管 超， 周 鋐， 徐 剛

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，各個(gè)汽車生產(chǎn)企業(yè)需要逐步建立并完善自身的設(shè)計(jì)和開發(fā)機(jī)制，可靠的試驗(yàn)手段則是其中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).汽車底盤零部件多由金屬材料制成，而汽車在行駛過程中所承受的外部載荷主要是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)隨機(jī)載荷，金屬材料在受到循環(huán)載荷作用后會(huì)引起疲勞，疲勞斷裂往往是汽車零構(gòu)件的主要失效形式.所以，汽車零部件的疲勞強(qiáng)度和壽命預(yù)測(cè)是汽車生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問題.耐久性試驗(yàn)過程作為在汽車研究開發(fā)階段最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，既是檢驗(yàn)已有設(shè)計(jì)合格與否的有效途徑，又為進(jìn)一步的修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供客觀依據(jù).

其中耐久試驗(yàn)又分為臺(tái)架耐久試驗(yàn)及實(shí)車道路耐久試驗(yàn)，臺(tái)架耐久試驗(yàn)因?yàn)槠渲芷诳?，費(fèi)用小，可控性高的優(yōu)點(diǎn)，往往在對(duì)樣件檢驗(yàn)中作為先要手段，而一個(gè)好的臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范直接決定著產(chǎn)品開發(fā)的成本與周期[4].

一個(gè)好的臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范，應(yīng)該能合適的反映實(shí)車在道路試驗(yàn)中的載荷工況;過于薄弱起不到驗(yàn)證的作用，而過于保守則會(huì)造成設(shè)計(jì)成本的增加以及試驗(yàn)周期的延長(zhǎng).

減震器是汽車關(guān)鍵零部件之一，減震器主要用來抑制彈簧吸震后反彈時(shí)的震蕩及來自路面的沖擊.在經(jīng)過不平路面時(shí)，雖然吸震彈簧可以過濾路面的震動(dòng)，但彈簧自身還會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而減震器就是用來抑制這種彈簧跳躍的.減震器的疲勞壽命對(duì)整車品質(zhì)影響至關(guān)重要.本文從疲勞損傷的角度對(duì)減震器加速試驗(yàn)的方法作出研究并改進(jìn)，使其可以更好的評(píng)估實(shí)車工況.

1 試驗(yàn)方案

由于某汽車零部件在滿足臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，仍然時(shí)有問題發(fā)生，其中發(fā)生頻率最高的是密封圈漏油現(xiàn)象.故采集試車場(chǎng)實(shí)車道路工作載荷數(shù)據(jù)和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)并比較分析，對(duì)該零部件的加速試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行改進(jìn).

1.1 測(cè)點(diǎn)方案及傳感器安裝

1)側(cè)向力:在前減震器外筒上測(cè)量彎曲應(yīng)變，通過標(biāo)定，得到在R/Guide處施加彎矩與應(yīng)變信號(hào)的關(guān)系，測(cè)量實(shí)車道路試驗(yàn)的應(yīng)變信號(hào)，轉(zhuǎn)換成等效的彎矩譜，并與臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比

2)螺旋彈簧(DSM Stroke):在Coil spring上測(cè)量剪切應(yīng)變，通過標(biāo)定，得到位移與應(yīng)變信號(hào)的關(guān)系，測(cè)量實(shí)車道路試驗(yàn)的應(yīng)變信號(hào)，轉(zhuǎn)換成等效的stroke譜，并與臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比

3)Drop link:在Drop link上測(cè)量軸向應(yīng)變，通過標(biāo)定，得到軸向力與應(yīng)變信號(hào)的關(guān)系，測(cè)量實(shí)車道路試驗(yàn)的應(yīng)變信號(hào)，轉(zhuǎn)換成等效的載荷譜，并與臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比

4)閥系:通過測(cè)量減震器的行程(前減震器通過彈簧剪切應(yīng)變轉(zhuǎn)換，后減震器直接測(cè)量)，再求一階微分，最終轉(zhuǎn)換成等效閥系速度譜，并于臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比

5)Tie Rod:在Tie Rod上測(cè)量軸向應(yīng)變，通過標(biāo)定，得到軸向力與應(yīng)變信號(hào)的關(guān)系，測(cè)量實(shí)車道路試驗(yàn)的應(yīng)變信號(hào)，轉(zhuǎn)換成等效的載荷譜，并與臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比

圖1 前減振器傳感器布置示意圖

圖2 前減振器布置示意圖

1.2 臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)

根據(jù)所要比較的臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范，為了較好地反映載荷的響應(yīng)，選擇幾個(gè)仿真計(jì)算結(jié)果得出的危險(xiǎn)點(diǎn)及平時(shí)用車過程當(dāng)中容易受到較大載荷的點(diǎn)和易疲勞斷裂的點(diǎn)進(jìn)行考核.為了獲得應(yīng)變信息與實(shí)際物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就必須進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定，得到載荷與應(yīng)變之間的確定性關(guān)系.

