在當(dāng)前市場環(huán)境對車輛多屬性平衡（動力性，經(jīng)濟(jì)性，駕駛性，舒適性，操縱性等）的要求越來越高的背景下，特別是對整車耐久性設(shè)計目標(biāo)提出了巨大的挑戰(zhàn)，即：精準(zhǔn)載荷目標(biāo)定義。這需要對于商用車的客戶在疲勞耐久方面的使用情況進(jìn)行詳細(xì)徹底的客戶使用調(diào)查分析。

對于商用車進(jìn)行客戶使用調(diào)查分析中存在如下的兩難局面：一方面，對于商用車，特別是重型卡車或牽引車等的商用車，為獲取用戶使用數(shù)據(jù)，需要在車輛上布置大量的測試通道，其包括但不限制于：應(yīng)變測試通道，加速度測試通道，位移測試通道，其他與CAN總線上可獲得的數(shù)據(jù)相關(guān)的測試通道；另外，如果考慮傳動系，還需要獲取發(fā)動機(jī)、變速器等相關(guān)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測試信號；而另一方面，為詳細(xì)調(diào)查用戶群的使用情況，特別是使得所述調(diào)查具有統(tǒng)計分布意義上的代表性，則需要選取足夠多的商用車用戶進(jìn)行前述多通道測試，而非僅關(guān)注于個別用戶的使用情況，從而造成樣本量明顯不足的情況。為此，需要一種方法來兼顧單個的具體樣本的測試通道數(shù)量與多個樣本數(shù)量之間的平衡。

為此，Siemens PLM 與歐美商用車企業(yè)聯(lián)合開展了諸多工程項目，在這些項目背景下，進(jìn)行了基于各種類型的重型牽引車的用戶相關(guān)性分析工作，并且由此建立了一整套適用于獲取商用車用戶使用情況的方法，從而為指導(dǎo)疲勞耐久測試方案的制訂/更新提供用戶使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布作為基礎(chǔ)。

在如下給出的本文中，以某6X4牽引車為例，給出對于此方法的描述，從而獲得：

• 在統(tǒng)計學(xué)上合理可靠的用戶相關(guān)目標(biāo)荷載特性

• 與此目標(biāo)荷載特性相對應(yīng)的試驗場耐久性測試方法

圖1：用戶使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布與疲勞耐久測試的關(guān)系

方法概述

Siemens PLM 用戶相關(guān)性分析技術(shù)的一項核心要素是對真實用戶樣本進(jìn)行駕駛行為觀察，并以大數(shù)據(jù)分析為背景，獲得客觀的被觀察車輛運(yùn)行/使用狀況的統(tǒng)計學(xué)分布。其核心要素是對于用戶駕駛行為監(jiān)測。

這種統(tǒng)計學(xué)分布采用若干屬性進(jìn)行描述，例如，車速，路面狀態(tài)，車輛總質(zhì)量等等。為了限制整體數(shù)據(jù)分析的計算量，這些屬性采用離散化方式進(jìn)行分類和表達(dá)，即在每一項用戶駕駛屬性的總數(shù)值范圍內(nèi)劃分成若干等級。

如此建立一個多維空間矩陣，每個矩陣單元代表了所有屬性整體各等級數(shù)值的組合特征，可以理解為被觀測用戶車輛運(yùn)行/使用工況的離散化表達(dá)。這些屬性從用戶實車工況數(shù)據(jù)采集的測量值推導(dǎo)而來，而這些測量數(shù)據(jù)由車隊測試的方式進(jìn)行采集。

接受工況監(jiān)測的卡車車隊由真實用戶所有和運(yùn)營。這些車輛由 SIEMENS PLM 和作為SIEMENS PLM合作方的商用車企業(yè)進(jìn)行數(shù)采設(shè)備及傳感器的安裝工作，其中測試通道例如包含車輛質(zhì)心三向加速度及軸頭 Z 向加速度傳感器，GPS 以及相關(guān)CAN 信號，用于后期對駕駛條件進(jìn)行特征描述。

