CN103678256A - 车用发动机载荷谱编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用发动机载荷谱编制方法，主要由以下步骤组成：（1）基准参数选取、（2）峰谷值检测、（3）小载荷去除、（4）多参数峰谷值计数、（5）发动机载荷序列谱、（6）载荷过渡时间矩阵、（7）载荷保持时间矩阵、（8）发动机载荷时间谱。本发明可以解决车用发动机载荷谱编制，将载荷谱作为发动机设计、试验、定型、定寿和延寿的规范的技术问题。

Description

车用发动机载荷谱编制方法

技术领域

本发明涉及一种车用发动机台架耐久性试验的技术。特别是涉及应用多参数载荷处理技术对车用发动机载荷谱编制的方法，属于动力机械工程可靠性技术领域。

技术背景

发动机载荷谱是发动机在规定任务、用法和使用条件下载荷参数的统计，是发动机及其零部件结构强度分析、可靠性与寿命研究的根本依据。

发动机载荷谱通常由其总体性能参数(如发动机转速、油门齿杆位置、平均有效压力、发动机扭矩或功率等)所构成，综合反映发动机在使用中的热负荷和机械负荷。发动机整机载荷谱因其统计的对象是发动机的主要工作参数，它能反映发动机总体受载的相对状况，通常整机载荷谱可以用于编制试车大纲。

发动机载荷谱是发动机结构寿命研究的载荷依据。通过载荷谱的研究，可以得到整机和零部件使用的重要载荷信息。该项研究对在研发动机和现役发动机的定寿以及延寿具有重要意义。

(1)发动机载荷谱是新研机耐久性和可靠性设计的基础

早期发动机的设计重点一直是着眼于发动机的性能，而对结构强度只作一般的经验验算和静强度试验，在设计中基本不涉及发动机的寿命问题。随着高功率密度发动机的发展，发动机的工作条件越来越严酷，结构复杂性越来越高，同时对发动机的使用寿命也有了更高的要求，由此导致发动机在使用中不断暴露出严重的结构强度、耐久性问题。

(2)发动机载荷谱是发动机使用寿命确定的重要依据

现役发动机使用寿命，主要受其关重件寿命限制。发动机关重件寿命的主要失效形式如疲劳损伤、磨损失效均取决于发动机的任务剖面和使用环境，也就是发动机载荷谱。

不同任务剖面对发动机主要零部件的损伤差异是巨大的。载荷谱的苛刻性将直接决定发动机的实际使用寿命。如不进行载荷谱相关的研究工作，发动机寿命只能以最保守的方式给出，由此可见载荷谱研究在发动机定寿中是不可缺少的。

自上世纪八十年代以来，航空领域对载荷谱研究非常重视，航空发动机载荷谱的发展比较迅速，并且已经取得了一定的研究成果，对发动机结构寿命及可靠性研究起到了积极的推动作用。但是目前为止，我国车用发动机载荷谱还没有较为深入的研究，使得发动机的设计方法一直采用参考类比的沿袭经验设计，而并不是基于载荷谱的可靠性设计。而可靠性设计的核心思想就是将载荷谱作为发动机设计、试验、定型、定寿和延寿的规范。

发明内容

本发明的目的是提供一种车用发动机载荷谱编制方法，以解决编制车用发动机载荷谱，将载荷谱作为发动机设计、试验、定型、定寿和延寿的规范的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的车用发动机载荷谱编制方法的步骤如下：

（1）基准载荷分析：

车用发动机载荷谱通常由两个参数组成，对其进行载荷编谱要选定基准载荷作为主计数参数，另一个变量为非基准载荷作为辅助计数参数；与发动机载荷相关系数强的确定为基准载荷，相关系数弱的确定为非基准载荷；

两个随机序列x(n)与y(n)的相关系数矩阵估计为：

$\widehat{\mathrm{\ρ}}=\left[\begin{array}{cc}{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_x& {\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{xy}}\\ {\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{yx}}& {\widehat{\mathrm{\ρ}}}_y\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中分别为序列x(n)与y(n)的自相关系数，其值为1;

为序列x(n)与y(n)的互相关系数，定义为：

${\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{xy}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y^{*}\left(n\right)/{\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y\left(n\right)\right|}^2\right]}^{1/2}---\left(2\right)$

