轻型汽车耐久性试验的研究.docx

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1、汽车试验场轻型汽车耐久性试验的研究摘 要汽车可靠性的耐久性试验及其研究对企业的产品质量和发展来说是至关重要的。世界上各大汽车制造企业都将汽车试验场的耐久性试验作为提高汽车产品开发质量的重要环节，并制订了比较完整的耐久性试验方法。而汽车试验场内的快速可靠性、耐久性试验相对汽车实际使用的强化系数的研究和估算是制订汽车试验场可靠性、耐久性试验行驶规范的重要内容之一，也是制订规范的重要依据。本文分别从汽车零部件与整车的角度出发，通过大量试验研究和深入的理论分析，用两种方法估算了汽车试验场道路相对湖北地区实际使用道路的强化系数。即（1）测定计算法：基于疲劳积累损伤理论估算强化系数，该方法主要适用于零部件

2、；（2）故障统计法：基于对汽车发生的故障进行统计分析估算强化系数，该方法既适用于整车，又适用于零部件，本文以整车为研究对象。方法（2）充分利用了1030系列轻型载货汽车在汽车试验场内和在实际使用道路上进行可靠性、耐久性试验的数据，结果更具说服力。对整车用故障统计法进行汽车试验场道路强化系数的研究在国内属首次应用。在此研究的基础上，确定了汽车试验场耐久性行驶试验规范的原则、分析评价方法，并进行了验证试验，结果表明规范具有科学性和合理性。【关键词】：可靠性，汽车，汽车试验场，试验规范THE RESEARCH OF LIGHT-AUTOMOBILE DURABILITY TESTIN THE PRO

3、VING GROUND OF ABSTRACTThe reliability and durability experimental research is crucial for automakers product quality and development. All of world-known automakers treat durability tests in a vehicle proving ground as an important step in the new product development, and have drawn out a relatively

4、 integrated system for durability experiments. It is one of the important contents and the important basis in drawing up the automobile proving ground reliability and durability test running standard, that studies and estimates the intensifying factor of fast reliability and durability test in autom

5、obile proving ground relative to the practical situation. Two ways have been adopted in this paper to estimate the intensifying factor of the road surface in proving ground relative to the practical road, respectively proceeding from components and motor vehicle, i.e. (1) calculating method: based o

6、n fatigue accumulation damage theory. This method applies mainly to components. (2) statistical method: based on counting and analyzing the failure of automobile tests. This method applies both motor vehicle and components. In this paper, motor vehicle has been taken for object of study .By the seco

7、nd method, the author has made full use of the test data which D.F.M had conducted 1030 serial light trucks reliability and durability tests in both proving ground and the practical road. It makes the result be of great persuasion.Based on the research, this paper confirms several principles to esta

8、blish durability test regulations, and the analysis and evaluating methods to durability test. Through a validate test, proves this regulation has rationality and scientific characteristic. Key Words: reliability, vehicle, vehicle proving ground,test regulation 目 录摘要 ABSTRACT 目 录 第一章 绪论 11.1 课题研究意义1

9、1.2 国内外现状及发展趋势21.3 课题研究内容3第二章 道路强化系数的理论依据和估算方法 42.1 问题的提出 42.2 理论研究基础52.3 测定计算法 92.4 故障统计法 17 2.5 Ford对我国汽车试验场道路强化系数的估算 32第三章 耐久性行驶试验规范制订的若干问题 34 3.1 耐久性试验的目标 343.2 规范制订的基本原则 343.3 耐久性行驶试验规范的制订 363.4 耐久性试验结果的分析与评价 363.5 按试行规范道路强化系数的估算 37第四章 验证试验 384.1 试验情况介绍 384.2 试验结果 434.3 验证结论及对规范的评价 46第五章 结论 47

10、5.1 研究工作的主要结论 47 5.2 论文创新点 47 5.3 存在的问题及下一步的研究工作 47参考文献 49致 谢 51攻读学位期间发表的论文 5248论文 第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题研究意义在汽车整车开发中，为了提高汽车产品的可靠性和耐久性，需要了解整车及其各总成系统的关系以及总成和零部件的失效情况，同时需要获得数据资料，因此有必要进行大量的可靠性和耐久性试验，对其试验结果进行科学的统计、分析、处理，从而为汽车产品的研究、设计提供准确有效的可靠性数据资料；与此同时，通过可靠性和耐久性试验，对失效样品进行分析，找出其失效的原因和薄弱环节，采取相应的对策，达到提高汽车产品可

