發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間對(duì)應(yīng)整車行駛里程關(guān)系研究

范皖元，宋長(zhǎng)青，向曉野

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達(dá)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間對(duì)應(yīng)整車行駛里程關(guān)系研究

范皖元1，宋長(zhǎng)青1，向曉野2

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達(dá)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性驗(yàn)證主要以臺(tái)架試驗(yàn)為主，但是臺(tái)架試驗(yàn)以運(yùn)行時(shí)間記錄，無(wú)法直接反應(yīng)整車運(yùn)行里程，需要將臺(tái)架試驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)間換算為整車的行駛里程。在主要運(yùn)動(dòng)件疲勞壽命的范圍內(nèi)，通過(guò)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷等效的原則，建立臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間與整車行駛里程對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

臺(tái)架時(shí)間；整車?yán)锍蹋粺嶝?fù)荷；機(jī)械負(fù)荷；等效原則

前言

為了更快速、更便捷的驗(yàn)證、測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外所有的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商都采用了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試，將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在測(cè)試臺(tái)架上，模擬整車提供電源、供水冷卻、供油、進(jìn)氣等等，然后在設(shè)定的工況運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)一定的時(shí)間，用來(lái)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)某些方面的性能能否滿足要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架可靠性驗(yàn)證相比較整車驗(yàn)證大大節(jié)省的驗(yàn)證時(shí)間和費(fèi)用，但是臺(tái)架驗(yàn)證的工況并不能完全代表整車的行駛工況，臺(tái)架驗(yàn)證的結(jié)果也無(wú)法完全反應(yīng)整車實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如何分析和評(píng)估臺(tái)架運(yùn)行結(jié)果反應(yīng)整車實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，就需要將臺(tái)架在具體某些工況下的運(yùn)行時(shí)間換算成整車行駛的里程。

為了分析發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件的臺(tái)架可靠性試驗(yàn)的壽命對(duì)應(yīng)到整車上的情況，本文對(duì)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間換算成整車行駛里程的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了初步研究。

1 臺(tái)架試驗(yàn)描述

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架可靠性驗(yàn)證是將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，按照某一固定的工況運(yùn)行數(shù)百小時(shí)，評(píng)估其是否可靠。一般運(yùn)行的工況和時(shí)間是不同公司根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。國(guó)標(biāo)《GB T19055-2003汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》中規(guī)定了一些常用的可靠性試驗(yàn)工況和時(shí)間，比如交變負(fù)荷試驗(yàn)、混合負(fù)荷試驗(yàn)。

圖1 交變負(fù)荷試驗(yàn)工況

圖2 混合負(fù)荷試驗(yàn)工況

2 整車運(yùn)行工況描述

發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的運(yùn)行工況是要根據(jù)整車實(shí)際使用循環(huán)路譜而來(lái)，比如重型車主要載貨行駛在兩地之間，主要工況是高速滿載，少部分在城郊工況；小型乘用車主要工況是市區(qū)工況，一部分城郊工況，較少的高速工況；公交車工況都是城市工況。國(guó)內(nèi)地形復(fù)雜，各個(gè)省市的城市、城郊等工況都有差別，暫時(shí)沒(méi)有統(tǒng)一的工況路譜。缺少實(shí)車路譜的情況下，無(wú)法將臺(tái)架工況運(yùn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換為整車實(shí)際行駛的里程。

目前我們借助法規(guī)中的油耗測(cè)試循環(huán)，它是由國(guó)家環(huán)保等部門(mén)參考國(guó)內(nèi)外的油耗測(cè)試循環(huán)結(jié)合我國(guó)的國(guó)情制定的一套測(cè)試循環(huán)工況，比較接近國(guó)內(nèi)的實(shí)車使用條件。所以我們暫時(shí)采用國(guó)內(nèi)油耗測(cè)試循環(huán)來(lái)代表整車實(shí)際工況。需要注意的是不同的車型油耗測(cè)試循環(huán)有所不同，如輕型車是 NEDC循環(huán)，重型車是C-WTVC循環(huán)。另外不同階段的法規(guī)對(duì)油耗測(cè)試循環(huán)的規(guī)定也有所不同，如國(guó)五階段輕型車測(cè)試循環(huán)是NEDC，國(guó)六階段就優(yōu)化為WLTC循環(huán)，需要具體對(duì)待分析。

