浅谈重型卡车载荷谱采集与疲劳分析

交通科技与管理
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技术与应用0　前言
随着我国基建和物流业的快速发展，重型卡车的销量快速增长。

疲劳耐久性对重型卡车的市场口碑极其重要，因此越来越受到重型卡车整车制造企业的重视。

整车疲劳耐久试验主要包括用户道路试验、试验场强化试验、室内台架试验和计算机虚拟疲劳试验。

用户道路试验因试验周期长，已基本被试验场强化试验取代。

试验场强化试验基于等效损伤原理，通过一系列典型强化路面对整车及零部件的疲劳耐久性进行验证。

通过采集目标用户道路与试验场典型强化道路载荷谱并进行疲劳损伤计算，可以得到两种道路的相对损伤关系并制订出与目标用户关联的试验场强化试验规范，从而达到加速试验的目的[1]。

室内台架试验是将加速编辑后的道路载荷谱作为输入，通过台架迭代获得试验台架加载谱，在室内台架上复现车辆在试验场道路试验时相同的失效和故障模式，可进一步缩短整车疲劳耐久试验周期。

计算机虚拟疲劳试验通过建立整车多体动力学模型并运用虚拟迭代技术，将载荷谱作为输入信号，在整车设计阶段即可对整车进行虚拟疲劳分析和寿命预测[2]。

因此，载荷谱是整车疲劳耐久性能研究的基础。

本文介绍了重型卡车试验场载荷谱采集与数据处理的基本方法，对基于载荷谱进行疲劳分析的基本原理进行了阐述。

1　采集系统
载荷谱采集系统参考表1所示。

表1　载荷谱采集系统
序号设备名称用途/检测参数1nCode eDAQ 数采系统传感器连接、载荷谱采集2车轮六分力传感器车轮三垂直力和绕三垂力的力矩
3应变片
转向横位杆、悬挂、传动轴、
车桥、驾驶室等关键部位应力4加速度传感器轴头、车架、驾驶室关键点、
整车质心、动力总成悬置单向
或三向加速度
5位移传感器车轮相对车架位移
6GPS 接收器
车速、经度、纬度、海拔高度、
行驶轨迹
7逻辑开关
作为更换试验工况的标志，用
于后期对各道路数据进行分割8笔记本电脑
采集过程数据监控，对采集数
据进行检查、修正、分析
传感器测试点理论上越多越好，但是由于数采系统通道数及人力、物力、成本限制，测点选择尽量满足采集需要即可。

如应变计信号可以直接用于整车及零部件疲劳寿命预测。

加速度信号主要作为室内台架试验、计算机虚拟耐久试验的迭代信号或监控信号。

车轮相对车架的垂向位移在室内台架道路模拟试验中应用较多。

六分力信号是后续制订轴耦合道路模拟机目标谱的重要参考信号。

传感器尽量布置在车辆关键部位和对路面激励较为敏感的区域，测点位置的选取要方便布置传感器。

在传感器布置后，应对传感器进行必要的保护，比如在应变片表面涂绝缘胶水，以免应变片受猛烈冲击而损坏。

在发动机或排气系统附近的传感器表面裹上几层隔热胶带或使用隔热锡纸，避免因高温导致的传感器损伤和测试数据不准确问题。

2　采集过程
在进行载荷谱采集前，应先了解用户用途目标，主要包
括车辆的负荷情况、行驶的道路种类、在各种道路上行驶的速度和里程等信息。

根据用户用途目标，确定试验场载荷谱采集程序。

试验车辆根据试验需求配重，配重物要固定牢靠，在采集过程中不得发生晃动和颠离。

在完成采集设备和传感器安装调试后，由专业驾驶员驾驶试验车辆，测试工程师随车进行载荷谱采集，采样率为1 024 Hz。

在正式测试前应先进行预测试，以检查设备、传感器有无异常情况。

采集过程中，驾驶员应严格按照路试程序驾驶车辆，测试工程师实时监控测试信号有无异常。

车辆行驶到一种强化路面时，按下逻辑开关，离开时再按一次，方便在后期根据逻辑开关信号对各路面信号进行截取。

考虑到不同用户驾驶习惯的差异，可以由3名驾驶员驾驶试验车辆，各采集3次。

3　数据校验与预处理
3.1　有效性校验
为不影响后续分析结果的准确性，应首先对采集数据的有效性进行校验。

首先，检查车速是否符合试验规范要求。

然后对采集的时域信号进行观察，高质量的信号曲线光滑且有一定的规律性（幅值在均值上下呈对称分布）。

轴头加速度信号幅值一般不超过30g，安装在车辆左右对称位置的传感器，信号幅值应具有较好的重合度。

从频谱上观察，测试信号幅值一般服从正态分布，且路面激励在80 Hz 以下。

将采集的9组信号从时域、频率、幅值域进行对比，三者应该具有较好的重复性。

对悬架系统上测得的加速度和位移信号，可通过积分数学计算相互验证信号的有效性。

3.2　异常数据处理
载荷谱采集过程中，由于各种不确定因素干扰可能导致信号出现各种异常，如毛刺、趋势项。

信号中的“毛刺”一般是由于电干扰或意外的物理撞击所引起的，其信号幅值远大于附近点的幅值。

趋势项的产生一般是由采集系统零点漂
浅谈重型卡车载荷谱采集与疲劳分析
薛黎明,万亮亮,夏德东,彭德文
（湖北大运汽车有限公司 技术中心,湖北 十堰 442000）
摘　要：本文介绍了重型卡车载荷谱采集与数据处理流程，阐述了基于载荷谱进行疲劳损伤分析的基本原理。

