鄭松林 王 爍 馮金芝 陳 鐵 于佳偉

1.上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海，2000932.機械工業(yè)汽車底盤機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海，200093

多軸載荷作用下減振器耐久性試驗載荷譜編制

鄭松林1,2王 爍1馮金芝1,2陳 鐵1于佳偉1

1.上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海，2000932.機械工業(yè)汽車底盤機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海，200093

傳統(tǒng)的減振器耐久性試驗只考慮減振器的垂向載荷，對于水平力的加載沒有統(tǒng)一的標準，導(dǎo)致試驗結(jié)果不準確，針對該問題，結(jié)合實測用戶道路載荷，提出了一種考慮多軸載荷作用的載荷譜編制方法。為了分析某型轎車出現(xiàn)減振器失效漏油的原因，采用低頻信號疊加高頻信號的方式構(gòu)建載荷譜，運用半功率帶寬法和最大線速度原理確定低頻及高頻信號，并進行了垂向力及水平力同時加載的減振器臺架耐久性試驗。試驗結(jié)果表明，在水平力作用下減振器壽命受到較大影響，且失效里程與調(diào)查結(jié)果基本吻合，由此說明所編制的耐久性試驗載荷譜能夠較為準確地復(fù)現(xiàn)減振器的實際工作情況，可為減振器的設(shè)計和改進提供技術(shù)支持。

減振器;多軸載荷;載荷譜編制;耐久性試驗

0 引言

汽車市場競爭日趨激烈，為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，耐久性試驗已成為各大汽車廠商開發(fā)流程中的必要步驟[1]。耐久性試驗主要分為社會道路試驗、試車場試驗和室內(nèi)臺架試驗三類[2-3]。其中，室內(nèi)臺架試驗無需考慮試車場地、測試車輛和駕駛?cè)藛T等因素，并且可以對所需載荷譜進行編輯處理，可大幅提高試驗效率，因此被廣泛采用[4]。

減振器作為汽車懸架系統(tǒng)的主要部件，其可靠性與耐久性會直接影響到車輛的舒適性和操縱穩(wěn)定性[5]。減振器的主要作用是迅速衰減車身和車輪間的相對振動，降低車輪動載，從而改善車輪行駛的平順性[6]。在減振器的實際工作中，減振器上安裝點的受力方向與減振器的軸線方向不重合，這種不重合導(dǎo)致了減振器水平力的產(chǎn)生[7]。水平力過大會導(dǎo)致減振器零件間的摩擦增大，造成減振器活塞桿球頭以及其他零件間的摩擦增大，導(dǎo)致減振器失效、車輛平順性降低[8]。目前，國內(nèi)外減振器耐久性試驗只考慮減振器的垂向載荷，對于水平力的加載則沒有統(tǒng)一的標準，這導(dǎo)致試驗結(jié)果不準確[9]。

本文針對某品牌某型轎車(出租車)在浙江某地特殊路況下大量出現(xiàn)減振器漏油失效的現(xiàn)象，調(diào)查了該型轎車的減振器的失效時間和失效里程，并分析了其失效原因。基于實測用戶道路載荷，編制了垂向加載譜和水平加載譜，并采用自行編制的加載譜進行了減振器的室內(nèi)耐久性試驗。

1 減振器壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

隨機選取60輛該型轎車并對司機進行問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，該型轎車平均每月行駛里程為1.2萬km，減振器的失效情況如表1所示。

表1 減振器失效情況

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，減振器的平均失效時間為8.02個月。該型轎車月平均行駛里程為1.1萬km，可以得出減振器的平均失效里程約為8.8萬km。其中97%是漏油導(dǎo)致的失效，且車輛前側(cè)減振器失效數(shù)量多于后側(cè)，失效情況如圖1所示。

