寧欣,姚建國,王治瑞,鄭松林

（1.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.上海匯眾汽車有限公司,上海201805；3.上海理工大學,上海200093）

轎車擺臂設計載荷譜的確定

寧欣1,3,姚建國1,王治瑞2,鄭松林3

（1.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.上海匯眾汽車有限公司,上海201805；3.上海理工大學,上海200093）

通過實測轎車擺臂試車場道路載荷譜,對擺臂目標測點載荷進行采集.在原有載荷譜統(tǒng)計分析原理的基礎上,依據(jù)結(jié)構(gòu)的低載強化特性,確定出了擺臂結(jié)構(gòu)的八級載荷譜.為進一步計算不同效果載荷（強化、損傷、無效載荷）的概率、研究零件靜強度和疲勞強度的增長規(guī)律、總結(jié)可靠性設計中的載荷利用方法提供一定理論基礎.

擺臂；載荷譜；低載強化

傳統(tǒng)的可靠性設計通常把應力和強度看做一個固定不變的服從特定分布規(guī)律的隨機變量,采用的是載荷的平均值,沒有考慮數(shù)據(jù)的分散性.實際上,汽車、飛機等交通運輸類產(chǎn)品大多在隨機變化的載荷作用下工作,在載荷的作用下零件的強度不是固定不變的,而是隨著載荷應力的大小和作用次數(shù)不斷變化的.對汽車載荷特性的深入了解、掌握、積累和分析是進行整車開發(fā)、零部件可靠性試驗研究的必備條件.

本文以轎車擺臂為載體,采集試驗場典型道路載荷,運用載荷的統(tǒng)計與分析原理,根據(jù)載荷的低載強化特性,對實測載荷進行統(tǒng)計分析,確定最佳的載荷分布.

1 載荷譜的統(tǒng)計分析原理

由于轎車擺臂載荷具有隨機性、可統(tǒng)計性、可擴展性[1],把汽車行駛過程中的載荷實況記錄下來,經(jīng)專用數(shù)據(jù)處理軟硬件處理后,編制出能夠模擬汽車實際使用情況,得到具有代表性的載荷譜,是汽車零部件進行疲勞壽命分析和全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗的基礎[2].積累載荷特性的數(shù)據(jù),并建立這些特性的分析方法,是實現(xiàn)汽車先進開發(fā)的必備條件.載荷譜的基本獲取過程如圖1所示.

圖1 載荷譜的制取流程Fig.1 Preparation processes of load spectrum

1.1 雨流計數(shù)法

隨機載荷的統(tǒng)計分析方法主要有兩類：計數(shù)法和功率譜法.計數(shù)法是從載荷—時間歷程確定出不同載荷參量值及其出現(xiàn)次數(shù)的方法,它是將載荷—時間歷程處理為一系列全循環(huán)或半循環(huán)的過程.目前的計數(shù)法可分為單參數(shù)計數(shù)法和雙參數(shù)計數(shù)法.單參數(shù)計數(shù)法只記錄載荷譜中的一個參量,如峰值或范圍,不能給出循環(huán)的全部信息,有較大的缺陷；雙參數(shù)計數(shù)法可以記錄載荷循環(huán)的全部信息,是比較好的計數(shù)法,如雨流計數(shù)法、跑道計數(shù)法等.雨流法基于材料的應力—應變循環(huán)特性和記憶特性,具有一定的力學依據(jù)和較高的精確性.因此,本文中采用雨流計數(shù)法.如圖2所示.

圖2 雨流計數(shù)Fig.2 Schematic diagram of rain flow counting

雨流計數(shù)法取一垂直向下的坐標表示時間,橫坐標表示載荷,其計數(shù)規(guī)則如下：

（1）雨流依次從每個峰值的內(nèi)側(cè)開始,順著斜坡往下流,在下一個峰值落下,直到對面有一個比開始點更大的峰值時為止（谷值以絕對值計）；（2）當雨流遇到來自上層斜面落下的雨流時就截止；（3）按上述規(guī)定取出所有的全循環(huán),并記下各自的變程.直到剩下的載荷時間歷程成為發(fā)散收斂型為止；

（4）將剩下的發(fā)散收斂型載荷時間歷程,改成等效的收斂發(fā)散型,再進行第二階段計數(shù).總數(shù)應等于兩個階段計數(shù)之和.

1.2 S-N曲線

國內(nèi)外專家學者一直注重對載荷特性進行研究,通常用S-N曲線來描述,如圖3所示.S-N曲線表示應力振幅或最大應力與疲勞壽命之間關(guān)系,它主要反映了試驗載荷下的過載壽命特征[3].當N＜5×104次為低壽命,N＜106次為中壽命,N＜107次為高壽命.

圖3 對數(shù)坐標下的S-N曲線Fig.3 S-N curves of logarithm coordinates

在工程上,有限壽命設計常常使用結(jié)構(gòu)件的中壽命段.然而部分小載荷的強化特性卻很少有人知曉,特別是疲勞極限以下一定范圍的載荷能夠顯著提高零件的強度[4-8],被稱為低載強化,結(jié)構(gòu)在適當?shù)牡头d荷下經(jīng)受適當次數(shù)的鍛煉后,結(jié)構(gòu)的強度得到提高,在同樣載荷下,疲勞壽命延長,S-N曲線的水平段提高.但S-N曲線的斜率基本不變,如圖4所示為低載強化的力學模型.

圖4 低載強化的力學模型Fig.4 Mechanical model of low load strengthening

[4-15]中對低載強化規(guī)律的研究,不同強度的鋼材料和汽車結(jié)構(gòu)件都具有低載強化特性,有強化效果的載荷確實存在一個區(qū)間,如圖5所示,橫坐標表示使用載荷的區(qū)間,縱坐標表示結(jié)構(gòu)在不同使用載荷作用一定循環(huán)次數(shù)下強度的變化.

