disp10.16638/jki.1671-7988.2019.04.036
黄伦路
（江苏敏安电动汽车有限公司南京分公司，江苏南京211100）
摘要：针对某款新开发SUV电动汽车，根据道路试验规范规划耐久试验道路和里程分配，测量悬架轴头和减振器等位置的加速度及位移信号。研究道路测试数据的平稳性和等效缩减，建立了该车的刚柔多体模型，结合虚拟迭代技术进行载荷识别，计算出该车在试验场耐久道路上的轮心六分力。
关键词：SUV；等效缩减；载荷识别；六分力
中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2019)04-106-04
Load Identification of An Electric SUV Based on Equivalent Damage of Durable Road
Huang Lunlu
( Jiangsu MinAn Electric Motor Co., Ltd. Nanjing Branch, Jiangsu Nanjing 211100 )
Abstract:For a newly developed SUV electric vehicle, according to the test specification, the durability test road and mileage schedule is made to measure the acceleration and displacement signals of the spindle and shock absorber. Based on the rigid-flexible multi-body model of the vehicle, a virtual iteration technique is used to identify the load, then the six- dimension force of the wheel center is calculated on the durability test road.
Keywords: SUV; Equivalent reduction; Load identify; Six dimension force
CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)04-106-04
1 前言
耐久性是被考察对象在一定时间内能够正常使用的能力[1]。电动汽车受到续航里程的要求需要进行轻量化设计，但仍必须保证其疲劳耐久性能。疲劳耐久试验是验证整车和零部件寿命的唯一手段，目前有实车用户道路试验、试验场试验和实验室内测试三种途径。汽车企业对新车型疲劳寿命评估的传统方法都是利用实车在道路试车场进行路试，该方法是最直接且最准确的，但测试时间十分冗长且人力和经费耗费巨大，发现问题后难以改进设计。
jeremy clarkson
用于疲劳寿命预测的Palmgren-Miner模型可以处理复杂的载荷，该模型讨论了分析疲劳的方法，将其视为由载荷循环、不同的计数算法和载荷循环的路径引起的。如何根据用户使用里程或相应的试验规范，制定测试策略，运用数据处理方法估计部件的载荷谱是车辆设计和虚拟疲劳分析的关键步骤之一。另外，成熟的多体系统动力学方法可以解决诸如车辆，机器人等载荷计算的问题[2]。因此，基于试验场实测载荷信号进行轮心六分力估计逐渐在车辆部件载荷识别中得到应用。
本文中，载荷信号为广义载荷，包括加速度，位移、力和应变，轮心六分力指轮心处的纵向力、侧向力、垂向位移和轮心处的俯仰力矩、横摆力矩、侧倾力矩。
2 技术路线
系统动态载荷识别技术是根据已建立的多体动力学模型和实测的系统响应来反求作用在系统上的动态载荷，这是比系统动力学分析更为困难的第二类动力学逆问题[3]。该问题的困难在于动载荷在空间域具有分散性，在时域具有非平稳
作者简介：黄伦路，男，（1979-），就职于江苏敏安电动汽车有限公司南京分公司，任副总裁，主要从事新能源汽车整车研发管理工作。比亚迪f0
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黄伦路：基于耐久路等效损伤的某电动SUV 载荷识别