圖1 減振器漏油失效Fig.1 Failure of damper

2 用戶道路載荷譜采集與處理

2.1用戶道路載荷譜采集

在用戶道路載荷譜采集過程中，應(yīng)重點采集具有代表性的道路工況。在本文的用戶道路載荷譜采集中，根據(jù)該地區(qū)出租車的實際使用情況，確定了用戶道路載荷譜采集路況為：高速路況、城市路況、山區(qū)路況、城郊路況，并且按照不同配重情況，在不計駕駛員的情況下，進行1～3人不同配重的用戶道路載荷譜采集。共采集了4個減振器垂向、側(cè)向、縱向3個方向的應(yīng)變及減振器伸縮桿位移共計16個通道載荷數(shù)據(jù)，采樣頻率為500 Hz。高于100 Hz的振動對汽車零部件耐久性的影響幾乎可以忽略不計，同時為防止其他信號干擾，采集時對信號進行了100 Hz低通濾波[10]。

2.2用戶道路載荷譜預(yù)處理

用戶道路試驗采集到的是模擬信號，為了便于計算機處理，首先需要通過信號處理軟件將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于系統(tǒng)誤差、人為操作誤差、采集環(huán)境變化、傳感器故障等原因，信號會出現(xiàn)毛刺、數(shù)據(jù)限幅、零漂、長度不足、混淆等問題，因此必須對其進行預(yù)處理。

3 試驗載荷譜編輯處理

3.1用戶道路載荷譜分析

本文中，按照城市道路、城郊道路、山區(qū)道路、高速道路4種路況將所采集到的載荷譜分成4類，并且利用載荷譜處理軟件，將相同路況合并成一段載荷-時間歷程。用戶道路載荷譜是實測得到的隨機信號，載荷譜的頻率范圍廣，圖2為左前減振器4種路況的PSD曲線(即功率譜密度曲線)，從圖中可以看出，減振器伸縮桿在不同路況下的PSD分布大致相同，載荷譜能量集中在0～10 Hz，能量峰值集中在1.47 Hz左右。

圖2 左前減振器4種路況PSD曲線Fig.2 PSD of left front damper on different road

3.2試驗加載譜編制

為了縮短試驗時間，本文采用Sine on Sine(即低頻正弦信號上疊加高頻正弦信號)的方式構(gòu)建載荷譜。為了更好地復(fù)現(xiàn)隨機載荷對減振器耐久壽命的影響，需要確定Sine on Sine加載譜塊的低頻加載頻率、高頻加載頻率以及各個頻率加載次數(shù)。試驗加載譜具體處理方法如下：

(1)刪除無效載荷。由于相同路況組合成一段載荷譜之后，載荷譜中存在大量的無效信號及停車工況，因此在進行載荷譜處理時，需要將這部分無效信號刪除，保留實際采集得到的載荷譜。

(3)刪除小載荷。在減振器伸縮桿位移載荷譜中存在大量的小幅值載荷，這部分小幅值載荷對減振器的壽命影響很小，因此在進行疲勞耐久試驗時刪除一部分小幅值載荷，從而提高試驗效率，縮短減振器試驗的時間。本文中，以最大載荷幅值的10%作為小載荷刪除條件[12]。

圖3 低頻加載頻率選取Fig.3 Select the frequency of low frequency load

路況低值頻率f1中值頻率f0高值頻率f2山區(qū)0.891.471.99高速1.151.471.98城郊1.091.472.14城市0.961.472.14

(4)低頻載荷參數(shù)計算。減振器伸縮桿低頻信號主要包括加載頻率、低頻幅值、低頻均值這三個參數(shù)。加載頻率已在表2中求出，低頻幅值和均值可通過雨流計數(shù)的方法得到。山區(qū)路況的雨流計數(shù)結(jié)果如表3所示。減振器伸縮桿在實際工作過程中，當(dāng)減振器處于低值頻率時，減振器伸縮桿幅值變化大、變化次數(shù)少；當(dāng)減振器處于高值頻率時，減振器伸縮桿幅值變化小、變化次數(shù)多，而中值頻率的幅值變化、變化次數(shù)應(yīng)當(dāng)處于低值和高值之間。為便于計算，將載荷譜的均值和幅值均分為9級。將前3級幅值的加權(quán)平均數(shù)作為高值頻率的行程，4～6級幅值的加權(quán)平均數(shù)作為中值頻率的行程，7～9級幅值的加權(quán)平均數(shù)作為低值頻率的行程。將9級均值的加權(quán)平均數(shù)作為低頻加載的均值。所以，山區(qū)路況下，減振器分別處于低值、中值、高值頻率時的伸縮桿行程依次為98.1 mm、49.2 mm、18.3 mm，低頻加載的均值為132.3 mm。按照該方法可依次得到4種路況下的低頻載荷參數(shù)。

