朱 平，秦玉彬，吳 頌，滕文文，王 毅

（1.廣西柳工機(jī)械股份有限公司 全球研發(fā)中心，廣西 柳州 545005；2.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州 545005；3.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

汽車(chē)零部件的失效問(wèn)題，主要都是由振動(dòng)疲勞導(dǎo)致的。因此在新車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，臺(tái)架振動(dòng)可靠性試驗(yàn)是驗(yàn)證零部件結(jié)構(gòu)可靠性的首選手段。

臺(tái)架可靠性試驗(yàn)是基于汽車(chē)使用工況下的振動(dòng)特征來(lái)開(kāi)展的，目前汽車(chē)底盤(pán)零部件常用的臺(tái)架可靠性試驗(yàn)方法依據(jù)日本汽車(chē)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“JIS D 1601汽車(chē)零部件振動(dòng)試驗(yàn)方法”[1]進(jìn)行。應(yīng)用此試驗(yàn)方法設(shè)定相應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)，在汽車(chē)底盤(pán)前部的臺(tái)架可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，完全滿(mǎn)足后期的可靠性試驗(yàn)及用戶(hù)使用要求。然而某汽車(chē)后輪擋泥板支架，安裝位置在底盤(pán)后懸架中心至車(chē)架尾端范圍內(nèi)，按“JIS D 1601汽車(chē)零部件振動(dòng)試驗(yàn)方法”做臺(tái)架可靠性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)后擋泥板支架雖然通過(guò)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，但在道路可靠性試驗(yàn)中卻頻繁出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。這說(shuō)明此試驗(yàn)方法設(shè)定的試驗(yàn)強(qiáng)度不足以驗(yàn)證底盤(pán)后懸位置零部件的可靠性，要要尋求新的試驗(yàn)方法及參數(shù)設(shè)定。

本文采用加速疲勞分析方法，基于零部件臺(tái)架與道路可靠性試驗(yàn)累積疲勞損傷等效的原則，將道路試驗(yàn)采集到車(chē)輛零部件關(guān)鍵點(diǎn)的時(shí)域載荷信號(hào)轉(zhuǎn)化后用于臺(tái)架試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多輪的疲勞測(cè)試對(duì)比分析，驗(yàn)證出一種強(qiáng)化的臺(tái)架試驗(yàn)方法，以充分驗(yàn)證汽車(chē)后懸位置的零部件可靠性，避免零部件的過(guò)度設(shè)計(jì)或故障產(chǎn)生。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 試驗(yàn)方法理論

臺(tái)架可靠性試驗(yàn)基于汽車(chē)使用工況下的振動(dòng)特征來(lái)開(kāi)展。汽車(chē)的振動(dòng)來(lái)源主要有2個(gè)方面：第1個(gè)來(lái)源為發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)動(dòng)力導(dǎo)致的振動(dòng)，其表現(xiàn)形式為正弦振動(dòng)；第2個(gè)來(lái)源為路面輪胎導(dǎo)致的振動(dòng)，由于路面工況復(fù)雜多樣，振動(dòng)表現(xiàn)形式多為隨機(jī)振動(dòng)。隨機(jī)振動(dòng)波形比較雜亂，波形隨時(shí)間變化，顯示不出一定的規(guī)律特征。但是通過(guò)分析，隨機(jī)振動(dòng)也是由正弦振動(dòng)所組成的，這些頻率不是離散，是連續(xù)分布的[2]。因此我們研究時(shí)，通過(guò)技術(shù)處理，一般也轉(zhuǎn)化為正弦振動(dòng)來(lái)開(kāi)展驗(yàn)證。如圖1所示。

圖1 隨機(jī)振動(dòng)的波形處理為正弦振動(dòng)波形

“JIS D 1601汽車(chē)零部件振動(dòng)試驗(yàn)方法”為典型的正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法。振動(dòng)加速度按正弦波振動(dòng)加速度±a為：