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性，在频域上具有宽带性等，这使得待处理的问题在数学方程求解过程中往往是欠定的，病态的。
为确保疲劳设计的有效性并减少试验次数、缩短开发周期，对骡车样车进行载荷谱采集试验，采集在襄阳试验场共25种路面工况下的共计93个通道的载荷信号。通过对试验场道路的实测载荷信号进行轮次分析，验证了测试信号的时域平稳性。基于总伪损伤相等原理，提出将25种试验路面等效缩减为9种典型路面，消除了求解矩阵方程的病态问题，最终得到轮心六分力的载荷历程，其技术路线如图1所示。
图1 耐久道路载荷识别技术路线
3 路谱采集
3.1 测点布置
测试车辆为新开发四轮前驱SUV ，其满载质量为2250kg ，前悬为传统麦弗逊型式，后悬为多连杆变
异结构。安装传感器的类型和测点如表1所示，测点主要布置在车型承载系统的特征点上，相关传感器参数如表2所示。
表1 测点布置
表2 传感器参数
图3 六分力仪和加速度传感器布置
测试仪器和设备为德国KISTLER 公司制造，其在左前轮处六分力仪和加速度传感器安装如图3所示。 3.2 数据采集
本文试验道路选择在襄阳东风汽车试验场，该试验场是将汽车正常行驶中遇到的不同使用条件和道路条件重现的试验场地，但试验道路经过了强化。耐久路分为高速跑道，强化坏路、山路、一般公路和越野路。本试验所用到的道路为强化路，其浓缩了汽车日常行驶过程中对整车耐久性影响最大的路面，主要包括比利时路、综合路I 、制动路、综合路II 等，图4展示了襄阳汽车试验场3种道路的轨迹，其细分共有25种路况，限于篇幅，这里不一一列举。
按照Q/MA T13170-2018[4]，进行数据采集，其中图4为
本次试验采集到的前轮轴头垂向加速度信号，其加速度区间为[-12.63,18.65]g ，其中g=9.8m/s 2，为重力加速度。
图4 试验场车辆载荷信号采集路径
图5 左前轮轴头垂向加速度
3.3 数据平稳性检验
强化路载荷谱计算处理的前提是载荷过程必须是各态历经平稳随机过程[5]。因此，对襄阳汽车试验场所测得的信号要做平稳性检验。信号的平稳性数字特征是各样本均值和相关函数，与时间的取值无关。但用这两个参数检验不易实现，工程上常采用轮次检验法来进行平稳性检验。轮次检验法属于非参数与分布自由检验法，即不必知道数据参数的概率分布即可进行计算，因此本试验使用轮次检验法检验试验场测试载荷的平稳性。
轮次分析算法流程为：
a ）将待检验数据时间序列{x i }等分为m 的观察样本，计算各等分的方差
；
b ）求方差中最大值和最小值的均值
； c ）当
时将该等分记为“+”，当
时将该
等分记为“-”；
d ）将m 个等分按“+”“-”排成观察序列，并将符合相同的连续序列定义为一个轮次，统计轮次数r 作为检验统计
量；
e ）计N +为“+”的总数，N -为“-”的总数，当N +和N -
汽车实用技术
108 均小于15时，认为是小样本量，查轮次检验分布表，可得显著性水平
的上下限r u 和r l ；
f ）若
，则采样数据是各态历经平稳的；
g ）当N +或N -大于15时，可以认为是大样本量，按h ）用正态分布表来定出检验的接受域和否定域；
h ）计算统计量，
，其中
i ）令
，若
，则为平稳性数据。
以综合路II 为例，采集车辆左侧轴头的加速度信号，将其时间序列等分为N=24的观察样本，如表3所示。用python 语言编制平稳性检验程序，计算得到轮次检验结果为r=12
，
。根据判定条件i ），试验场测量结果为各态历经
平稳过程。
福特蒙迪欧制胜本次试验测量的信号均通过了平稳性检验。
表3 轮次检验结果
4 载荷识别
4.1 疲劳损伤
疲劳损伤是由于应力-应变的疲劳滞回循环引起的损伤源附近材料的反复塑性变形。每个滞回循环都造成构件一定的疲劳损伤，整个时域载荷历程总损伤值可通过累加每个循环引起的损伤值得到。
最简单的寿命-载荷关系为Wohler 曲线，以Basquin 方程[6]的形式给出：
（1）
式中S 为载荷幅值，α为材料常数，N 为对应S 的疲劳寿命，β为伪损伤指数。
根据Palmgren-Miner 损伤累积准则，它对所有计数载荷的损伤求和。
（2）
其中单个幅值为S i 的载荷循环对损伤贡献是1/N i ，n i 为为试验中雨流计数统计第i 级试验载荷作用的循环数，N i 为
