何厚來 馮威 龍春林 孫戰(zhàn)峰 謝江

關(guān)鍵詞：底盤測(cè)功機(jī);爬坡工況;模擬;路譜

0 引言

根據(jù)某產(chǎn)品售后反饋，在云南、貴州山區(qū)出現(xiàn)數(shù)例匹配CVT變速器的車型在連續(xù)坡道無法行駛的故障。其原因?yàn)檐囕v在較大坡度的山路持續(xù)低速行駛時(shí)，變速器油溫度過高，觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECM 的限扭保護(hù)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率及扭矩大幅降低，導(dǎo)致車輛動(dòng)力不足無法繼續(xù)行駛。在原地怠速數(shù)分鐘后，變速器油冷卻至低于限扭設(shè)定溫度值時(shí)，動(dòng)力自行恢復(fù)正常。

此類故障工況的主要特點(diǎn)有2 點(diǎn)：一是低速，CVT 變速器的變矩器頻繁在未鎖止工況下運(yùn)行;二是發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)在較大負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。這類工況呈現(xiàn)到實(shí)際道路上，就是能夠滿足一定坡度，并連續(xù)保持適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。現(xiàn)代汽車的常規(guī)耐久性試驗(yàn)中都在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，坡道場(chǎng)地長(zhǎng)度有限。國(guó)內(nèi)主要試驗(yàn)場(chǎng)如海南熱帶汽車試驗(yàn)場(chǎng)、北京交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)和定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場(chǎng)等，其場(chǎng)內(nèi)坡度單程長(zhǎng)度等均在200 m 以內(nèi)，無法滿足長(zhǎng)度要求。在海南五指山市有連續(xù)12 km 的山路，但其平均坡度為4.6%，發(fā)動(dòng)機(jī)無法持續(xù)在較大負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此同樣無法驗(yàn)證故障工況[1]。

為獲取車輛故障時(shí)的實(shí)際運(yùn)行工況信息，我司技術(shù)人員在云南出現(xiàn)故障的實(shí)地進(jìn)行測(cè)試并采集路譜。實(shí)地道路為蜿蜒曲折的山村鄉(xiāng)道，道路呈“之”字形走勢(shì)，平均坡度達(dá)到15.3%，局部最大坡度超過32%，遠(yuǎn)超國(guó)家公共道路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。由于實(shí)地道路險(xiǎn)峻，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，從場(chǎng)地安全、驗(yàn)證成本等方面考慮均不適宜進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)， 因此需要開發(fā)一種基于在底盤測(cè)功機(jī)上模擬汽車爬坡工況的測(cè)試方法。以下就某車型的實(shí)際測(cè)試方法進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

1 模擬測(cè)試的設(shè)備及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 故障工況信息收集

通過對(duì)故障車輛發(fā)生故障地點(diǎn)的道路條件進(jìn)行調(diào)查（圖1），獲取道路的信息;檢查故障車輛狀態(tài)，尤其是動(dòng)力系統(tǒng)，排除其對(duì)車輛故障產(chǎn)生的影響;調(diào)查故障工況時(shí)車內(nèi)乘員數(shù)量和實(shí)際載荷、用戶的操作習(xí)慣以及車速區(qū)間等信息并進(jìn)行綜合分析，選取較典型的道路，進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。

1.2 測(cè)試設(shè)備及路譜采集信號(hào)

確認(rèn)測(cè)試道路后，便可組織車輛實(shí)地測(cè)試以采集路譜。根據(jù)調(diào)查的信息，用戶出現(xiàn)故障時(shí)的載荷已經(jīng)接近額定載荷，并考慮測(cè)試需要擴(kuò)展至其他車型，且需保證一致的載荷標(biāo)準(zhǔn)，故使用車型的額定載荷工況下進(jìn)行測(cè)試并采集路譜。路譜需要采集的的信息如下。

動(dòng)力系統(tǒng)信號(hào)：進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、噴油量（噴油信號(hào)占空比）、車速、變速器油溫度、擋位、變矩器鎖止?fàn)顟B(tài)、請(qǐng)求扭矩、實(shí)際扭矩以及變速器速比等，以上信號(hào)一般可通過CAN 端口讀取。

環(huán)境參數(shù)：海拔高度、坡度、空氣濕度、大氣壓力、陽(yáng)光輻射強(qiáng)度和風(fēng)速（進(jìn)氣格柵處縱向風(fēng)速）。