${\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{yx}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(n\right)x^{*}\left(n\right)/{\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y\left(n\right)\right|}^2\right]}^{1/2}---\left(3\right)$ （2）峰谷值检测

峰谷值检测就是判断记录的载荷时间历程数据点是否为峰值或谷值点，若是就保留，否则去除；数据的峰谷值点检测采用三点法进行判断，读取三个相邻的数据点PV(i-1)、PV(i)、PV(i+1)，若这三点满足如下条件：

[PV(i)-PV(i-1)][PV(i+1)-PV(i)]≤0且PV(i)-PV(i-1)≠0（4）则PV(i)是峰值或谷值点。

对于多轴计数而言，因为存在多个计数参数，在峰谷值检测后得到简化的载荷时间历程数据点不一定是绝对峰谷值点。所谓绝对峰谷值点就是载荷时间点不是峰值点就是谷值点，不存在中间点。运用多参数计数法进行计数，计数参数必须是绝对峰谷值点，所以在对所有计数参数完成峰谷值检测后还要对主计数参数进行二次峰谷值检测，使其数据点为绝对峰谷值点。

（3）小载荷去除

小载荷去除或称无效载荷去除，按一定标准规定一个小载荷幅值的门槛值，小于该门槛值的幅值则为小幅载荷，可去除；计数参数都要进行小载荷去除，当计数参数在两个以上时在去除前还要进行一下判断，当某时刻所有计数参数都是小幅载荷，或某一计数参数为小幅载荷其他参数不是峰谷值时才可去除。

（4）多参数峰谷值计数

峰谷值计数法是将各个峰值和他们后继的谷值同时进行计数，作为一种考虑载荷顺序影响的计数方法，计数的结果用矩阵形式来表示，上对角阵为载荷谷-峰序列，下对角阵为载荷峰-谷序列，多参数峰谷值计数是用峰谷值计数的方法先对主计数参数P计数，然后用主计数参数的循环来确定对应循环内辅助计数参数S的值；

（5）发动机载荷序列谱

将发动机载荷循环矩阵按照峰谷值计数逆推生成载荷序列谱，首先进行初始化处理，选取基准载荷起始级i、非基准载荷起始级m以及载荷级变程D的初值均为1；根据起始载荷级，随机生成到达载荷级编号j，满足D*(i-j)<0以保证当前生成的载荷与前一次的载荷变程方向相反，这样可以使载荷序列谱按照谷-峰-谷的顺序依次排列；当基准载荷参数扭矩的峰-谷或谷-峰载荷步生成后，按照相同的方法根据非基准载荷矩阵生成转速载荷步，这样就生成了一个发动机双参数载荷序列步；

当一个载荷序列步生成后，与之对应的载荷循环矩阵元素值减1；对载荷循环矩阵中的元素M(i,j)进行判断，若M(i,j)>0则将当前载荷达到级j作为下一个载荷步的载荷起始i级继续进行载荷步编制；若M(i,j)=0说明当前载荷级i-j所有循环次数已编制完毕，需对达到载荷步集合Ai中的j元素删除，避免再次出现载荷级i-j的序列；

当基准载荷矩阵M(i,j)的所有元素均为0时，说明所有载荷循环均已编入载荷序列当中，发动机多参数载荷序列谱程序结束；

（6）载荷过渡时间矩阵

载荷分配时间矩阵T_distribution，主要给出发动机两个参数在实际使用中的联合分布；载荷分配时间矩阵由载荷参数历程统计得到；以一个二维数组表示，数组内的元素为各参数对应组合区间的累积工作时间；载荷过渡时间矩阵T_rransition是发动机基准参数变化时所需的过渡时间。

（7）载荷保持时间矩阵

由于车用发动机的使用为一个二维的面工况，因此编制的车用发动机载荷谱各二维载荷条件下的时间分配必须与原载荷历程时间分配一致；

因此应用式11计算载荷保持时间：

$T_{\mathrm{holding}}=\frac{T_{\mathrm{distribution}}-T_{\mathrm{transition}}}{N}---\left(11\right)$ 式中：

