验结果的离散性由各种原因导致，如材料特性，零件尺寸，用户使用载荷，制造误差等。与其他因素相比，用户使用为导致结果离散的最主要原因。因此在产品设计、开发和试验中应考虑用户使用情况。图 2-1 为几种因素的

39、概率分布【45】：（a）材料疲劳强度(b)零部件应力(c)用户使用图 2-1 几种因素的概率分布申请同济大学博士学位论文8第 2 章 关联中国用户使用的典型路况调查根据疲劳理论，疲劳损伤主要由循环交变载荷引起。如果汽车的输入载荷相同，那么所引起的疲劳损伤理论上也应该一样，因为汽车各部位所承受的载荷基本上与汽车的输入载荷信号成比例。根据这一原理，如果已知用户在使用环境中汽车所受的载荷输入，那么可以在试车场里按一定的比例混合各种路面及各种事件，重现这一载荷输入。这一载荷重现通常可能在较短的时间里完成，因此可以达到试验加速的目的。关联用户的道路试验技术一般通过以下步骤实现： 通过用户调查建立用户用途

40、目标； 按照用户用途目标，测量车辆在使用环境下的载荷输入信号，用雨流技术获得一个总的循环载荷范围及均值分布图； 测量车辆在各种试验路面上的载荷输入信号，用雨流技术获得每个试验路面的载荷范围和均值分布图； 按一定比例叠加各种试验路面的载荷范围分布，使其符合用户使用目标循环载荷范围分布，用数学方法计算各种路面的比例； 按照求得的路面比例，制定试车方案。关联计算的目的是计算各种试验路面及事件的比例，使其混合成的载荷范围分布近似等于总的用户用途目标。比例混合的数学表达式为n Ai Xi = Y i=1（2-1）式中Ai为各种路面及事件的比例系数，Xi为各种试验路面及事件载荷范围及均值分布矩阵，Y为 用

41、户用途目标载荷范围及均值分布矩阵。调查用户的使用情况是建立合理的用户用途目标的有效途径。这种调查可以便用销售、维修、市场调查等部门所获得的统计数据。因为对于许多汽车制造厂来说，这些数据许多都是现成的。从这些数据中，通常可以获得一个用户使用分布团，即用户人数与用途(如里程数)的关系。当前，许多汽车制造厂家按照 90用户的用途目标制定设计要求，比如，“90的用户将使用 241350 km”是一个典型的设计目标里程。实际上，设计载荷的获得通常是由实际测量值进行统计分析后，再外推到恶劣的用户使用情况，例如 99%的用户情况。-9-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后

42、桥寿命数字化预测研究因为关联技术的目的不是为了求取车辆实际的疲劳寿命，而是为了在一个易于控制的环境中，在较短的时间内复现用户的使用情况，所以一般只需要测量一些基本的车辆输入信号。基于以上方法，英国 nCode 公司开发了一套应用上述关联技术的专门软件， 该软件本身能够处理载荷范围矩阵的降维和累加、路面混合比例计算、各种通道关联结果图形表达，以及其它关联分析阶段所需的功能。比利时LMS 公司的载荷谱分析软件TecWare 中的CombiTrack 模块可提供道路组合功能，可实现用户使用道路与试验场路段的组合等效。关联用户用途的试车技术与传统方法相比，考虑了用户的真实用途。这一先进技术目前已经在汽

43、车行业得到了应用。可以帮助用户改进或制定出适合自己的试车方案，提高试车质量，缩短从概念车到批量生产的产品开发周期。该技术思路实际上也可应用于其它工业。2.2 用户典型道路调查地区的确定和路况概述确定能够反映中国道路特点的用户典型道路是一项相当庞大的工程，需要对中国各个地区进行广泛的调查。但是从项目时间和研究经费上来说，本文很难对全国各个地区进行用户和路面的调查。根据从上海大众销售公司及产品质保部门得到的反馈情况，PASSAT B5 轿车后桥在某些地区故障发生率相对较高。本文以该轿车后桥作为研究对象，以此为切入点来研究某些典型地区道路载荷谱的特性，故考虑以该轿车的后桥易损地区作为用户典型路面调查