測(cè)量設(shè)備：VBOX 3I、慣性測(cè)量?jī)x和熱電偶等設(shè)備。

測(cè)試平臺(tái)：AVL 道路模擬兩驅(qū)環(huán)境艙底盤測(cè)功機(jī)。

1.3 路譜數(shù)據(jù)初步處理及分析

采集的路譜由于數(shù)據(jù)波動(dòng)較大（圖2），需要對(duì)初始路譜進(jìn)行必要的處理，消除曲線毛刺及平滑處理，否則會(huì)導(dǎo)致底盤測(cè)功機(jī)頻繁報(bào)故障甚至停機(jī)。經(jīng)過對(duì)底盤測(cè)功機(jī)運(yùn)行過程出現(xiàn)的故障點(diǎn)與路譜對(duì)應(yīng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大部分故障點(diǎn)均處于制動(dòng)工況，或從滑行切換至加速工況瞬間。

這是由于車輪對(duì)轉(zhuǎn)轂施加的扭矩發(fā)生方向性變化，容易導(dǎo)致輪胎與轉(zhuǎn)轂間出現(xiàn)滑動(dòng);且測(cè)試時(shí)對(duì)應(yīng)坡度阻值越大，輪胎與轉(zhuǎn)轂間出現(xiàn)滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)隨之增大，并且隨輪胎胎面溫度升高滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)進(jìn)一步增加。因此，為使測(cè)試可以順利進(jìn)行，減輕對(duì)設(shè)備的損耗，適當(dāng)對(duì)測(cè)試路譜進(jìn)行修正，如降低車輛的減速度，提升數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用固定坡度值等措施[2]。

2 測(cè)試方法

2.1 參數(shù)確認(rèn)

底盤測(cè)功機(jī)是一種檢測(cè)汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的專業(yè)設(shè)備。當(dāng)測(cè)試車輛在轉(zhuǎn)轂上運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整轉(zhuǎn)轂的負(fù)載阻力可以模擬汽車在不同負(fù)荷條件下的運(yùn)行狀態(tài)。配合環(huán)境艙控制進(jìn)氣溫度、濕度和日光輻射強(qiáng)度等參數(shù)，可以確保艙內(nèi)的測(cè)試條件盡可能地接近實(shí)地測(cè)試的外部環(huán)境。在實(shí)測(cè)路譜中，環(huán)境相關(guān)參數(shù)如空氣溫度、空氣濕度、陽(yáng)光輻射強(qiáng)度及大氣壓力均為變化值，但在底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)試時(shí)，從可實(shí)施性考慮，可將其簡(jiǎn)化為固定值。風(fēng)速采用車輛運(yùn)行速度進(jìn)行設(shè)定。

從故障的原因分析可知，冷卻液溫度、變速器油溫度是導(dǎo)致故障的直接因素。車輛運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣溫度、風(fēng)速、空氣濕度、冷卻液循環(huán)速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度以及變矩器鎖止?fàn)顟B(tài)等都會(huì)影響動(dòng)力系統(tǒng)冷卻能力。本文篇幅有限，我們重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度和變速器油溫度3 項(xiàng)溫度參數(shù)曲線的重構(gòu)。通過基于該3 項(xiàng)溫度信號(hào)隨時(shí)間變化曲線的重構(gòu)，可大致反應(yīng)該動(dòng)力總成在測(cè)試工況下動(dòng)力系統(tǒng)的熱平衡匹配水平。

2.2 運(yùn)行工況控制及處置

在進(jìn)行底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試前，需要測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)載荷下車輛的滑行阻力，以設(shè)定阻值參數(shù)，條件受限時(shí)也可采用查表法按重量確定。底盤測(cè)功機(jī)按照采集的速度、坡度曲線運(yùn)行，同步收集各項(xiàng)信息，以便后續(xù)進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)試過程需關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、變速器油溫度的變化，當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫高報(bào)警、變速器油溫過高報(bào)警時(shí)，終止測(cè)試并保持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速冷卻，避免造成動(dòng)力系統(tǒng)的損壞。

2.3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析及修正

在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)得的進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度和變速器油溫度曲線與實(shí)測(cè)路譜中曲線的走向及峰值存在較大差異，這與路譜的采集質(zhì)量以及為適應(yīng)測(cè)試平臺(tái)而進(jìn)行的調(diào)整有關(guān)，此外與測(cè)試平臺(tái)有也有很大的關(guān)聯(lián)（圖3）。