11、靠性的目的。因此可靠性和耐久性试验及其研究对企业的产品生存来说是至关重要的。汽车行驶在汽车试验场内的道路上时，为了避免因道路强化而引起的故障失真，需要制订适合各汽车试验场实际条件的可靠性和耐久性行驶试验规范，制订的原则是不增大（或少增加）零部件承受的载荷，而是尽可能保持实际中的载荷状况，但对寿命影响小或无影响的实际载荷时间删除，即所谓“浓缩应力法”，这样容易保持故障模式的一致性。同时为了制订出汽车在汽车试验场内进行可靠性和耐久性试验的行驶规范，必须对行驶总里程、各种道路的里程分配、行驶车速及道路组合方式等做出具体规定。汽车耐久性是指汽车在规定的使用和维修条件下，达到某种技术或经济指标极限时，完

12、成规定功能的能力。汽车耐久性试验是指测试汽车在规定的使用和维修条件下，丧失规定功能所需要时间的试验。随着我国市场经济的不断完善，满足用户的需要越来越成为产品开发的首要目标，而对汽车耐久性的高要求正是用户最重要的要求之一。汽车产品开发的质量好坏直接关系到企业的经济效益和企业形象。对汽车试验场耐久性试验规范的研究具有重要的现实意义，也是保证汽车产品开发的重要基础。科学的耐久性试验规范是保证汽车耐久性试验质量的前提条件，它不仅直接关系到试验合理性、准确性和产品开发速度，还是提高产品竞争力的重要保证【1】【3】。论文 第一章 绪 论1.2 国内外现状及发展趋势汽车耐久性试验的执行依据是试验规范。到目前

13、为止，我国汽车行业已制订了一部分整车、总成或零部件的可靠性和耐久性试验规范，但还很不完善，水平偏低。由于长期受计划经济的影响，国内各企业在产品开发中主要注重国家的要求。直到现在，我国一直对汽车新产品定型进行可靠性行驶检验，相应的可靠性试验规范制订时考虑照顾各方面的水平和要求，一般偏于保守。如果企业只按照现行可靠性试验规范的思路来进行耐久性试验，远不能满足市场经济条件下对车辆产品的要求。世界上各大汽车制造企业都将汽车试验场耐久性试验作为提高汽车产品开发质量的重要环节，具有较完整的耐久性试验方法；而且常常结合企业、用户和竞争对手的情况，确定各车型每阶段的耐久性试验方法。近年来国内很多汽车厂家走上与

14、国外先进的汽车公司合资、合作的道路。它们中多数厂家在进行产品开发的耐久性行驶试验时，将国外有关耐久性行驶试验规范与国内汽车试验场的道路条件结合起来，来制订自己的企业标准并在试验中实施，如神龙汽车有限公司、上海通用汽车有限公司、汽车有限公司、郑州日产汽车有限公司等。这些企业都将耐久性试验作为提高产品的竞争力重要基础工作之一。如前所述，制订汽车试验场内的耐久性试验规范的原则是“浓缩应力法”，以保证故障模式的一致性。耐久性行驶试验规范与指标限值规定的是否科学，是否合理，要看按照该规范得出的结论是否符合用户的结论，是否满足对整车耐久性的预期要求。随着我国加入WTO，汽车试验场内耐久性试验规范要与国际接

15、轨；另外，我国道路交通条件和车辆使用条件有了较大变化，也需要对现行规范进行调整【3】。论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算1.3 课题研究内容本文工作是在公司课题“汽车试验场轻型汽车耐久性试验的研究”的工作基础上总结而来，主要试验工作都在公司汽车试验场进行，并得到了整车试验室的大力支持和帮助。本文研究工作重点是汽车试验场道路强化系数的估算。有了汽车试验场道路强化系数，可为制订汽车试验场轻型汽车耐久性行驶试验规范提供重要依据。本文分别从零部件与整车的角度出发，用两种方法估算了汽车试验场道路相对、十堰等地区实际使用道路的强化系数。（1）测定计算法：从零部件的角度出发，基于疲劳累积损伤理论估算