其中認(rèn)為與承載系疲勞耐久性目標(biāo)有關(guān)的行駛條件如下：

•  卡車加速/減速

•  轉(zhuǎn)彎

• 車輛總質(zhì)量（拖車+掛車+負(fù)載質(zhì)量）

• 路面平整度

• 道路坡度

• 車速 

此項車隊測試工作的總體目標(biāo)是通過觀察處于真實運(yùn)行/使用條件下的用戶卡車，實現(xiàn)最直接的目標(biāo)市場用戶使用工況研究。

圖2：基于多維矩陣的CUCO計算方法示例-測試記錄劃分

對于西門子PLM 的用戶相關(guān)分析技術(shù)，其另外一個要素是車輛在行駛過程中各個荷載通道的響應(yīng)。這項采集工作由全通道道路荷載數(shù)據(jù)采集（RLDA）測試完成，該測試的基礎(chǔ)是一輛全通道載荷譜采集試驗車。外場 RLDA 測試的目的是盡可能地復(fù)現(xiàn)用戶卡車在駕駛員日常駕駛工況觀察期間所可能出現(xiàn)的各種駕駛行為/使用工況，采集與結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)的荷載譜。數(shù)量眾多的測量通道當(dāng)中包括了多個六分力通道，應(yīng)變通道，加速度通道，位移通道等等?？梢詫Υ丝ㄜ囋诟鞣N行駛條件下的結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行準(zhǔn)確的特性描述。

外場 RLDA 測試工作主要由西門子合作方進(jìn)行，其中全通道測試卡車包含多個模擬測量通道（應(yīng)變計、加速計、位移傳感器）。這些測量通道應(yīng)用于卡車各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，如：車橋、車架、油箱、蓄電池和駕駛室。另外采集了其它 CAN 總線和 GPS 信號，用于提供輔助性信息。核心通道為整車 4 個車輪六分力，用于采集道路傳遞到軸頭的載荷信號。

將這兩項核心要素，即用戶使用工況矩陣及全通道試驗車工況損傷矩陣進(jìn)行結(jié)合，對該用戶使用工況條件下的累計損傷進(jìn)行評估。

圖3：基于多維矩陣的CUCO計算方法示例-數(shù)據(jù)合成

針對任一車隊車輛Fleetxx，在用戶損傷矩陣內(nèi)對應(yīng)任一特定荷載通道的所有損傷之和即提供了此車輛/用戶的總損傷值。此數(shù)據(jù)為該用戶在設(shè)計目標(biāo)里程下針對這一荷載通道所評估的累積疲勞（偽）損傷值。針對車隊測試中的每一個用戶，對各個載荷通道的累積偽損傷值進(jìn)行分別計算。

在此步驟之后，對于同一載荷通道中 n 臺被監(jiān)測車輛/用戶樣本可以確定 n個累計損傷值，基于這些樣本可以形成一個累計用戶損傷概率分布特性圖，該分布提供了對整個用戶群（市場）的累計分布概率函數(shù)的估計。

根據(jù)這一累計分布估計值，推算出 95%的概率損傷值，該數(shù)據(jù)作為最終基準(zhǔn)參考數(shù)值，用于描述特定通道95%的用戶荷載目標(biāo)。在針對所有通道執(zhí)行概率統(tǒng)計分析后，能夠提供一組基準(zhǔn)損傷值，用于代表各個相關(guān)荷載通道95%用戶的疲勞耐久性目標(biāo)。

在此之后，可建立和/或修正試驗場試驗方法，其目標(biāo)是通過對試驗場不同路面/車速/載重量的組合，盡可能的復(fù)現(xiàn)各個目標(biāo)載荷通道的目標(biāo)累積損傷值。

圖4：利用用戶相關(guān)性分析結(jié)果建立或修正試驗場試驗方法

試驗場路譜載荷相關(guān)性分析可以利用西門子的軟件產(chǎn)品 Tecware的Combitrack模塊進(jìn)行。Combitrack模塊模塊提供兩種不同的相關(guān)性分析方法： 

1. 載荷直方圖優(yōu)化：針對不同的載荷譜進(jìn)行優(yōu)化組合，計算和目標(biāo)載荷相關(guān)性最好的結(jié)果（通常選用的優(yōu)化方法）。

2. 測試?yán)锍虄?yōu)化：通過不同載荷譜的優(yōu)化組合，形成滿足目標(biāo)值的最短試驗場測試方法（通常試驗場載荷結(jié)果會比目標(biāo)載荷大）。

Combitrack模塊的迭代計算也有兩種模式：

1. 全局損傷 – 對雨流矩陣整體進(jìn)行損傷計算得出偽損傷值并與目標(biāo)損傷對比

2. 局部損傷 – 針對目標(biāo)載荷和試驗場載荷雨流矩陣中的載荷分布進(jìn)行局部對比

對于疲勞耐久性用戶相關(guān)性分析而言，不存在也并不需要用戶目標(biāo)雨流矩陣，因此在迭代計算中僅使用全局損傷優(yōu)化模型。

圖5：利用西門子的軟件產(chǎn)品 Tecware的Combitrack模塊進(jìn)行的迭代處理

工程項目案例

西門子與國內(nèi)某商用車制造商利用前述技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行了商用車用戶相關(guān)性項目，如下基于此項目的執(zhí)行給出具體工程化案例，以用于更好地闡述此方法的實施。