圖5 低幅載荷強化效果曲線Fig.5 Mechanical model of low load strengthening

很明顯,結(jié)構(gòu)強度隨使用載荷增加先提高后降低,中間一段載荷區(qū)間對結(jié)構(gòu)強度有強化效果,不同載荷強化效果也不同,曲線最高點對應載荷為最佳強化載荷,有強化效果的應力約在0.65～0.95 σ-1范圍內(nèi).對汽車前橋,汽車變速器齒輪等,進一步驗證了低載強化特性的存在,如圖6所示.

圖6 低幅載荷等級對疲勞強度強化的影響Fig.6 Effect of low amplitude loading level on the fatigue strength of reinforcement

2 道路載荷的試驗

2.1 試車道路簡介

試驗在某試車場強化耐久試驗道路上進行,每8圈為一個循環(huán),每圈2.6 km,共16.8 km.選擇15種路面：混凝土駝峰路、拱形不平整路、比利時路、搓板路、斜向坑洼路、鐵路道口、橫置枕木、轉(zhuǎn)向器測試彎道、薄餅路、坡道、坑洼路、駝背彎道,并將其特征按一定比例放大,使試車場道路相對于普通路面起到加速作用,具體見表1所示.

表1 車場道路組成和車速Tab.1 Station road and vehicle speed

2.2 應變片的布置

擺臂由鋼板焊接而成,零件的厚度方向的尺寸遠遠的小于另外兩個方向的尺寸,因此可以近似的看成薄管和薄板.根據(jù)零件在模擬工況下的受力狀況,利用有限元方法考慮4種典型工況下即啟動、制動、轉(zhuǎn)向、垂向沖擊下的應力分布情況,確定危險點和危險截面.除此之外,總結(jié)以往道路載荷測量試驗的經(jīng)驗數(shù)據(jù),并通過由用戶反饋的實際使用情況對測點位置的選擇不斷進行修正,如圖7所示為貼片后的擺臂.

圖7 貼片后的擺臂Fig.7 Swing arm patch

2.3 原始載荷的采集

道路試驗采集到的是模擬信號,為了便于計算機處理,首先要通過信號處理軟件將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,采樣頻率500 Hz,并保存成ASCII數(shù)據(jù)格式.疲勞分析軟件能夠讀取ASCII數(shù)據(jù)格式文件,從而對其進行編輯整理得到各測點的載荷—時間序列,通過分析處理,得到信號的統(tǒng)計特征及時域、頻域和幅值域特征.

為了能獲得可用的臺架目標信號譜,需要將試車場測量得到的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理,并對比選擇出最好的信號,制成目標信號譜.通過計算機數(shù)據(jù)處理軟件LMS TecWare來完成的.共分5個步驟：①信號修正；②信號剪切；③損傷比較；④信號連接；⑤重新采樣.

表2列出了各個測點的統(tǒng)計特征參數(shù)比較結(jié)果,包括最大值、最小值、最大變程、均方根值RMS、均值、標準偏差等.表2中各參數(shù)值單位均為με.

表2 擺臂各通道載荷的統(tǒng)計Tab.2 Swing arms each channel load

3 載荷譜的確定

根據(jù)相關(guān)低載強化規(guī)律的研究[4-15],刪除載荷譜中較高級別的小載荷,會使零件壽命降低,而適當高的低幅小載荷（如0.65～0.95σe）連續(xù)作用的確能使零件靜強度和疲勞強度得到不同程度的提高.因此,不僅要依據(jù)載荷是否造成損傷來判斷載荷的有效性,還應考慮載荷是否造成強化.同時,載荷的交互效應、載荷譜長度、高低載荷的次序和比例等對載荷譜的損傷效果也有一定的影響,處理時都應予以考慮.載荷譜分區(qū)見圖8,綜合考慮低載強化理論,刪除無效載荷,最終八級載荷譜見表3.

圖8 載荷譜的分區(qū)Fig.8 Load spectrum partition

表3 八級載荷譜Tab.3 Eight level load spectrum

4 結(jié)論

本文以轎車擺臂為載體,對不同工況下的實測載荷進行了采集,對載荷譜進行了分析,結(jié)合結(jié)構(gòu)的低載強化特性確定了擺臂的強化載荷,刪除了對疲勞損傷無貢獻的小載荷級,確定出擺臂結(jié)構(gòu)的八級載荷譜.為進一步計算不同效果載荷（強化、損傷、無效載荷）的概率、研究零件靜強度和疲勞強度的增長規(guī)律、總結(jié)可靠性設計中的載荷利用方法提供一定理論基礎.

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（責任編輯：盧奇）

Research on car's swing arm design spectrum

Ning Xin1,3,Yao Jianguo1,Wang Zhirui2,Zheng Songlin3
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Shanghai Volkswagen Automotive Company L td.,Shanghai 201805,China；3.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

Collection and statistical analysis for road load spectrum of swing arm of a car under proving ground are performed.On the basis of original load spectrum statistical analysis principle,according to the characteristics of lowloading strengthening for the structure of swing arm,identify the tenth level load spectrum of swing arm structure.To calculate the probability of the effect of different load（reinforcement,injury,invalid load）,study the growth regularity of static strength and fatigue strength,conclusion load using the method of reliability design to provide a theoretical basis.

swing arm；load spectrum；strengthening under low amplitude load

U461.7

A

1008-7516（2013）06-0065-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.06.016

2013-10-20

寧欣（1976-）,女,河南長垣人,博士研究生,副教授.主要從事機械設計與工藝控制教學與科研.