这对重型卡车生产企业建立科学有效的整车耐久试验规范、提高整车疲劳耐久性能与产品市场竞争力具有重要的理论和工程应用价值。

关键词：可靠性；疲劳耐久；疲劳寿命；载荷谱；疲劳损伤
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移或温度变化引起，其信号轴线脱离横轴，呈直线上升或下降趋势。

毛刺与趋势项等异常信号会导致信号失真，在后续计算过程中导致不可预知的结果[3]。

可以利用Glyphworks模块进行数据修正，消除信号毛刺和趋势项。

4　疲劳分析
4.1　疲劳性能曲线（S-N 曲线）
疲劳寿命估计与疲
劳损伤计算主要依赖于
材料的S-N曲线（图1）。

S是恒定幅值应力，N
为与之对应的应力加载
下疲劳件发生疲劳破坏
循环次数，即寿命[4]。

4.2　Miner线性累积损
伤理论
S-N曲线只能解决图1　S-N曲线
特定载荷的疲劳寿命计算，但事实上汽车行驶时受到的载荷是动态变化的，没有办法直接查询S-N曲线来计算疲劳损伤值，于是出现了累积损伤理论。

根据累积损伤理论，构件在承受随机载荷作用下工作时，其疲劳破坏是在不同幅值的应力循环作用下所造成的不同大小的损伤逐步累积的结果。

Miner线性疲劳累积损伤理论是目前应用最为普遍的疲劳累积损伤理论，根据Miner理论，构件的疲劳损伤可以直线累积，总损伤量为D，当D=1时，结构发生疲劳破坏，当D≠1时，其倒数为零件可服役的次数，即其寿命。

4.3　计数法
使汽车零部件产生疲劳损伤的主要原因是载荷幅值和载荷循环次数。

汽车行驶过程中采集到的载荷-时间历程，具有很大的随机性，没有办法直接用于疲劳损伤的计算，必须对其进行统计处理。

从载荷的随机信号中统计识别出不同大小级别载荷循环的次数的过程叫“计数法”。

目前，在国内外工程中应用最为广泛的是雨流计数法。

时域载荷数据经过雨流计次处理，得到各种形式的累计频次分布，称之为载荷谱。

载荷谱是一种具有统计特性的图形，能从本质上反映零件的载荷变化情况。

雨流计数法的过程，可以利用Glyphworks软件完成
5　结论
本文介绍了重型卡车载荷谱采集与数据处理流程，对基于载荷谱进行整车疲劳分析的基本原理进行了阐述。

载荷谱对于重型卡车这类承载运输类车辆的疲劳耐久性能的研究非常重要。

参考文献：
[1]江毓,王晓磊,郑燕萍,等.与用户使用关联的整车耐久性试验方案确定[J].时代汽车,2017(6):81-83+85. [2]谢志强,裴照地.载荷谱在汽车上的应用[J].南方农机, 2015(8):48+68.
[3]赵晓鹏,冯树兴,张强,等.越野汽车试验场载荷信号的采集及预处理技术[J].汽车技术,2010(9):38-42. [4]LEE Y L.张然志译.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京：国防工业出版社,2011:32.
（上接第74页）
开发MES连锁控制功能。

零件扫描后首先与MES过点车型顺序进行对比，比对合格后取出零部件信息进行比对，若过线顺序异常或零件异常则发出警报，同时向线体或设备PLC 发出异常信号，线体或设备PLC控制相关线体或设备自动停机，相关人员立即到现场对异常问题进行处理达到系统条件后才能复机放行，可有效保证安全和质量。

2.5　环（Environment）
在使用环境上，由于工厂作业环境噪音震动及粉尘较大，前期选型的平板设备出现了使用寿命短、易坏的情况。

针对于此，采取以下措施：（1）推进5S-TPM活动，通过整理、整顿、清洁，设备点检、管到巡视，创造出一个一目了然的现场环境。

物品一尘不染、定置摆放整齐、现场干净整洁、物流畅通有序。

（2）网络布局有效监测与规划部署。

（3）项目组特别提出对所有电脑和信息化扫描终端设备必须增加保护工装及增加珍珠棉防护垫以减少由于震动导致的设备元器件易损坏的问题。

2.6　测（Measure）
对扫描结果进行有效监测，开发统一的集成的监控平台。

程序自动统计扫描数据，定期自动提醒同步。

3　系统实现效能分析
（1）本系统可替代大部分重保件和关键件的人工上料检查操作，防止人工带来的失误，有效追溯管理，如备料清单有误，实发数量不足，料盘备错，料盘位置放错，料盘顺序错等。

（2）系统通过条码技术和自动检查功能防止上料错误，替代人工检查。

（3）系统自动记录上料过程信息，检查过程动作，抽查过程，换料过程等信息。

（4）系统对检查出的错误即时报警，提示改正措施施行。

（5）机台上料设置的信息共享，并可随时打印供备料，上料，对料人员参照执行，标准一致，防止工程变更数据没有及时通知到所有相关人员。

（6）上料过程追溯实现，便于物料追踪，人员工作追踪，机台运行状况追踪等。

4　总结
运用现代化电子信息扫描手段开展自动化防错防呆技术在员工劳动强度、精神压力方面具有重要的作用，还能够提升生产效益。

同时后续将从推进自动化扫描程度及数据集成化资源库方面做进一步的拓展，将其功能发挥至最大化。

参考文献：
[1]吴明亮,樊明龙.自动化生产线技术[M].北京：化学工业出版社,2018．
[2]卢守东.PowerBuilder数据库开发技术[M].北京：清华大学出版社,2017．
[3]张威.SMT生产线防错料改善分析[J].企业导报,2018 (17):265-266．。