01

車隊測試

車隊測試工作由西門子和西門子合作方（商用車制造商）在多輛用戶卡車上執(zhí)行，這些卡車分別命名為Fleet 01至 Fleet 0X。所有的輛卡車數(shù)據(jù)均用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理及分析。駕駛路線覆蓋華北，華南，西北和西南等主要市場。駕駛條件為日常自由駕駛，無任何駕駛行為導(dǎo)向。測量通道為加速度傳感器（主要布置在車架和車輪上）+GPS+CAN。累計觀察時間大約2000小時。累計觀察里程10萬千米。

02

全通道試驗車路譜采集（RLDA）

在疲勞耐久性用戶相關(guān)性分析中，于外場公共道路上全通道試驗車用于描述在某個特定用戶工況下車輛各個零部件的載荷響應(yīng)。同時在試驗場強(qiáng)化路面上用于采集加速的疲勞耐久性測試信號，便于后期用戶載荷目標(biāo)與試驗場測試強(qiáng)度等效。

全通道試驗車路譜采集中主要布置如下的測量通道：位移傳感器（拉線式位移傳感器），應(yīng)變片（對于拉壓彎扭進(jìn)行全橋測量），加速度傳感器（電容式PCB加速度傳感器），車輪六分力傳感器，其他類型的傳感器（GPS，CAN信號等）。

全通道測試車從北京空載出發(fā)，途徑石家莊，鄭州，后抵達(dá)襄樊。在襄樊進(jìn)行車輛狀態(tài)檢查及修整后，進(jìn)行公共道路譜采集。其中同一載重工況的基礎(chǔ)路譜數(shù)據(jù)采集時長約六天，測試?yán)锍碳s1700公里。去程從襄樊出發(fā)，途徑武漢，合肥到達(dá)定遠(yuǎn)，以高速公路為主，行程約為三天?；爻虖亩ㄟh(yuǎn)出發(fā)，途徑六安，信陽返回襄樊，以國道為主，行程約為三天。

試驗路線以測試車試驗牌照有效省份為基礎(chǔ)，包含國道，高速，山區(qū)，城市等典型用戶工況，盡量保證測試工況的多樣性。外場過程中有服務(wù)車全程跟蹤輔助，測試停經(jīng)點(diǎn)有專門的服務(wù)站便于試驗車的?？考皽y試系統(tǒng)的檢查及修整。測試過程中對途徑省市各典型路面進(jìn)行路譜信號采集，含高速，國道，省道，山區(qū)，城市道路，各大物流園進(jìn)出道路等。測試同時對公共道路譜路面質(zhì)量進(jìn)行主觀評價并記錄。

本次襄陽試驗場耐久性載荷譜采集主要基于場內(nèi)強(qiáng)化路面，其中包含直搓板，帶角度搓板路，坑洼路，乙種水泥路面，甲種水泥路面，長波路，小扭曲，大扭曲，中扭曲，卵石路，短波路及比利時環(huán)路。每種路面之間有平滑連接路進(jìn)行過度，整體布局以并聯(lián)路面為主。

圖6：襄樊試驗場耐久性測試路面整體布局

03

數(shù)據(jù)處理中的一些技術(shù)要點(diǎn)

1. 坡度計算

用戶工況中的路面坡度計算可基于以下兩種測試信號獲?。?strong>GPS海拔信號和零頻加速度傳感器信號。

由于GPS傳感器對海拔的精度相對較低，因此本次用戶工況分析通過車輛質(zhì)心 X向零頻加速度信號獲取路面坡度信息。車輛質(zhì)心零頻X向加速度測試信號包含兩方面的信息：

• 車速變化產(chǎn)生的卡車縱加速度

  
  

• 道路坡度導(dǎo)致的傳感器局部坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的重力場分量

  
  

即：a_x_measured = a_x_SpeedChange + a_x_RoadGradient

其中車輛速度變化產(chǎn)生的車輛縱向加速度可以通過車速變化曲線的微分獲取：

a_x_SpeedChange = d/dt (VehicleSpeed)

從X向零頻加速度傳感器獲取的時域信號中移除車速產(chǎn)生的加速度信號成分，既保留由于路面坡度產(chǎn)生的X向零頻加速度分量：

a_x_RoadGradient = a_x_measured – a_x_SpeedChange

需要注意的是，用于坡度計算的加速度信號都是在非常低頻的區(qū)域進(jìn)行計算的。

2.變速器檔位計算

本次用戶相關(guān)性分析的目標(biāo)是整車承載系統(tǒng)，但是對于整車質(zhì)量的估算仍舊需要變速箱檔位信息，以提高整車質(zhì)量計算精度。變速器檔位計算的基本方法是在一個離合器結(jié)合狀態(tài)下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的比例關(guān)系：