44、的地区。需要特别说明的是，本文所言“典型地区”是 特指PASSAT B5 轿车后桥易损地区，以后不再一一指出。考虑其代表性、计划时间和项目经费，选择了其中的山东东营、江苏宿迁、浙江温州作为用户典型路面调查的研究地区。这三个地区的道路条件、地理位置及交通情况具有一定代表性。在当地大众特约维修站的协助下，对不同类型道路做了现场调查，并采集了各道路条件下加速度信号，以分析其路面特征。为了解用户使用情况和当地路况及车辆保有情况，分发了用户调查表和维修站调查表。由当地大众特约维修站协助进行了问卷调查。申请同济大学博士学位论文10第 2 章 关联中国用户使用的典型路况调查2.2.1 宿迁地区宿迁市位于江苏

45、省北部境内,高速公路里程占江苏省的十分之一强，京沪高速公路、宁宿徐高速公路穿境而过。宿迁地处平原，道路平坦宽阔，路况好，高速公路比例较高，无恶劣路段。路面主要为沥青和水泥路面。西南为沪宁高速（宁宿徐高速），东南为徐淮一级公路，东北为 205 国道至京沪高速，西北为宿新公路北至京沪高速。宿迁乡村道路一般为沥青路面，无土路、山路，基本无恶劣路段；宁宿徐高速公路宿迁段，路面状况良好，车流量小，但小弯较多，如图 2-2 所示；宿迁至沭阳省道为沥青或水泥路面，路面平坦宽阔，无大的坑洼，如图 2-3 所示。图 2-2 宁宿徐高速公路宿迁段图 2-3 江苏宿迁附近省道-11-申请同济大学博士学位论文典型地区

46、道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究2.2.2 东营地区东营市位于胜利油田和黄河三角洲，东青高速穿境而过，交通便利，与山东省的高速公路网可快速连通。东营地区地处平原，路况较好，一条高速公路穿城而过，城镇间道路平坦宽阔，乡村间全部通柏油路，无恶劣路段。东营乡村公路路况一般，如图 2-4 所示；东营郊区公路路面宽阔，如图 2-5 所示；高速公路路况较好，车流量很少，如图 2-6 所示。图 2-4 东营乡村公路图 2-5 东营郊区公路申请同济大学博士学位论文12第 2 章 关联中国用户使用的典型路况调查图 2-6 东营高速公路2.2.3 温州地区温州市位于浙江省东部，境内山区

47、道路较多。山间道路和乡间土路路况较差， 市区人民路（约长 15 公里）为较恶劣路段。温州瑞安市郊道路路面起伏度较大，沥青颗粒大，路面多坑，个别路段损坏严重，如图 2-7，图 2-8 所示；温州泰顺山区道路坡陡弯急，有不少路段甚至还是石块路，未铺沥青，如图2-9、图 2-10 所示；超载现象严重，如图 2-11 所示。图 2-7 温州瑞安市郊道路-13-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究图 2-8 温州瑞安市郊损坏严重的沥青路图 2-9 温州泰顺山区沥青路图 2-10 温州泰顺山区石块路申请同济大学博士学位论文14第 2 章 关联中国用户

48、使用的典型路况调查图 2-11 温州车辆超载情况2.3 后桥轴头加速度采集试验为初步了解上述地区的道路情况，在部分路段进行了后桥轴头加速度的采集。2.3.1 试验仪器和设备试验车辆是一部装备齐全、经过磨合期后且车况良好的轿车 PASSAT B5 轿车，5 挡手动变速箱,并按照要求配重。试验所用到的主要仪器和设备如表 2-1 所示。表 2-1 试验仪器和设备表名称型号生 产 厂 家加速度传感器Brel&Kjr4384丹麦 B&K 公司电荷放大器Brel&Kjr2635丹麦 B&K 公司磁带记录仪SONY PC216A日本 SONY 公司数据采集分析处理系统INV306D北京东方振动和噪声技术研究