表3 山區(qū)路況載荷譜均值、幅值二維矩陣

(5)高頻載荷參數(shù)計算。采用濾波的方法，分別以10～15 Hz、15～20 Hz和20～25 Hz為濾波帶寬，得到在該三個頻率范圍內(nèi)的載荷信號，以12.5 Hz、17.5 Hz和22.5 Hz作為中值頻率，采用與低頻載荷參數(shù)計算相同的方法來計算幅值和均值。根據(jù)每秒內(nèi)線速度最大的原則，確定了15～20 Hz為高頻加載頻率，高頻加載行程計算結(jié)果如表4所示。

表4高頻加載行程

Tab.4Highfrequencyparametercalculationresultsmm

路況高頻加載頻率15.5Hz17.5Hz19.5Hz山區(qū)9.55.20.8高速13.87.21.0城郊11.56.00.8城市7.04.10.5

試驗載荷譜編制流程如圖4所示。

圖4 試驗載荷譜編制流程Fig.4 Compile test load spectrum

3.3加載譜與用戶道路載荷譜當(dāng)量關(guān)系

為了建立加載譜與用戶道路載荷譜之間的當(dāng)量關(guān)系，需要確定載荷譜塊的加載次數(shù)，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，山區(qū)、高速、城郊、城市4種路況分別占總使用情況的10%、20%、20%、50%。根據(jù)雨流計數(shù)的結(jié)果，以城市路況為標準得到不同路況的加載次數(shù)和當(dāng)量里程，如表5所示。由表5可得出，一個載荷譜塊的當(dāng)量里程為138.3 km。

3.4水平加載力計算

由于載荷譜采集過程中采集到的是減振器的應(yīng)變信號，為得到耐久試驗中所需的水平加載力，需要通過標定試驗確定縱向力及側(cè)向力與應(yīng)變的關(guān)系。

表5 載荷譜加載次數(shù)

當(dāng)減振器活塞桿的伸縮量不同時，內(nèi)部活塞以及活塞桿所處的位置也不同，會影響減振器的側(cè)向剛度，因此在進行減振器縱向力及側(cè)向力與應(yīng)變關(guān)系標定時，需要標定出減振器在不同伸縮量下，力與應(yīng)變間的關(guān)系。

通過標定試驗可以發(fā)現(xiàn)，減振器在不同的伸縮量下力與應(yīng)變ε間的比例系數(shù)并不相同。左前減振器縱向及側(cè)向應(yīng)變與力之間的比例系數(shù)Kx、Ky與活塞桿伸縮量L間的關(guān)系式如下：

Kx=0.0002L-0.0011 (N-1)

(1)

Ky=0.0002L+0.0005 (N-1)

(2)

根據(jù)標定結(jié)果，結(jié)合式(1)、式(2)，可得出左前減振器縱向力、側(cè)向力的計算公式。

左前減振器縱向力

Fx=ε/(0.0002L-0.0011)-9.1067 (N)

(3)

左前減振器側(cè)向力：

Fy=ε/(0.0002L+0.0005)+8.1480 (N)

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)，結(jié)合左前減振器縱向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變和位移三個通道的數(shù)據(jù)，可得到左前減振器的縱向力-時間歷程和側(cè)向力-時間歷程，分別如圖5、圖6所示。按照相同的方法，計算出不同減振器的側(cè)向力-時間歷程和縱向力-時間歷程。

圖5 左前減振器縱向力-時間歷程載荷譜Fig.5 Lengthways force-time histories spectrum of front left damper

圖6 左前減振器側(cè)向力-時間歷程載荷譜Fig.6 Lateral force-time histories spectrum of front left damper

圖7 山區(qū)路況水平力幅值-時間歷程Fig.7 Horizontal force-time histories spectrum on mountain road