1.3 臺(tái)架試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)方案對(duì)減振器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，并采集減振器關(guān)鍵位置的應(yīng)變信號(hào).臺(tái)架試驗(yàn)主要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)規(guī)范，試驗(yàn)記錄5分鐘臺(tái)架單頻加載試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，單頻恒幅加載總的疲勞損傷基本一致，試驗(yàn)較簡(jiǎn)單，而且加速效果比較顯著，這種方法目前汽車零部件應(yīng)用比較多;但疲勞損傷的分布沒辦法考慮，而且頻率信息丟失，也不適合多軸[3].試車場(chǎng)試驗(yàn)將標(biāo)定后的汽車零部件安裝在試驗(yàn)車輛上，如圖(1)，(2)所示，并安裝附加傳感器以盡量多的獲得車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息.信號(hào)調(diào)試完善后將試驗(yàn)車托運(yùn)至北京通州試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)道路工作載荷采集.試驗(yàn)分為半載和滿載兩種工況，分別對(duì)三個(gè)駕駛員按照試兩種試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行道路譜采集以獲得多個(gè)樣本數(shù)據(jù).

圖3 某通道完整信號(hào)及其分割后的各有效路面信號(hào)

2 損傷計(jì)算

本次數(shù)據(jù)處理過程首先是對(duì)所采集的信號(hào)根據(jù)典型路面信號(hào)特征及音頻、視頻分離出規(guī)范里所有的路段，然后對(duì)各分段信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后經(jīng)過處理后得到去除了過度路面的有效路面的完整信號(hào).最終進(jìn)行損傷計(jì)算，比較道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)的當(dāng)量關(guān)系[1].

根據(jù)通縣規(guī)范采集得到的道路譜響應(yīng)信號(hào)器其頻域能量主要集中在80Hz以下的低頻段，而且主要有些特殊路段(如卵石路)、某些通道(如前減振器上端)的高頻信息比較多，對(duì)這些信號(hào)濾波處理，保留信號(hào)頻率80Hz以下的信息.

圖4為其中一個(gè)信號(hào)3個(gè)樣本的功率譜(PSD)，穿級(jí)計(jì)數(shù)及雨流統(tǒng)計(jì)圖等

把采集的信號(hào)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)后進(jìn)行外推，得到更長(zhǎng)歷程的外推雨流矩陣，多有些受力情況復(fù)雜的地方要進(jìn)行多軸疲勞分析.

當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每一個(gè)循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，每一個(gè)循環(huán)所造成的平均損傷為l/N.這種損傷是可以積累的，n次恒幅載荷所造成的損傷等于其循環(huán)比c=n/N.變幅載荷的損傷D等于其循環(huán)比之和，即，l為變幅載荷的應(yīng)力水平級(jí)數(shù)，ni為第i級(jí)載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級(jí)載荷下的疲勞壽命.當(dāng)損傷積累到了臨界值Df時(shí)，就發(fā)生疲勞破壞.Df為臨界損傷和，簡(jiǎn)稱損傷和，通常取為1.

圖4 信號(hào)的各統(tǒng)計(jì)圖

本文根據(jù)Miner法則計(jì)算損傷Δ是S－N曲線斜率的倒數(shù)，SE，NE是S－N曲線上參考點(diǎn)的應(yīng)力值和循環(huán)數(shù)，根據(jù)前面雨流統(tǒng)計(jì)出來的幅值與循環(huán)數(shù)計(jì)算每個(gè)遲滯環(huán)的損傷，然后進(jìn)行線性疊加，即可得出本文所計(jì)算出來的損傷[2].

圖5是數(shù)據(jù)處理過程中計(jì)算偽損傷所用的SN曲線，斜率K=5.

圖5 S－N曲線

對(duì)于臺(tái)架試驗(yàn)和試車場(chǎng)試驗(yàn)采集得來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出損傷進(jìn)行對(duì)比.通過對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)和試車場(chǎng)道路譜采集和分析，垂直方向載荷上，臺(tái)架試驗(yàn)造成的偽損傷為1.79E－01，明顯超出試車場(chǎng)道路載荷所造成的損傷3.9～5.1E－02，可以滿足其耐久性要求;而在側(cè)向載荷上，臺(tái)架試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的損傷6.93E－05比試車場(chǎng)2.9E－04小很多，且道路試驗(yàn)側(cè)向力峰值亦為臺(tái)架試驗(yàn)側(cè)向力峰值的5倍左右，其臺(tái)架耐久性試驗(yàn)很難去考核零部件的實(shí)際使用情況，故有待改進(jìn).

3 結(jié)論

通過對(duì)減振器臺(tái)架試驗(yàn)和試車場(chǎng)道路譜采集和分析，垂直方向載荷上，臺(tái)架試驗(yàn)造成的偽損傷為試車場(chǎng)道路載荷譜的4倍左右，可以看出現(xiàn)有減振器垂直方向臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范存在較大余量.而在側(cè)向載荷上，試驗(yàn)結(jié)果表明試車場(chǎng)道路載荷譜造成的偽損傷為臺(tái)架試驗(yàn)的4倍左右，且道路試驗(yàn)側(cè)向力峰值亦為臺(tái)架試驗(yàn)側(cè)向力峰值的5倍左右.可以看出現(xiàn)有減振器側(cè)向力試驗(yàn)臺(tái)架規(guī)范較弱，未能較好地考核減振器所受側(cè)向力.

[1]彭為.典型地區(qū)道路與EVP載荷譜當(dāng)量關(guān)系及轎車后橋壽命數(shù)字化預(yù)測(cè)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2004.

[2]Yung－Li Lee，F(xiàn)atigue Test And Analysis(Theory and Practice)[D].ELSEVIER，2005.

[3]朱濤基于損傷的定量疲勞編輯及加速試驗(yàn)[C].2007年汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì).

[4]趙少汴，抗疲勞設(shè)計(jì)－方法與數(shù)據(jù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.