商用车道路载荷谱的采集系统研究及应用

杨林，侯圣文，张发勇

（陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

引言

随着电商、物流等行业的高速发展，对国内牵引车在轻量化、燃油经济性、可靠性等方面提出了更高的要求。其中变速器作为汽车动力总成中的关键零部件，其换挡同步时间、疲劳寿命直接影响整车传动系统的舒适性、可靠性。研究和提升变速器的可靠性是保障整车质量的一个核心环节。由于中国幅员辽阔，高原、丘陵、平原等路况错综复杂，国内重卡行业还没有普通使用基于真实行驶工况分析评价变速器可靠性。目前国内基于道路载荷谱研究乘用车的燃油经济性已经取得了很大进展，但是在重卡变速器的可靠性等方面的研究及应用尚在起步阶段。 本文旨在研究重卡变速器的道路载荷谱的采集及应用。

1 道路载荷谱的采集系统

道路载荷谱的采集系统由多功能GPS数据采集系统、远程管理服务平台、数据处理分析软件等部分组成。多功能GPS数据采集系统通过CAN总线实时获取ECU的内部数据，结合 GPS传感器获取定位信息和行驶车速，并将数据通过GPRS/3G无线网络发送到远程管理服务平台。用户可通过手机、笔记本登录服务平台监控试验车辆。

1.1 多功能GPS数据采集系统

多功能GPS数据采集系统与无线行驶记录仪类似，安装在终端车辆，长时间记录、检测、存储行驶过程中发动机ECU总线数据、车速、行驶轨迹等参数。因此数据采集系统必须满足以下条件：内置实时处理器，达到1HZ采样率；内置高精度GPS传感器，可与北斗兼容，2.5米定位精度；具有SD卡存储功能，支持断电保护；具有 CAN总线接口，支持SAEJ1939、CCP、ISO15765等协议，可连接INDAM模块和车辆ECU；具有抗冲击、抗振动等恶劣环境能力，满足矿区、颠簸等路况要求，可在-40℃-85℃温度范围内工作等等。

1.2 远程管理服务平台

远程管理服务平台主要用于监控和管理试验车辆，配合无线传输的数据采集系统，可以实现试验车辆定位、行驶状态监控、历史轨迹回放、历史数据下载、ECU数据监控、远程故障诊断、数据统计与分析、条件设定与报警等功能。因此服务平台必须满足以下条件：自定义路况，可实现里程、车速统计，车辆轨迹对比，路况统计等统计功能；以航拍和街道的地图方式显示车辆定位，可以精确定位到车道；用户可以查询车辆任意时间段的数据，并以 excel等格式下载；具有上万台车辆的数据管理容量。

图1 车辆实时状态监控

远程管理服务平台还支持手机APP软件，近距离可基于蓝牙用于数据显示、配置和数据采集，远距离可基于移动网络用于车辆状态、故障和总线数据管理。

图2 远程管理服务平台的APP

1.3 数据处理分析软件

数据处理分析软件除了能够实现实现远程服务平台的里程、车速等简单的统计功能，主要作用是工况分析、档位计算与统计、驾驶习惯分析、油耗分析、异常数据处理等分析功能。

工况分析：可对扭矩、转速、瞬时油耗等参数进行时间历程分析并用XY曲线表示；根据用户定义，曲线表示发动机万有特性曲线；生成转速-扭矩负载工况图等；输出word、PDF等格式的工况分析报告。

档位计算与统计：根据用户设定的加、减、乘、除、幂、对数等复杂算法计算档位；统计档位的使用时间、行驶里程的百分比并用柱状图表示；生成档位—时间百分比、档位—里程百分比等。

驾驶习惯分析：统计档位之间的转换频率并使用次数柱状图表示；统计档位、车速、扭矩等关系，并用档位—转速、档位—扭的分布等。

油耗分析：利用积分累积各个档位、转速区间下的油耗，生成油耗—转速分布图、油耗—档位分布图等。

异常数据处理：由于实际测试中，信号干扰不可避免，采集的数据曲线可能会出现尖峰、中断或高频干涉。譬如穿过较长隧道时GPS没有信号，经纬度的定位信息就会丢失。因此数据采集分析软件必须具有曲线滤波、平滑处理等工具，采用低通滤波、强制零相位、平滑连接的那个技术，保证数据曲线的真实性。

图3 工况分析报告

2 道路载荷谱的应用

如图4所示，本公司在某物流车队安装了多功能数据采集系统，历时15天，采集了河北邯郸—云南瑞丽的道路载荷谱, 测试里程 7939Km。整车动力总成为：潍柴发动机WP13.480E401、法士特变速器C12JSDQXL240T、汉德车桥（速比3.083）。

图4 邯郸—瑞丽的轨迹

图5 各档换挡次数的百分比

经道路载荷普的专用分析软件分析可得：如图5各档换挡次数百分比可知， 9、10、11档的换挡次数较多，这与西南地区的高速公路上下坡多有直接关系；如表1中各个档位的时间使用百分比可知，该整车配置在邯郸—瑞丽的高速公路上高档区使用时间百分比大于 92%,最常用档位为直接档12档，另外此表格还反应了高档区扭矩＞2000Nm的时间占比约8%—38%，＞2200Nm的时间占比约4%—20%；如图6中10档的扭矩—转速分布图可知，10档的使用时间中约27%的扭矩＞2000Nm、约 12%的扭矩＞2200、90%以上转速位于1000-1500rpm的经济转速区间。

表1 档位使用时间百分比及大扭矩时间占比

图6 10档的扭矩—转速分布图

根据Miner疲劳损伤准则、齿轮强度计算及材料S-N曲线，将变载荷、变转速的道路载荷谱向变速器的最大输入扭矩、疲劳试验台的最大输入转速进行加速获得台架载荷谱，并在疲劳试验台上进行恒定载荷、恒定转速下的加载疲劳试验。如图7所示120万公里后S变速器的拆检：主、副箱所有档位齿轮齿面磨损均匀，没有点蚀或断齿；轴承转动平顺，无卡滞现象。加载试验证明：在邯郸—成都的高速公路上，法士特S变速器至少可行驶120万公里，齿轮、轴承等零件部不会发生故障。

图7 120万公里S变速器拆检

3 结论

本文详细阐述了道路载荷谱的采集系统及技术指标。首选基于实际采集的河北邯郸—四川成都的道路载荷谱，分析了该高速公路的上司机的驾驶习惯：常用档位、各档使用时间百分比、换挡次数百分比、扭矩—转速的分布图。然后根据疲劳损伤理论加速道路载荷谱，并疲劳试验台架上考察了法士特S变速器的可靠性，为商用车变速器的正向开发与可靠性提升提供一种新方法。