T_holding为载荷保持时间矩阵

T_distribution为载荷分配时间矩阵

Tt_ransition为载荷过渡时间矩阵

N为峰谷值频次矩阵

（8）整机载荷时间谱编制

各种参数矩阵组成的整机载荷谱，主要用于编制发动机模拟任务试车谱和编制零部件载荷谱；它是将发动机使用载荷信息进行压缩处理，通过剖面典型化，由载荷参数矩阵装配编制出来的；应用载荷时间矩阵装配法将时间变量装配到发动机序列谱中，生成一个可用于试验的二维载荷谱；装配法是将发动机载荷序列谱按照载荷循环起始到达级不同，确定过渡时间；根据载荷峰谷值确定载荷保持时间，形成以时间为变量的载荷序列即发动机载荷时间谱。

如上所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述发动机两个或两个以上参数，主要包括：转速/扭矩或转速/平均有效压力相关时间矩阵。

如上所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述小载荷去除按一定标准规定一个小载荷幅值的门槛值，小于该门槛值的幅值则为小幅载荷，可去除。其表达式如下：

D_min=(PV_max-PV_min)△%    （5）

其中：D_min——小载荷幅值门槛值

PV_max——载荷历程的最大值

PV_min——载荷历程的最小值

△%——小载荷门槛值系数

如上所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述多参数峰谷值计数对于多任务剖面的车用发动机，在求出各类型任务剖面下的载荷循环矩阵后，根据各任务剖面加权系数求得全任务剖面下的载荷循环矩阵；

假定车辆在m种任务剖面下行驶，各任务剖面下行驶的里程占总寿命里程的百分比为P₁，P₂,…,P_m,各典型任务剖面下的试验里程分别为S₁,S₂,…,S_m；各试验任务剖面下发动机载荷循环数分别为n₁,n₂,…,n_m则第i任务剖面载荷循环发生的频率为

$V_i=\frac{n_i}{S_i},i=\mathrm{1,2},...,m---\left(6\right)$

若车辆的总任务剖面里程为S，则第i任务剖面下行驶里程为P_iS，该任务剖面出现的载荷循环次数为:

N_i=P_iSV_i=P_iSn_i/S_i    （7）

则所有任务剖面下发动机载荷循环总次数为:

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i---\left(8\right)$

故该任务剖面的权系数为:

${\mathrm{\&beta;}}_i=\frac{N_i}{N}=\frac{P_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}---\left(9\right)$

则全任务剖面下的发动机载荷矩阵为:

$M(x,y)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{P_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{M}_i(x_i,y_i)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{M}_i(x,y)---\left(10\right).$

所述车用发动机载荷参数由扭矩/转速两个参数组成，扭矩反映了发动机载荷的大小，转速反映了发动机载荷的频率。

所述车用发动机载荷两个参数还包括：功率/扭矩、平均有效压力/转速。

本发明的优点和积极效果如下：

应用本发明对发动机载荷时间历程进行统计分析和处理，选取发动机基准载荷参数，运用多参数峰谷值计数法对发动机载荷进行循环计数。计算发动机载荷分配时间矩阵、载荷过渡时间矩阵、载荷持续时间矩阵，编制的车用发动机载荷序列谱以及发动机载荷时间谱，既能反映车用发动机稳定工况又能反映其工况的变化，不仅为车用发动机的设计、试验、定型考核提供了科学依据，还为发动机科学定寿和延寿奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是峰谷值计数载荷时间历程图。

图2是峰谷值计数矩阵示意图。

图3是多参数峰谷值计数的曲线示意图。

图4是峰谷值计数流程图。

图5是发动机载荷序列谱编制程序流程。

图6是连杆应力幅值与发动机转速相关图。

图7是连杆应力幅值与发动机扭矩相关图。

图8是发动机扭矩时间历程峰谷值检测。

图9是发动机的面工况离散为一个5×5的矩阵示意图。

图10是发动机载荷序列谱图。

图11是发动机载荷时间谱图。

具体实施方式

本发明的基本原理：

车用发动机工作时，其主要零部件是在不稳定变应力条件下工作的，其交变载荷主要来源于以下两个方面。

（1）来自稳定工况。因为即使工况不变，发动机及其零部件在周期性变化的气缸压力下仍有交变载荷的产生。

（2）来自变工况。即发动机运行工况的改变，诸如车辆的爬坡、下坡、加速、减速等。

因此，应当从发动机的载荷历程中挖掘信息，经过适当地统计分析，得出其具体的特征数据，编制既能反映车用发动机稳定工况又能反映其工况变化的载荷谱，这种载荷谱不仅是估计零部件疲劳寿命的原始资料，而且也是台架考核试验的根本依据。