在車輛行駛過程中，減振器受到側(cè)向力和縱向力的共同作用，因此將側(cè)向力和縱向力合成為一個合力(即水平力)。山區(qū)路況下水平力幅值-時間歷程如圖7所示。觀察不同路況的水平力情況可知，山區(qū)路況的水平力最大，去除一部分不符合載荷譜統(tǒng)計規(guī)律的載荷，選擇山區(qū)路況水平力最大值的2/3即恒定值140 N作為水平力加載載荷。

4 臺架試驗驗證

為在室內(nèi)復(fù)現(xiàn)水平力對汽車減振器耐久壽命的影響，本文采用MTS 849減振器沖擊測試系統(tǒng)對減振器進行臺架試驗，如圖8所示。垂向載荷通過作動缸進行位移加載，恒定的水平力通過專用夾具來加載。

圖8 減振器臺架試驗Fig.8 Damper bench test

共進行6組減振器臺架試驗，其中前2組不施加水平力，后4組按照前文所述方式進行水平力加載，試驗結(jié)果見表6。通過減振器的臺架試驗可以發(fā)現(xiàn)，沒有水平力作用的情況下減振器平均壽命為19.13萬km，而在水平力作用下減振器平均壽命僅為7.35萬km，說明在水平力的作用下減振器的耐久壽命受到了較大的影響。減振器的失效形式均為漏油失效，且壽命與前期調(diào)查結(jié)果較為符合，說明本文采用的編譜方法可以較為準確地復(fù)現(xiàn)該地區(qū)該型轎車減振器的工作情況。

表6 試驗結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對某品牌某型轎車(出租車)在某地大量出現(xiàn)減振器漏油失效的現(xiàn)象，對其失效原因進行了分析與研究?；趯崪y用戶道路載荷，提出了基于多軸載荷作用的減振器室內(nèi)道路模擬試驗用載荷譜的編制方法。

采用低頻正弦信號疊加高頻正弦信號的方式加載載荷譜，確定了低頻加載頻率、高頻加載頻率及各頻率加載次數(shù)，有效地縮短了試驗時間。根據(jù)實測用戶道路載荷，確定水平力加載譜。為驗證所采用編譜方法的正確性，對減振器進行耐久性試驗。試驗結(jié)果表明，6組減振器的失效均由漏油引起，且在水平力作用下失效里程與調(diào)查結(jié)果基本吻合，說明采用的編譜方法能較為準確地復(fù)現(xiàn)該型轎車在某地區(qū)的實際工作情況，且水平力對減振器的耐久壽命造成了較大影響。

[1] 鄭松林, 李冰蓮, 馮金芝,等. 基于低載強化的懸架彈簧耐久性評價[J]. 機械強度, 2013,35(1):77-82.

ZHENG Songlin, LI Binlian, FENG Jinzhi, et al. The Suspension Spring Based on Low-load Strengthening Durability Evaluation[J]. Journal of Mechanical Strength,2013,35(1):77-82.

[2] 錢立軍，吳道俊，楊年炯，等. 基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車加速譜耐久性試驗的研究[J]. 汽車工程，2011，33(2)：91-96.

QIAN Lijun，WU Daojun，YANG Nianjiong, et al. A Research on Vehicle Accelerated Durability Test Based on Indoor Road Simulation Technology[J]. Automotive Engineering,2011,33(2):91-96.

[3] Vol N. Fatigue Testing and Analysis: Theory and Practice[J]. Mechanical Engineering, 2004, 126(11):59.

[4] 于佳偉, 鄭松林, 趙禮輝,等. 整車室內(nèi)道路模擬試驗用載荷譜的編制方法研究[J]. 機械工程學(xué)報, 2015，51(14):93-99.

YU Jiawei, ZHENG Songlin, ZHAO Lihui, et al. Research on Spectrum Development Methodology for Vehicle Indoor Road Simulation Test[J]. Journal of Mechanical Engineering,2015，51(14):99-93.

[5] 張弢. 汽車減振器虛擬試驗研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué), 2008.

ZHANG Tao. A Study of Virtual Test on the Performance of the Shock Absorber[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2008.