16、强化系数。（2）故障统计法：从整车的角度出发，基于对汽车发生的故障进行的统计分析估算强化系数。 本文对用上述两种方法得到的汽车试验场道路强化系数进行了对比分析，同时分析了Ford汽车公司对汽车试验场道路强化系数的估算。在此研究的基础上，确定了汽车试验场耐久性行驶试验规范的原则、分析评价方法，并进行了验证试验。对整车用故障统计法进行汽车试验场道路强化系数的研究在国内属首次应用。论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算第二章 道路强化系数的理论依据和估算方法2.1 问题的提出汽车在产品研制、生产等阶段的可靠性和耐久性试验类型很多，按试验场所划分为现场试验、汽车试验场试验和试验室试验三类。现场试验

17、与汽车试验场试验各有优缺点， 现场试验的优点首先是具有不可替代的真实性，而其缺点是试验费用大和周期长；其二是难于寻找合适和可重复的试验环境；其三是试验车辆发生故障时不利于损坏件的维修、拆换和试验资料的整理；其四是公路和公共场所进行试验时缺乏安全保障。汽车试验场的优点是：工作方便，各种试验条件集于一处；试验条件较为稳定，参数和因数易于分辨和隔离，适宜于针对性地解决问题；试验结果具有可比性，试验数据的重复性高；试验的安全性好；试验周期短。汽车试验场试验的缺点是：汽车试验场的试验条件与汽车使用地区的条件不尽相同，试验所得的数据需要根据实际情况进行折算；投资规模大。汽车在汽车试验场内进行的可靠性和耐久

18、性试验是强化试验的一种。在汽车试验场内建有各种路面，在给定比一般公路密度更高的坏路条件下，试验条件有所强化并且可以比实际使用试验得到更稳定的试验数据。此外，还可以通过人工制造实际上几乎不存在的特殊条件，考核汽车的极限状况。为了缩短汽车可靠性和耐久性试验周期，加快产品的的更新换代，汽车生产厂家一方面注意收集用户在实际使用中的反馈意见，另一方面主要选择在汽车试验场进行产品的可靠性和耐久性试验。汽车试验场道路强化系数的研究和估算是制订规范的重要依据，也是制订规范的基础工作之一。如果制订汽车试验场的耐久性试验规范缺乏强化系数估算值这一依据，其结果会出现要么试验通过的产品，实际上用户反应并不满意；要么试

19、验通过的产品设计上安全系数过大。论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算2.2 理论研究基础2.2.1概述强化系数反映强化试验相对基准条件下的强弱程度，它本质上是试验对象在实际使用中的寿命与强化试验中的寿命之比。对汽车试验场道路的强化系数有两种表达形式：强化系数是指实际使用道路条件下进行试验与汽车试验场条件下进行加速试验，两者达到相等的累积故障概率所需时间之比值。从这个定义出发，用故障统计分析的方法，以整车或零部件为研究对象可以估算强化系数；强化系数是指试验对象在实际使用道路和在汽车试验场条件下进行试验的寿命之比。从这个定义出发，用测定计算的方法，以零部件为研究对象可以估算强化系数。国外对汽

20、车试验场道路强化系数的研究已做了大量的工作，实际上估算强化系数的方法归纳起来即为上面提及的两类方法；测定计算法和故障统计法。2.2.2测定计算法估算强化系数的理论基础无论行驶在实际道路上还是行驶在汽车试验场道路上，汽车零部件承受的均是无规则的、不能重复的载荷，即随机疲劳载荷。本文采用对载荷幅值域的计数法来描述随机载荷，并用数理统计原理得到载荷谱，结合材料或零件的S-N曲线，按Miner理论估算零部件的寿命，建立强化系数的数学模型，从而估算汽车试验场道路的强化系数【2】【3】。1）疲劳寿命的估算当实测随机载荷的历程较短时，在对被测道路进行部分采样后，往往用数理统计原理把实测随机载荷处理成累积频次

21、曲线（总累积频次一般为106），然后按照某种比例关系将幅值分成若干等级的阶梯谱，称为程序载荷谱。进行本课题研究的测试工作时，采用了加大采样时间、增加采样路段类型和全程采样的方法。这样就以实际的道路载荷谱来计算零部件在各种路面上的累积损伤。S-N曲线是材料处于弹性应变范围内的应力与循环数之间的关系曲线。载荷谱及S-N曲线如图2-1所示。论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算图2-1S-N曲线及载荷谱图1-材料的S-N曲线 2-零部件的S-N曲线Fig.2-1 S-N curves and loading spectrum如图2-1所示，若零部件受到n个不同应力水平1、2、n的作用，各级应力水