為使試驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)曲線一致，首先需要確定測(cè)試溫度。在20 ～ 38℃重復(fù)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)艙內(nèi)溫度在35℃時(shí)，進(jìn)氣溫度的曲線與目標(biāo)曲線最為接近，故確認(rèn)測(cè)試溫度為35℃。

當(dāng)固定坡度值進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要通過坡度值對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行必要的修正。如在測(cè)試路段某區(qū)間的平均坡度為it，如果在底盤測(cè)功機(jī)上按照坡度it 進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果中冷卻液溫度和變速器油溫度的曲線斜率是偏小的。分析為車輛在曲折的山路中行駛時(shí)，整車的行駛阻力變化極大，尤其為小轉(zhuǎn)彎半徑路段，其內(nèi)外路面高低差以及轉(zhuǎn)向時(shí)增加的摩擦阻力，都會(huì)導(dǎo)致阻力進(jìn)一步增大，此因素在底盤測(cè)功機(jī)上是無法模擬的。

因此在此引入一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)k，其定義方法為：在原路譜中取較典型的一段加速區(qū)間（即出彎后的加速過程），其間的噴油信號(hào)最大占空比峰值為A ;在底盤測(cè)功機(jī)上按實(shí)測(cè)路譜的平均坡度it 運(yùn)行時(shí)，在該區(qū)間時(shí)噴油信號(hào)占空比峰值為B，其比值為k1=A/B。k2 為經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償比，主要補(bǔ)償因調(diào)整路譜減速度引起的強(qiáng)度影響，以及與測(cè)試平臺(tái)因素有關(guān)。根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，k2 一般在1.2 ～ 1.4 間選取。最終在底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)試時(shí)，設(shè)置的固定坡度值為平均坡度it 與補(bǔ)償系數(shù)k 之積，其中k=k1k2，此時(shí)的測(cè)試結(jié)果比較接近預(yù)期。

在實(shí)際的的測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)采用固定坡度的方法在底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行時(shí)， 會(huì)呈現(xiàn)兩種基本的測(cè)試結(jié)果：一是當(dāng)散入冷卻系統(tǒng)的熱量小于冷卻系統(tǒng)的最大冷卻能力時(shí)[3]，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、變速器油溫度在上升到某個(gè)溫度值后會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨測(cè)試時(shí)間而升高;二是當(dāng)散入冷卻系統(tǒng)的熱量大于冷卻系統(tǒng)的最大冷卻能力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致冷卻液溫度或變速器油溫度持續(xù)上升，進(jìn)而觸發(fā)系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)定而表現(xiàn)出故障。

圖4 為某車型在固定坡度設(shè)定為26% 時(shí)的測(cè)試曲線。在此條件下，冷卻液溫度、變速器油溫度的變化率及峰值與道路實(shí)測(cè)路譜基本一致，可視為此測(cè)試工況與該實(shí)際道路（it=15.3% 的測(cè)試路段）行駛工況強(qiáng)度接近等效。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)評(píng)估動(dòng)力系統(tǒng)熱害時(shí)，可以用此工況替代實(shí)際道路驗(yàn)證。

2.4 測(cè)試方案的局限性

對(duì)于不同動(dòng)力總成的車型，在同一路段行駛其動(dòng)力表現(xiàn)差異巨大，如配備相同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的同一系列車型，每一種動(dòng)力總成的車型需均獨(dú)立采集路譜。同一動(dòng)力總成車型，當(dāng)動(dòng)力總成標(biāo)定數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化時(shí)，如增加新的駕駛模式等過程，應(yīng)重新采集路譜。對(duì)于相同動(dòng)力總成、驅(qū)動(dòng)方式相同的不同車型，當(dāng)額定質(zhì)量差異在5% 以內(nèi)時(shí)可以借用測(cè)試，在底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)試時(shí)按實(shí)測(cè)車輛的質(zhì)量進(jìn)行設(shè)定即可。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我司從實(shí)際故障出發(fā)，探索利用底盤測(cè)功機(jī)模擬車輛極限爬坡工況的測(cè)試方法，并將其持續(xù)優(yōu)化。通過此方法，可以利用底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試車輛動(dòng)力系統(tǒng)在極限工況下的表現(xiàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)保護(hù)設(shè)定的有效性。該方法有益于大幅降低實(shí)地驗(yàn)證的成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)驗(yàn)證周期。