3 換算分析

在了解發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)工況、時(shí)間和整車試驗(yàn)循環(huán)后，就需要找到臺(tái)架試驗(yàn)工況和整車試驗(yàn)循環(huán)的等效原則，把臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換為整車行駛的里程。不同的零部件在臺(tái)架試驗(yàn)工況和整車試驗(yàn)循環(huán)之間的等效原則不一定相同，比如活塞的疲勞失效與起動(dòng)機(jī)的工作失效不能用同一個(gè)等效原則，前者與發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等有關(guān)，后者與起動(dòng)的頻次有關(guān)。這里僅僅分析研究發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)動(dòng)件的壽命等效原則。

3.1 等效因素

發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)是將燃料燃燒的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，即熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中承受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的作用。所以可以利用熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷等量關(guān)系，建立臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間與整車行駛里程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中熱負(fù)荷與燃料的消耗有關(guān)，機(jī)械負(fù)荷與轉(zhuǎn)速和作用力矩有關(guān)。

負(fù)荷率：是指臺(tái)架測(cè)試工況與整車循環(huán)工況單位時(shí)間或者里程內(nèi)的負(fù)荷加載的比例，主要通過(guò)熱負(fù)荷強(qiáng)度和機(jī)械負(fù)荷強(qiáng)度來(lái)對(duì)比分析。

① 熱負(fù)荷強(qiáng)度

累計(jì)燃油消耗量可以代表各自的熱負(fù)荷來(lái)對(duì)比換算。

② 機(jī)械負(fù)荷強(qiáng)度

機(jī)械負(fù)荷是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)生扭矩的關(guān)系。所以，可以用發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)轉(zhuǎn)速*累計(jì)扭矩來(lái)表示。

考慮上述熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，評(píng)價(jià)不同情況下的負(fù)荷率：

負(fù)荷率=熱負(fù)荷*機(jī)械負(fù)荷=累計(jì)燃油消耗量*（累計(jì)轉(zhuǎn)速*累計(jì)扭矩)

3.2 負(fù)荷率的計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行工況的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷可以確定，通過(guò)油耗儀和測(cè)功機(jī)記錄循環(huán)工況中每個(gè)點(diǎn)的燃油消耗量、扭矩和轉(zhuǎn)速。但整車的循環(huán)工況可以通過(guò)在整車測(cè)試循環(huán)時(shí)記錄燃油消耗量、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速。

收集了以上數(shù)據(jù)后，就可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷等效的方法計(jì)算負(fù)荷率。熱負(fù)荷與燃料的消耗量有關(guān)，機(jī)械負(fù)荷與轉(zhuǎn)速和載荷有關(guān)，加權(quán)系數(shù)是臺(tái)架工況的結(jié)果與整車循環(huán)工況結(jié)果的比值。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)循環(huán)工況的轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗量積分計(jì)算平均值，再與整車循環(huán)工況中的轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗量的平均值進(jìn)行對(duì)比，分別計(jì)算熱負(fù)荷加權(quán)系數(shù)A、載荷加權(quán)系數(shù)B和轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)C。

載荷加權(quán)系數(shù)B =扭矩（臺(tái)架循環(huán)工況平均值）/ 扭矩（整車循環(huán)工況平均值）

轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)C = 轉(zhuǎn)速（臺(tái)架循環(huán)工況平均值）/轉(zhuǎn)速（整車循環(huán)工況平均值）

圖3 整車功率平衡圖

熱負(fù)荷加權(quán)系數(shù)應(yīng)為同等條件下臺(tái)架循環(huán)工況的油耗量與整車循環(huán)工況的油耗量比值，因?yàn)檎囇h(huán)的油耗單位為L(zhǎng)/100Km，里面有里程的單位，所有選擇同等條件為單位里程內(nèi)。臺(tái)架循環(huán)的油耗量單位為kg/h，轉(zhuǎn)換為kg/km的單位需要了解循環(huán)工況對(duì)應(yīng)整車的車速。根據(jù)整車匹配的功率平衡圖中的功率和檔位找到對(duì)應(yīng)的車速，檔位按照經(jīng)驗(yàn)選擇近似1:1的檔。

找到臺(tái)架工況對(duì)應(yīng)整車車速后，把臺(tái)架油耗量和整車循環(huán)油耗量轉(zhuǎn)化為相同單位，計(jì)算熱負(fù)荷加權(quán)系數(shù)。

熱負(fù)荷加權(quán)系數(shù)A= 油耗量（臺(tái)架循環(huán)工況平均值）/ 油耗量（整車循環(huán)工況平均值）

以上三個(gè)加權(quán)系數(shù)計(jì)算完成后，需要計(jì)算臺(tái)架循環(huán)工況和整車循環(huán)工況之間總的加權(quán)系數(shù)，稱為加速因子。熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷是同時(shí)作用的，所以是乘積關(guān)系；轉(zhuǎn)速和扭矩同屬于機(jī)械負(fù)荷，所有是和的關(guān)系，再根據(jù)循環(huán)自身加權(quán)系數(shù)為1。初步建立加速因子N公式如下：