22、平下的循环数为n1、n2、nn ， 零部件在各级应力水平下的寿命分别是N1、N2、Nn。根据Miner理论，该零件的累积损伤量D为： （2-1）材料的S-N曲线可用下式表示为【12】： （2-2） 式中，-1材料的疲劳极限； N0材料的疲劳极限寿命； ai大于-1的任一应力幅值； Ni 对应ai的循环数； m 疲劳指数，即曲线左段斜线倾角（锐角）的余切。由式（2-2）可得： （2-3）论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算对零部件的S-N曲线需用以下修正公式【10】： （2-4）式中：1零部件的疲劳极限； 零件尺寸系数； k 零件有效应力集中系数； 零件表面加工系数。疲劳理论已经证明，载荷

23、应力的幅值是疲劳损伤的决定因素，但应力均值和静应力也有影响，计算时若要考虑它们的作用，需利用Goodman公式加以修正。此时，需要知道材料的弹性极限h、弹性模量E等。为了简便起见，本文忽略应力均值和静应力的影响。这样，零部件S-N曲线上对应于各级应力幅值下发生疲劳损坏的循环数为： （2-5）式中：N0 零部件疲劳极限寿命。将式（2-5）代入（2-1）得： （2-6） 设在某一道路上测取里程L内得各级载荷总循环数为ni，ni所占比例为 wi，则niwinL。当D=1时，零部件发生疲劳损坏，这时各级载荷总循环数即为零部件得疲劳寿命n0: (2-7) 以里程数LO表示寿命时，可表达为【2】： (2-

24、8) 代入（2-8）得 （2-9） 论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算2）强化系数的数学模型设汽车行驶在汽车试验场某道路上和行驶在某段实际公路的疲劳寿命分别为L01、L02， 根据前述强化系数的定义及式（2-9）得强化系数K: (2-10) 式中符号意义同前，脚标1表示在汽车试验场某道路上测量的相关量，脚标2表示在某段实际公路上测量的相关量。在实际采样测试过程中，采集的物理量往往是测点的应变值。假定试验工况下汽车零部件材料仍处于弹性范围。根据虎克定律，材料在弹性范围内的应力和应变成正比： (2-11） (2-12）即将式（2-11）和（2-12）代入式（2-10）可得： (2-13)也

25、就是说用应变幅值ai代替ai，即用实测应变幅值可以求出强化系数。 2.2.3故障统计法估算强化系数的理论基础汽车试验场道路的强化系数最终要反映在汽车出现故障的种类和频次上。通过对在汽车试验场和实际使用道路下进行可靠性、耐久性试验的故障进行统计分析，利用概率论模型，分别得到汽车在两种条件下试验的故障分布规律，进而得到在相同累积故障概率下的各自运行里程数。根据强化系数的定义估算出强化系数。论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算2.3测定计算法为了得到汽车试验场试验及用户实际使用时的构件上的标准载荷谱，必须首先完成汽车试验场和典型的用户使用路面的道路采样工作。为此先后采用了1010皮卡和1030

26、轻卡，以及 1036DSL2轻卡等进行实车道路采样和数据分析。实车道路试验前期，分别选用1010皮卡和1030轻型汽车做道路采样。汽车在汽车试验场内的采样行车路线及车速参考文献32进行，并分别在各种特殊路面上采样，每个路段采集样本长度不少于5min，以满足数据处理要求。对外部公路的采样，选取了十堰，保康，武汉三条路线，对各测点进行载荷响应采样。随后又对汽车试验场古驿之间的一段乡村土路进行了采样，每个路段采集样本长度不少于15min。采集的数据量很大，基本上代表了湖北省内公路状况。在耐久性试验规范试行稿出台以后，又选用一辆 1036DSL2轻卡在汽车试验场内及外部公路进行测试采样。采样行车路线及