[6] 曲承童. 汽車減振器雙動耐久性試驗臺設(shè)計[D].長春：長春理工大學(xué), 2013.

QU Chengtong. The Design of the Double Acting Durability Test Bed for Automobile Shock Absorber[D]. Changchun： Changchun University of Science and Technology, 2013.

[7] 景立新, 郭孔輝, 盧蕩. 麥弗遜懸架減震器側(cè)向力優(yōu)化[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2011, 11(1):71-75.

JING Lixin, GUO Konghui, LU Dang, Optimization of Lateral Force for Macpherson Suspension Shock Absorber[J]. Science Technology and Engineering, 2011,11(1):71-75.

[8] 柳江, 喻凡, 樓樂明. 麥弗遜懸架側(cè)載螺旋彈簧優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車工程, 2006, 28(8):743-746.

LIU Jiang, YU Fan, LOU Leming, Optimization Design of Side Load Coil Springs for Macpherson Suspension[J]. Automotive Engineering, 2006,28(8):743-746.

[9] 劉延慶,張建武,顧力強. 車輛筒式減振器活塞桿側(cè)向摩擦現(xiàn)象試驗分析[J]. 機械強度,2003,25(1):16-20.

LIU Yanqing, ZHANG Jianwu, GU Liqiang.Testing Analysis of Piston Rod Lateral Friction for Vehicle Tube Shock Absorber [J]. Journal of Mechanical Strength, 2003,25(1):16-20.

[10] 沈永峰, 鄭松林, 王治瑞,等. 某型轎車擺臂程序載荷譜編制研究[J]. 中國機械工程, 2013, 24(14):1974-1978.

SHEN Yongfeng, ZHENG Songlin, WANG Zhirui, et al. Research on Compilation of Automotive Swing Arm Program Spectrum[J]. China Mechanical Engineering,2013,24(14):1974-1978.

[11] 李彤, 宋冬冬. 用Matlab研究半功率帶寬法[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2009, 26(1):92-94.

LI Tong, SONG Dongdong. Research on the Half-power Bandwidth Method Based on Matlab[J]. Experimental Technology and Management, 2009, 26(1):92-94.

[12] 鄭松林, 周亞捷, 馮金芝,等. 一種新的考慮偽損傷保留的道路載荷模擬試驗加速方法[J]. 機械強度, 2017,39(2):410-416.

ZHENG Songlin, ZHOU Yajie, FENG Jinzhi, et al. A New Spectrum Development Methodology Based on Pseudo Damage Reserving for Load Simulation Test[J]. Journal of Mechanical Strength, 2017,39(2):410-416.

LoadSpectrumCompilationofDamperDurabilityTestsBasedonMulti-axialLoads

ZHENG Songlin1,2WANG Shuo1FENG Jinzhi1,2CHEN Tie1YU Jiawei1

1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai，200093 2.CMIF Key Lab for Automotive Strength & Reliability Evaluation,Shanghai,200093

Traditional damper durability tests only took the vertical loads into consideration and without unified standard for horizontal force loading, which led to inaccurate results. Given this situation, combined with actual user road load, this paper proposed a new method considering load spectrum with the multi-axial loads. With sine on sine method to compilation the load spectrum in order to analyze the failure reason of damper. The half-power bandwidth method and the maximum line velocity principle were employed to determine the low frequencies and high frequencies respectively, then establish durability bench test with multi-axial loads. The test results show that damper’s failure lifes reduce greatly with the horizontal forces and the failure mileage consisted with survey results. It turns out that the spectrum compilation method may be more accurate to reappear the actual working status, and may provide technical support for the damper designs and improvements.

damper; multi-axial load; load spectrum compilation; durability test

U463.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.005

2016-11-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375313)；上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(13JC1408500)

(編輯盧湘帆)

鄭松林,男,1958年生。上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為車輛結(jié)構(gòu)強度與輕量化設(shè)計理論。E-mail:songlin_zheng@126.com。王爍,男,1991年生。上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。馮金芝，女，1973年生。上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院副教授。陳鐵，男，1988年生。上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。于佳偉，男，1990年生。上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。