第i 级载荷S i 的寿命。 4.2 道路载荷伪损伤缩减
依据不同路面工况占比和循环次数，用雨流计数和归一化的S-N 曲线计算得到各通道不同类型载荷的总伪损伤。以综合路II 中的共振路II 为例，用matlab 编制4点雨流计数[7]
程序，得到轴头垂向载荷的雨流分布，如图6所示。从图中可以看出在均值5500N ，幅值0N 处的载荷分布密度最大，符合每个车轮静态载荷550kg 分配规律，因此该雨流矩阵可
用于该路段的损伤计算。
图6 共振路II 垂向载荷雨流分布矩阵
为确保载荷分解精度并且降低CAE 分析成本，筛选一个子集进行总伪损伤等效。设简化前路况数量为
n ，每种路况单次循环对应的伪损伤为D ji ，j=1，2，…，n ，i=1，2，…，m 。等效简化后的路况数量为n ’，每种路况单次循环对应的伪损伤为D ki ，k=1’，2’，…，n ’。等效原则为缩减前后各通道总伪损伤相等，用计算得到的各通道总损伤值作为设计目标，按下列方程组计算得到缩减路面的等效循环次数。
上述方程一般不能直接求解，通常要求m>n ’，通过线性拟合算法求得各C i ，结果如表4中第3列所示，得到缩减后9条典型等效路面及其循环次数。
表4 试验场道路等效缩减
为检验等效精度，将车轮六分力共24个通道的伪损伤及损伤比列于表5，等效后损伤比在0.5~2之间，认为满足精度要求。
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表5 伪损伤等效对比
4.3 车辆多体模型关联
基于ADAMS/Car 软件建立了该SUV 整车多体动力学模型，运用虚拟迭代方法求解4个轮心处的六分力。为保证车辆模型的精度和后期各部件连接点载荷的正确性，在前期车辆操稳性能开发的基础上用MTS 试验台测量了前、后悬架的K&C 特性曲线。用测得的K&C 特性对模型进行了关联，标定结果如图7所示，使得建立的载荷分解模型与实际车辆特性一致。
图7 车轮垂向载荷和车身侧倾角关系
图中表示的是车轮垂向力与车身侧倾角之间的关系，即车辆侧倾角刚度。其中实线为在K&C 测试台上测得的结果，为一封闭回线，反映了减振器作用下的阻尼迟滞效应，虚线为悬架多体模型仿真结果，是经过多次调整悬架衬套和缓冲块行程后得到的侧倾角刚度，此时模型仿真得到的角刚度曲线落在实测角刚度回线的中间，因此认为该模型是满足工程精度的，可以用于部件的载荷分解。
模型关联后，按照标定后的参数重新建立整车的载荷分解多体模型，定义了轮心六分力共24个激励通道，按照实车测点位置定义38个输出通道。 4.4 车辆部件载荷分解
利用虚拟迭代程序调用ADAMS 车辆多体模型可以求得激励点的载荷估计值[8]。本文运用该方法来求得轮心六分力，在多体模型的轮心处创建白噪声小信号，表示车轮六分力随机载荷。根据激励和响应时域信号，通过Laplace 变换，求得车辆多体模型的传递函数矩阵后，将缩减后各段典型路面的测量信号作为目标，通过将测量值与仿真值的差值乘以传递函数的广义逆矩阵来求得每步迭代增量。需要强调的是，为消除传递函数广义逆矩阵的病态性，要求输出通道的数量
必须大于输入通道的数量[9]。
以共振路II 为例，其属于驾驶路面，故不考虑制动力矩。经过10轮迭代后，各通道相对损伤比接近1，满足0.5~2范围内的精度要求，如图8所示。终止迭代过程，将此时轮心六分力作为整车模型的激励载荷时间历程，即完成了该SUV 车道路载荷的识别，将此载荷作为多体模型的激励，计算得到车辆各部件的载荷，用于强度和疲劳分析。
图8 共振路II 迭代后各通道六分力损伤比
5 结论
aspec本文提出用轮次分析法检验道路谱测量数据的各态历经平稳性是车辆载荷识别的基础。基于伪损伤线性叠加理论在测量数据分析的基础上对25条道路等效缩减为9条典型道路，加快了载荷识别速度，解决
了病态方程问题。对用于道路载荷识别的模型，运用模型关联技术对悬架衬套，缓冲块行程等进行了标定，使其与实车K&C 测试结果吻合，得到满足工程精度的整车多体模型。最后基于虚拟迭代程序调用
车辆多体模型，将实测数据设定为响应目标，通过10次迭代识别得到轮心六分力的载荷历程。
参考文献
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