27、车速按照文献33进行，采集汽车在综合路面行驶循环时各测点的时间历程。对外部公路的采样，选取了武汉段公路，并进行了分段采样。以期达到估算规范中综合路强化系数之目的。以上采样车辆的装备，加载均按出厂技术条件规定满载进行。2.3.1 仪器及设备 主要用仪器设备见表2-1。表2-1 试验仪器及设备名称型号厂家数量精度等级磁带记录仪TEAC XR510日本TEAC1台动态应变仪DPM-8H日本共和2台0.2桥 盒DB-120日本共和8个应变片BX120-FD/若干加速度传感器AS-20B日本共和若干论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算2.3.2 测点布置 对以上三辆车的测点布置如下表： 表2-2

28、测点布置10101030轻卡 1036DSL21右前三角臂纵向应变车架右纵梁弯曲应变（前簧后支架处）右后横向稳定杆处扭转应变2右前悬挂垂直柱应变右后板簧弯曲应变右后板簧垂直应变3右前螺旋弹簧扭转应变后簧前支架横梁右边应变右后板簧吊耳处垂直弯曲应变4右后板簧垂直弯曲应变驾驶室右门框下后边沿应变后轴垂直加速度5后桥纵向弯曲应变与右扭杆前端相连的花键套处应变6后桥垂直弯曲应变右减震器支架应变7后轴垂直加速度车厢与车架连接处应变8前轴垂直加速度右转向拉杆扭转应变2.3.3 数据处理1）采样数据的数理统计通过振动试验室的MTS498数据采集系统，对记录在磁带上的采样信号进行采集，然后用VAX4000工作

29、站中的数据统计软件对汽车试验场和外部公路的采样数据进行分析。测点在各种路面上的应变时间历程基本上都符合正态分布。1010汽车前悬挂柱应变幅值在各路面上的正态分布参数见表2-3。表2-3 1010车前悬挂柱应变幅值在各路面上的正态分布参数表车速（km/h）正态分布二参数E汽车试验场高环路140-72.163.4汽车试验场二环路70-39.741.3汽车试验场石块路25-49.771.5汉十公路复线80-92.096.0白浪B级公路50-16.324.2汉宜高速公路100-66.670.7乡村土路254.038.0207国道钱营段/-79.183.0207国道丽阳段/-91.094.1论文 第二章

30、 汽车试验场道路强化系数的估算2）采样数据的雨流分析对一实测的随机应变一时间历程往往有很多因素形成，除主要的工作载荷以外，还常有一些次要的载荷影响，对这些载荷表现为一些高阶小量循环，这些不能构成疲劳损伤的小量循环应在雨流分析时予以省略。对于无效幅值的省略基准，现在较为流行的办法是把随机载荷波中心的最大幅值的510作为无效幅值的省略基准。通过雨流分析，就得到了各测点在各种路面的实际道路载荷谱。表2-4和表2-5给出的是货车右后横向稳定杆测点在外部公路和汽车试验场综合路的实际载荷谱，表2-6所列是1010皮卡前悬三角臂测点在汽车试验场二环路的实际载荷谱，表2-7是1030轻卡右后板簧测点在汽车试验

31、场石块路实际载荷谱。表2-4 货车右后扭杆测点外部公路实际道路载荷谱（幅值和均值单位：） 幅值均值400600800100012001400160018002000-4001230000000-20035858143441000140125153155121120052122010000400840000000600100000000表2-5 货车右后扭杆测点汽车试验场综合路实际道路载荷谱（部分）（幅值和均值单位：） 幅值均值200400600800100012001400160018002000-10006100000000-800231540100000-6003934195500000-

32、40019014847201133211-200622426179704230211110409456022491868861464031182007637213081658367483925264005214551911245529161511860026420164301193110800132963514300010论文 第二章 汽车试验场道路强化系数的估算表2-6 1010皮卡前悬三角臂测点在汽车试验场二环路实际道路载荷谱（幅值和均值单位：） 幅值均值35.771.4107.1142.7178.4214.1249.8-293.99200000-258.29100000-222.5122

33、01110-186.817310000-151.121200000-115.44000000-79.710200000-44.021730001-8.3128521414200027.4495547311163.173163010198.829531100134.5331241000170.23010000表2-7 1030轻卡右后板簧测点汽车试验场石块路实际道路载荷谱（幅值和均值单位：） 幅值均值329.3658.6988.01317.31646.61975.92305.22634.6-2780.601000000-2451.320000000-2122.040000000-1792.761200000-1463.4116100000-1134.0635100000-804.723611000002-475.462042710221-146.11244167548069575028183.3131519399981230855922512.686750523301841.9469100000001171.21631000000