车用发动机载荷谱编制技术基本原理和方法如下：

（1）基准载荷分析：

由于发动机载荷谱由两个参数组成，对其进行载荷编谱必须要选定基准载荷作为主计数参数，另一个变量为非基准载荷作为辅助计数参数。这里采用相关基本理论进行分析，与发动机载荷相关系数强的确定为基准载荷，相关系数弱的确定为非基准载荷。

两个随机序列x(n)与y(n)的相关系数矩阵估计为：

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}=\left[\begin{array}{cc}{\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_x& {\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{xy}}\\ {\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{yx}}& {\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_y\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中

分别为序列x(n)与y(n)的自相关系数，其值为1;为序列x(n)与y(n)的互相关系数，定义为：

${\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{xy}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)y^{*}\left(n\right)/{\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y\left(n\right)\right|}^2\right]}^{1/2}---\left(2\right)$

${\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{yx}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}y\left(n\right)x^{*}\left(n\right)/{\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y\left(n\right)\right|}^2\right]}^{1/2}---\left(3\right)$ （2）峰谷值检测

峰谷值检测就是判断记录的载荷时间历程数据点是否为峰值或谷值点，若是就保留，否则去除，因为只有峰谷值点才对循环计数判断有用。为了便于计数，并提高计数效率，所以必须进行峰谷值检测。数据的峰谷值点检测可采用三点法进行判断，读取三个相邻的数据点PV(i-1)、PV(i)、PV(i+1)，若这三点满足如下条件：

[PV(i)-PV(i-1)][PV(i+1)-PV(i)]≤0且PV(i)-PV(i-1)≠0  （4）则PV(i)是峰值或谷值点。

对于多轴计数而言，因为存在多个计数参数，在峰谷值检测后得到简化的载荷时间历程数据点不一定是绝对峰谷值点。所谓绝对峰谷值点就是载荷时间点不是峰值点就是谷值点，不存在中间点。运用多参数计数法进行计数，计数参数必须是绝对峰谷值点，所以在对所有计数参数完成峰谷值检测后还要对主计数参数进行二次峰谷值检测，使其数据点为绝对峰谷值点。

（3）小载荷去除

小载荷去除或称无效载荷去除，在实际工作中，构件除了经受一些主要载荷循环外，还经常受到一些随机的小循环作用。这些小循环幅值较小，对构件疲劳寿命损伤可以忽略不计。在工程上，为减少数据处理量，提高数据处理效率，往往去除这些构成小循环的峰谷值，使有效峰谷点大大减少。

去除小载荷一般可按一定标准规定一个小载荷幅值的门槛值，小于该门槛值的幅值则为小幅载荷，可去除。其表达式如下：

D_min=(PV_max-PV_min)△%    （5）

其中：D_min——小载荷幅值门槛值

PV_max——载荷历程的最大值

PV_min——载荷历程的最小值

△%——小载荷门槛值系数

计数参数都要进行小载荷去除，当计数参数在两个以上时在去除前还要进行一下判断，当某时刻所有计数参数都是小幅载荷，或某一计数参数为小幅载荷其他参数不是峰谷值时才可去除。即若某时刻某一计数参数为小幅载荷，但其他计数参数为峰谷值，则该时刻的计数参数不可当作小幅载荷去除，这是为了防止有效的峰谷值被忽略。

（4）多参数峰谷值计数

峰谷值计数法是将图1中载荷历程中各个峰值和他们后继的谷值同时进行计数，计数的结果可以用图2所示的矩阵形式来表示。上对角阵为载荷谷-峰序列，下对角阵为载荷峰-谷序列。

多参数峰谷值计数就是在单参数峰谷值计数的基础上发展的计数方法。其根本思想是用峰谷值计数的方法先对主计数参数计数，然后用主计数参数的循环来确定对应循环内辅助计数参数的值。多参数峰谷值计数的曲线及峰谷值计数流程图参见图3、4。

载荷参数矩阵是由载荷参数大小和出现的数量组成的矩阵。每种载荷参数矩阵对应一定的构件损伤。整机载荷谱的载荷参数矩阵，是由全任务剖面载荷参数矩阵经混频得到的。所谓剖面载荷参数矩阵是指由某一任务剖面处理得到的载荷参数矩阵。由车辆在某一特定环境、任务条件下的载荷参数矩阵称作任务剖面载荷参数矩阵。各种环境任务剖面下载荷参数矩阵的集合称为全任务剖面载荷参数矩阵。全任务载荷参数矩阵是由任务剖面载荷参数矩阵经过任务混频后得到的。