N = A * (B+C-1)

加速因子計(jì)算完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)的行駛里程L與臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間T的關(guān)系：

L = T（臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間）*V(整車行駛平均車速)*N（加速因子）。

4 實(shí)例分析

某國(guó)五汽油發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 5500轉(zhuǎn)/分鐘，額定功率120Kw，最大扭矩251Nm，在臺(tái)架上按照國(guó)標(biāo)《GB T19055-2003汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》中規(guī)定的交變負(fù)荷試驗(yàn)工況運(yùn)行了800小時(shí)，主要5C運(yùn)動(dòng)件磨損正常，沒(méi)有發(fā)生失效，根據(jù)已經(jīng)建立臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間與整車行駛里程對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析此款發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的大修壽命。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中記錄的交變負(fù)荷的轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗量，通過(guò)積分計(jì)算平均值。如圖4所示。

平均轉(zhuǎn)速：4014轉(zhuǎn)/分鐘；

平均扭矩：201Nm；

平均循環(huán)油耗：26.3kg/h；

平均功率：4014*201/9550=84.5Kw；

根據(jù)功率平衡圖，對(duì)應(yīng)的車速為135Km/h。

圖4 某國(guó)五汽油機(jī)交變負(fù)荷工況表

整車循環(huán)采用油耗循環(huán)NEDC，通過(guò)轉(zhuǎn)轂測(cè)試NEDC循環(huán)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)積分計(jì)算平均值，如下：

平均轉(zhuǎn)速：1543轉(zhuǎn)/分鐘；

平均扭矩：25Nm；

平均油耗：9L/100Km；

平均車速：33.66Km/h；

汽油密度：0.74Kg/L；

循環(huán)時(shí)間：0.327h。

計(jì)算NEDC循環(huán)的單位油耗量：

9*0.74/100=0.0666Kg/Km。

計(jì)算臺(tái)架交變循環(huán)的單位油耗量：

26.3/135=0.194815 Kg/Km。

熱負(fù)荷加權(quán)系數(shù)A=0.194815/0.0666=2.93；

載荷加權(quán)系數(shù)B=201/25=8.04；

轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)C=4014/1543=2.60

加速因子N= A * (B+C-1)=2.93*（8.04+2.60-1）=28.25

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的行駛里程L與臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間T的關(guān)系：

L = T（臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間）*V(整車行駛平均車速)*N（加速因子）

= 800*33.66*28.25=760716Km。

通過(guò)換算，此款國(guó)五汽油機(jī)的臺(tái)架800小時(shí)交變負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)主要5C運(yùn)動(dòng)件的壽命考核相當(dāng)于整車NEDC循環(huán)工況運(yùn)行約76萬(wàn)公里。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要5C運(yùn)動(dòng)件的疲勞失效方面，根據(jù)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷等效的原則，建立起了臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間和整車行駛里程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并通過(guò)此對(duì)應(yīng)關(guān)系分析了某款國(guó)五汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架交變負(fù)荷試驗(yàn) 800小時(shí)對(duì)應(yīng)整車的壽命情況。此方法的等效原則雖然有一定的使用要求，僅能用于發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)動(dòng)件的疲勞失效方法，對(duì)于其他的發(fā)動(dòng)機(jī)分析有一定的參考意義。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] GB T19055-2003汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法.

[3] GB T19233-2008輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法.

[4] 黃海燕.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)學(xué)教程.北京:清華大學(xué)出版社.

A study on Relationship Between Engine Platform Running Time And Driving Distance

Fan Wanyuan1, Song Changqing1, Xiang Xiaoye2
（1.Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601; 2.Anhui Jianghuai Navistar Diesel Engine Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The reliability of engine is mainly based on bench test, But bench test records is running time, It unable to directly respond to the driving distance, So that is necessary to convert running time into driving distance. In the range of fatigue life of the main moving parts, the equivalent principle of thermal load and mechanical load is adopted to build the relationship between running time and driving distance, And the example is illustrated.

Running Time; Driving Distance; Thermal Load; Mechanical Load; Equivalence

U461.4

A

1671-7988 (2017)21-166-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.057

CLC NO.: U461.4

A

1671-7988 (2017)21-166-03

范皖元，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心。