49、所2.3.2 测点与测试系统的布置在汽车左后减振器中下方接近轴头处，安装了单向压电晶体式加速度传感-15-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究器，测量纵向、侧向及垂直方向的加速度。图 2-12 是轴头加速度测量系统框图， 测试系统的布置图见 2-13。图 2-12 轴头加速度测量系统框图图 2-13 测试系统布置图2.3.3 数据处理与分析对经过预处理后的加速度信号从频率域和幅值域进行分析。由频域分析可看出，不同路面和车速下，加速度的频域特征基本相同。对于所关心的垂直方向加速度，可看出其峰值频率为 1314Hz 左右，如图 2-14，该频

50、率为悬架车轮部分的偏频。加速度信号频率成分基本集中于 30Hz 以下。申请同济大学博士学位论文16第 2 章 关联中国用户使用的典型路况调查图 2-14 垂向加速度频域特性幅值域统计特征值主要包括数据的均值，方差、标准差、均方值和有效值。以宿迁地区的数据为例，如表 2-2 所示。其中试验号 1、2、3、4 为宿迁乡村公路，5、6 为省道，7、8 为高速公路。表 2-2 宿迁道路垂直加速度数据幅域统计列表试验号平均值方差标准差均方值有效值工程单位11.257e-0021.428e+0001.195e+0001.429e+0001.195e+000g21.064e-0021.618e+0001.2

51、72e+0001.618e+0001.272e+000g35.127e-0039.795e-0019.897e-0019.796e-0019.897e-001g41.072e-0021.619e+0001.273e+0001.619e+0001.273e+000g51.852e-0021.525e+0001.235e+0001.525e+0001.235e+000g64.793e-0031.490e+0001.221e+0001.490e+0001.221e+000g76.872e-0023.090e-0015.559e-0013.137e-0015.601e-001g85.473e-0025

52、.341e-0017.308e-0015.371e-0017.329e-001g2.4 用户问卷调查和分析在当地大众特约维修站的帮助下，完成了当地用户的问卷调查，目的是了解当地用车人员的构成和驾驶习惯、易损车辆经常使用工况、易损典型地区车辆保有量及损坏比例。由于道路的分类标准相对较为模糊，如分类过细，并无实际意义。因此其分类原则应为既能体现道路特征，又便于实际操作。根据实际情况， 并结合相关文献，将用户使用道路分为 4 类：高速公路、普通城市道路、山路和-17-申请同济大学博士学位论文典型地区道路与EVP 道路载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究恶劣道路（路面严重损坏）。2.4.1 江苏

53、宿迁地区根据该地区的用户调查结果可以得出：(1) 绝大部分为公务用车（85以上）；(2) 驾驶员的平均年龄为 39 岁，平均驾龄为 14.2 年；(3) 该地区行驶道路主要为高速公路（53.3）和城市道路（30），恶劣道路比例较低(14.7)，几乎没有山区道路（2）；(4) 高速公路上的行驶车速多在 100 120km/h(66.7 ) ，其次是 80 100km/h(16.7)和 120km/h 以上（16.7）；(5)城市道路的车速多在 5060km/h（66.7），其次是 4050km/h（33.3）； (6) 恶劣道路车速多在 2030km/h（66.7），其次是 3040km/h(3

54、3.3)； (7)山区道路车速主要在 4060km/h；(8)经常的乘员数（包括驾驶员）多为 3 人（66.7），其次是 2 人（33.3）；2.4.2 山东东营地区根据该地区的用户调查结果可以得出：(1) 绝大部分为公务用车（95）；(2) 驾驶员的平均年龄为 33.9 岁，平均驾龄为 12.4 年；(3) 该地区行驶道路主要为城市道路（54.3）和高速公路（36.4），山区道路和恶劣道路的比例较低，分别占 2.4和 6.9；(4)高速公路车速多在 120km/h 以上（53.3），其次是 100120km/h（40）和 80100km/h（6.7）；(5)城市道路车速多在 5060km/h（80），其次是 60km/h 以上（20）；(6)山区道路车速多在 40km/h