对于多任务剖面的车用发动机，在求出各类型任务剖面下的载荷循环矩阵后，可根据各任务剖面加权系数求得全任务剖面下的载荷循环矩阵。

假定车辆在m种任务剖面下行驶，各任务剖面下行驶的里程占总寿命里程的百分比为P₁,P₂,…,P_m,各典型任务剖面下的试验里程分别为S₁,S₂,…,S_m；各试验任务剖面下发动机载荷循环数分别为n₁,n₂,…,n_m则第i任务剖面载荷循环发生的频率为

$V_i=\frac{n_i}{S_i},i=\mathrm{1,2},...,m---\left(6\right)$

若车辆的总任务剖面里程为S，则第i任务剖面下行驶里程为P_iS，该任务剖面出现的载荷循环次数为:

N_i=P_iSV_i=P_iSn_i/S_i    （7）

则所有任务剖面下发动机载荷循环总次数为:

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i---\left(8\right)$

故该任务剖面的权系数为:

${\mathrm{\&beta;}}_i=\frac{N_i}{N}=\frac{P_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}---\left(9\right)$

则全任务剖面下的发动机载荷矩阵为:

$M(x,y)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{P_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{M}_i(x_i,y_i)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{M}_i(x,y)---\left(10\right)$ （5）发动机载荷序列谱

将发动机载荷循环矩阵按照峰谷值计数逆推生成载荷序列谱，首先进行初始化处理，选取扭矩载荷起始级i、转速载荷起始级m以及载荷级变程D的初值均为1。根据起始载荷级，随机生成到达载荷级编号j，满足D*(i-j)<0以保证当前生成的载荷与前一次的载荷变程方向相反，这样可以使载荷序列谱按照谷-峰-谷的顺序依次排列。当基准载荷参数扭矩的峰-谷或谷-峰载荷步生成后，按照相同的方法根据转速载荷矩阵生成转速载荷步，这样就生成了一个发动机双参数载荷序列步。

当一个载荷序列步生成后，与之对应的载荷循环矩阵元素值减1。对载荷循环矩阵中的元素M(i,j)进行判断，若M(i,j)>0则将当前载荷达到级j作为下一个载荷步的载荷起始i级继续进行载荷步编制；若M(i,j)=0说明当前载荷级i-j所有循环次数已编制完毕，需对达到载荷步集合Ai中的j元素删除，避免再次出现载荷级i-j的序列。

当基准载荷矩阵M(i,j)的所有元素均为0时，说明所有载荷循环均已编入载荷序列当中，发动机多参数载荷序列谱程序结束。其程序流程如图5所示。

（6）载荷过渡时间矩阵

参数相关时间矩阵，主要给出发动机两个或两个以上参数在实际使用中的联合分布。常用的有转速/扭矩或转速/平均有效压力相关时间矩阵。载荷参数相关时间矩阵由载荷参数剖面统计得到。以一个二维数组表示，数组内的元素为各参数对应组合区间的累积工作时间。

由于负荷、路况、交通状况、环境（地理、气候）等条件使车用发动机从一种稳定工况变为另一种稳定工况。它用动态过程表示，如车辆加减速，车辆上下坡、转弯等导致发动机负荷与转速的变化。据原苏联统计资料，车用发动机在1km畅通公路行驶时平均操纵（换挡、操纵离合器、制动等）次数为1-2次，运输车辆在困难条件下为16次。由此可见，车用发动机工况变化频繁，载荷过渡时间在参数时间矩阵中占有很大部分，因此其工况过渡时间不能忽略，必须对发动机载荷参数时间历程进行统计分析，计算车用发动机基准参数变化过渡时间矩阵。

（7）载荷保持时间矩阵

由于车用发动机的使用为一个二维的面工况，因此编制的车用发动机载荷谱各二维载荷条件下的时间分配必须与原载荷历程时间分配一致，这样编制的载荷谱才能真正反映发动机的实际使用情况。

因此应用式11计算载荷保持时间：

$T_{\mathrm{holding}}=\frac{T_{\mathrm{distribution}}-T_{\mathrm{transition}}}{N}---\left(11\right)$ 式中：

T_holding为载荷保持时间矩阵

T_distribution为载荷分配时间矩阵

Tt_ransition为载荷过渡时间矩阵

N为峰谷值频次矩阵

（8）整机载荷时间谱编制

各种参数矩阵组成的整机载荷谱，在发动机寿命研究中主要用于编制发动机模拟任务试车谱和编制零部件载荷谱。

在以发动机使用寿命考核为目的的模拟任务试车中，试车大纲需根据发动机实际使用载荷而制定。模拟任务试车谱就是为编制模拟任务试车大纲而专门编制的载荷谱。它是将发动机使用载荷信息进行压缩处理，通过剖面典型化，由载荷参数矩阵装配编制出来的。这种对载荷剖面高度集成化的过程，可以按特殊的处理规则——载荷参数矩阵装配法进行。

发动机载荷序列谱只能反映发动机载荷参数的变化信息，是一个一维的序列谱，无法反映各载荷参数持续的时间，不能用于发动机耐久性考核试验。因此，还需要应用载荷时间矩阵装配法将时间变量装配到发动机序列谱中，生成一个可用于试验的二维载荷谱。装配法是将发动机载荷序列谱按照载荷循环起始到达级不同，确定过渡时间；根据载荷峰谷值确定载荷保持时间，形成以时间为变量的载荷序列即发动机载荷时间谱。

因此，车用发动机载荷谱编制方法主要由以下步骤组成：

（1）基准参数选取

（2）峰谷值检测

（3）小载荷去除

（4）多参数峰谷值计数

（5）发动机载荷序列谱

（6）载荷过渡时间矩阵

（7）载荷分配时间矩阵

（8）发动机载荷时间谱

本发明方法应用实例

以某型车辆发动机为例，应用发明人所发明的车用发动机载荷谱编制方法进行说明。

（1）基准参数选取

车用发动机载荷参数通常由两个参数组成，如功率/扭矩，扭矩/转速，平均有效压力/转速等。本方法的实施例选择发动机台架试验中常用的两个参数—扭矩/转速作为发动机载荷谱参数，扭矩反映了发动机载荷的大小，转速反映了发动机载荷的频率。首先从发动机扭矩和转速时间历程中选取基准载荷作为主计数参数。这里以关重件连杆为例，选取发动机转速和扭矩作为自变量，发动机关重件连杆应力载荷幅值作为因变量对其进行相关性分析。连杆载荷幅值与发动机转速和扭矩的相关图分别如图6和图7所示。图中，横坐标为自变量纵坐标为因变量，从图中所有散点的分布是否集中以及趋势可以大致了解变量之间有无相关以及相关程度。

由图6和图7可以看出，连杆载荷幅值与发动机转速无关，与发动机扭矩强正相关。相关图只能大致了解变量的相关性，还需要通过计算相关系数来反映变量关系的密切程度。

由式2分别计算应力幅值与转速的相关系数为0.0729，即发动机转速与连杆应力幅值没有直接关系；应力幅值与扭矩的相关系数为0.9791为强正相关，即发动机扭矩越大则连杆应力幅值越大。因此，选取发动机扭矩为基准载荷，转速为非基准载荷。

（2）峰谷值检测

图8中a）为发动机扭矩时间历程，b）为峰谷值检测，c）为小载荷去除后二次峰谷值检测。

（3）小载荷去除

为减少发动机无效载荷变化幅值的影响，将峰谷值检测后的发动机的扭矩和转速根据载荷分级的思想按照最大转速和最大扭矩的0-20%、20%-40%、40%-60%、60%-80%、80%-100%分别定义为1、2、3、4、5五个等级，这样发动机的面工况离散为一个5×5的矩阵，既可以去除无效载荷幅值又方便发动机载荷循环计数，如图9所示。

（4）峰谷值计数

以某型车用发动机实际载荷历程为例，经过峰谷值计数后，各任务剖面下的基准载荷参数——扭矩循环矩阵如表1中（A)-（E)所示，根据车辆任务混频按照公式10计算全任务剖面下的载荷循环矩阵，如表1中（F）所示。

表1发动机各任务剖面基准载荷循环矩阵

（5）发动机载荷序列谱

将总载荷循环矩阵按照图5所示流程进行多参数序列谱编制，发动机载荷序列谱如图10所示。

（6）载荷过渡时间矩阵

根据发动机载荷时间历程统计二维载荷时间矩阵，包括总时间分配矩阵、总载荷过渡时间矩阵和总载荷保持时间矩阵，如表2–表4所示。应用式11和序列谱中得到的峰谷值频次矩阵计算单位载荷保持时间矩阵，如表5-表6所示。

表2总时间矩阵

表3总过渡时间矩阵

（7）载荷保持时间矩阵

表4总保持时间矩阵

表5峰谷值频次矩阵

表6单位保持时间矩阵

（8）发动机载荷时间谱

将发动机载荷序列谱按照载荷循环起始到达级不同，装配过渡时间矩阵；根据载荷峰谷值装配载荷保持时间矩阵，形成以时间为变量的载荷序列即发动机载荷时间谱如图11所示。

Claims (6)

1.车用发动机载荷谱编制方法，其步骤如下：

（1）基准载荷分析：

车用发动机载荷谱通常由两个参数组成，对其进行载荷编谱要选定基准载荷作为主计数参数，另一个变量为非基准载荷作为辅助计数参数；与发动机载荷相关系数强的确定为基准载荷，相关系数弱的确定为非基准载荷；

两个随机序列x(n)与y(n)的相关系数矩阵估计为：

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}=\left[\begin{array}{cc}{\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_x& {\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{xy}}\\ {\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{yx}}& {\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_y\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中

分别为序列x(n)与y(n)的自相关系数，其值为1;

为序列x(n)与y(n)的互相关系数，定义为：

${\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{xy}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)y^{*}\left(n\right)/{\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y\left(n\right)\right|}^2\right]}^{1/2}---\left(2\right)$

${\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_{\mathrm{yx}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}y\left(n\right)x^{*}\left(n\right)/{\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y\left(n\right)\right|}^2\right]}^{1/2}---\left(3\right)$

（2）峰谷值检测

峰谷值检测就是判断记录的载荷时间历程数据点是否为峰值或谷值点，若是就保留，否则去除；数据的峰谷值点检测采用三点法进行判断，读取三个相邻的数据点PV(i-1)、PV(i)、PV(i+1)，若这三点满足如下条件：

[PV(i)-PV(i-1)][PV(i+1)-PV(i)]≤0且PV(i)-PV(i-1)≠0  （4）则PV(i)是峰值或谷值点；

对于多轴计数而言，因为存在多个计数参数，在峰谷值检测后得到简化的载荷时间历程数据点不一定是绝对峰谷值点；所谓绝对峰谷值点就是载荷时间点不是峰值点就是谷值点，不存在中间点；运用多参数计数法进行计数，计数参数必须是绝对峰谷值点，所以在对所有计数参数完成峰谷值检测后还要对主计数参数进行二次峰谷值检测，使其数据点为绝对峰谷值点；

（3）小载荷去除

小载荷去除或称无效载荷去除，按一定标准规定一个小载荷幅值的门槛值，小于该门槛值的幅值则为小幅载荷，可去除；计数参数都要进行小载荷去除，当计数参数在两个以上时在去除前还要进行一下判断，当某时刻所有计数参数都是小幅载荷，或某一计数参数为小幅载荷其他参数不是峰谷值时才可去除；

（4）多参数峰谷值计数

采用峰谷值计数法，将各个峰值和他们后继的谷值同时进行计数，作为一种考虑载荷顺序影响的计数方法，计数的结果用矩阵形式来表示，上对角阵为载荷谷-峰序列，下对角阵为载荷峰-谷序列；多参数峰谷值计数是用峰谷值计数的方法先对主计数参数P计数，然后用主计数参数的循环来确定对应循环内辅助计数参数S的值；

（5）发动机载荷序列谱

将发动机载荷循环矩阵按照峰谷值计数逆推生成载荷序列谱，首先进行初始化处理，选取基准载荷起始级i、非基准载荷起始级m以及载荷级变程D的初值均为1；根据起始载荷级，随机生成到达载荷级编号j，满足D*(i-j)<0以保证当前生成的载荷与前一次的载荷变程方向相反，这样可以使载荷序列谱按照谷-峰-谷的顺序依次排列；当基准载荷参数扭矩的峰-谷或谷-峰载荷步生成后，按照相同的方法根据非基准载荷矩阵生成转速载荷步，这样就生成了一个发动机双参数载荷序列步；

当一个载荷序列步生成后，与之对应的载荷循环矩阵元素值减1；对载荷循环矩阵中的元素M(i,j)进行判断，若M(i,j)>0则将当前载荷达到级j作为下一个载荷步的载荷起始级i继续进行载荷步编制；若M(i,j)=0说明当前载荷级i-j所有循环次数已编制完毕，需对达到载荷步集合Ai中的j元素删除，避免再次出现载荷级i-j的序列；

当基准载荷矩阵M(i,j)的所有元素均为0时，说明所有载荷循环均已编入载荷序列当中，发动机多参数载荷序列谱程序结束；

（6）载荷过渡时间矩阵

载荷分配时间矩阵T_disrtibuion，主要给出发动机两个参数在实际使用中的联合分布；载荷分配时间矩阵由载荷参数历程统计得到；以一个二维数组表示，数组内的元素为各参数对应组合区间的累积工作时间；载荷过渡时间矩阵T_transition是发动机基准参数变化时所需的过渡时间。

（7）载荷保持时间矩阵

由于车用发动机的使用为一个二维的面工况，因此编制的车用发动机载荷谱各二维载荷条件下的时间分配必须与原载荷历程时间分配一致；

因此应用式11计算载荷保持时间：

$T_{\mathrm{holding}}=\frac{T_{\mathrm{distribution}}-T_{\mathrm{transition}}}{N}---\left(11\right)$ 式中：

T_holding为载荷保持时间矩阵

T_distribution为载荷分配时间矩阵

T_transition为载荷过渡时间矩阵

N为峰谷值频次矩阵

（8）整机载荷时间谱编制

各种参数矩阵组成的整机载荷谱，主要用于编制发动机模拟任务试车谱和编制零部件载荷谱；它是将发动机使用载荷信息进行压缩处理，通过剖面典型化，由载荷参数矩阵装配编制出来的；应用载荷时间矩阵装配法将时间变量装配到发动机序列谱中，生成一个可用于试验的二维载荷谱；装配法是将发动机载荷序列谱按照载荷循环起始到达级不同，确定过渡时间；根据载荷峰谷值确定载荷保持时间，形成以时间为变量的载荷序列即发动机载荷时间谱。

2.如权利要求1所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述发动机两个或两个以上参数主要包括：转速/扭矩或转速/平均有效压力相关时间矩阵。

3.如权利要求1所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述小载荷去除按一定标准规定一个小载荷幅值的门槛值，小于该门槛值的幅值则为小幅载荷，可去除；其表达式如下：

D_min=(PV_max-PV_min)△%    （5）

其中：D_min——小载荷幅值门槛值

PV_max——载荷历程的最大值

PV_min——载荷历程的最小值

△%——小载荷门槛值系数。

4.如权利要求1所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述多参数峰谷值计数对于多任务剖面的车用发动机，在求出各类型任务剖面下的载荷循环矩阵后，根据各任务剖面加权系数求得全任务剖面下的载荷循环矩阵；

假定车辆在m种任务剖面下行驶，各任务剖面下行驶的里程占总寿命里程的百分比为P₁,P₂,…,P_m,各典型任务剖面下的试验里程分别为S₁,S₂,…,S_m；各试验任务剖面下发动机载荷循环数分别为n₁,n₂,…,n_m则第i任务剖面载荷循环发生的频率为

$V_i=\frac{n_i}{S_i},i=\mathrm{1,2},...,m---\left(6\right)$

若车辆的总任务剖面里程为S，则第i任务剖面下行驶里程为P_iS，该任务剖面出现的载荷循环次数为:

N_i=P_iSV_i=P_iSn_i/S_i    （7）

则所有任务剖面下发动机载荷循环总次数为:

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i---\left(8\right)$

故该任务剖面的权系数为:

${\mathrm{\&beta;}}_i=\frac{N_i}{N}=\frac{P_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}---\left(9\right)$

则全任务剖面下的发动机载荷矩阵为:

$M(x,y)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{P_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i{\mathrm{Sn}}_i/S_i}{M}_i(x_i,y_i)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{M}_i(x,y)---\left(10\right).$

5.如权利要求1所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述车用发动机载荷参数由扭矩/转速两个参数组成，扭矩反映了发动机载荷的大小，转速反映了发动机载荷的频率。

6.如权利要求1所述的车用发动机载荷谱编制方法，所述车用发动机载荷两个参数还包括：功率/扭矩、平均有效压力/转速。

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