其中，噪=2π2≈19.74；f為振動(dòng)頻率，Hz；A為全振幅，mm。

簡(jiǎn)諧振動(dòng)中，高次諧波含有率K為：

式中，a1為基本振動(dòng)波加速度，m/s2；a2，a3，a4……為第二次，第三次，第四次……振動(dòng)波的振動(dòng)加速度，m/s2。

1.2 現(xiàn)狀臺(tái)架可靠性試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

依照本試驗(yàn)方法，底盤(pán)零部件的振動(dòng)試驗(yàn)，按被安裝的汽車(chē)的種類(lèi)分為第三種貨車(chē)系列，按安裝狀態(tài)分為B類(lèi)車(chē)體上，且一般底盤(pán)件按階段45，階段70的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)加速度階段

綜上，臺(tái)架可靠性試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按表1。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)

共振點(diǎn)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置按表2。

表2 共振點(diǎn)檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)

1.3 目前臺(tái)架可靠性試驗(yàn)參數(shù)與故障位置零件實(shí)際振動(dòng)加速度的對(duì)比

為了找出臺(tái)架可靠性試驗(yàn)與道路可靠性試驗(yàn)加速度的差異，準(zhǔn)備一臺(tái)車(chē)進(jìn)行道路可靠性試驗(yàn)加速度數(shù)據(jù)采集，采集位置如圖3所示。

圖3 加速度采集安裝

采集道路包括如下典型路況：鵝卵石路、搓板路、坑洼路等。加速度數(shù)據(jù)采集后，導(dǎo)入matlab等軟件進(jìn)行處理，加速度數(shù)據(jù)采集結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 道路試驗(yàn)加速度采集結(jié)果

對(duì)比結(jié)論：加速度采集點(diǎn)A，X/Y/Z向加速度，與現(xiàn)臺(tái)架試驗(yàn)方法加速度基本一致，說(shuō)明用現(xiàn)有臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證方法與道路可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)是吻合的，驗(yàn)證汽車(chē)底盤(pán)前部的零部件無(wú)問(wèn)題。

加速度采集點(diǎn)B，X/Y/Z向加速度較臺(tái)架可靠性試驗(yàn)的大，具體數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 加速度采集點(diǎn)B與臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比

從表4數(shù)據(jù)可以得出，汽車(chē)底盤(pán)后懸位置擋泥板支架，臺(tái)架可靠性試驗(yàn)參數(shù)與道路可靠性試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)有如表5的差異。

表5 臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)與道路可靠性試驗(yàn)差異

上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，現(xiàn)狀臺(tái)架可靠性試驗(yàn)方法，按目前臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)，不足以驗(yàn)證底盤(pán)后懸位置零部件的可靠性。

2 優(yōu)化對(duì)比

2.1 分析思路

采用加速疲勞分析[3]方法，基于零部件臺(tái)架與道路可靠性試驗(yàn)累積疲勞損傷等效的原則，通過(guò)道路試驗(yàn)采集到車(chē)輛零部件關(guān)鍵點(diǎn)的時(shí)域載荷信號(hào)，再將該信號(hào)轉(zhuǎn)化后用于臺(tái)架試驗(yàn)，重新驗(yàn)證新的臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)。

2.2 理論依據(jù)

由疲勞損傷理論[4]可知，零件在外部載荷的重復(fù)作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，直至達(dá)到材料疲勞極限而損壞，將材料的疲勞性能用疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間的關(guān)系來(lái)描述，記得S-N曲線，如圖4所示。

圖4 S-N曲線示意圖

在循環(huán)載荷交變作用下，零件疲勞損傷隨時(shí)間逐漸積累，直至產(chǎn)生失效，根據(jù)邁因納（Miner）線性損傷累積理論，零件在經(jīng)過(guò)不同循環(huán)載荷產(chǎn)生疲勞累積損傷，其表達(dá)式為：

式中，D為累積疲勞損傷，當(dāng)D=1時(shí)零部件預(yù)計(jì)出現(xiàn)試銷(xiāo)；ni為第i個(gè)載荷作用與零件的循環(huán)次數(shù)；Ni為零件在第i個(gè)載荷作用下失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

道路-臺(tái)架試驗(yàn)載荷原理為將車(chē)輛零部件在道路行駛環(huán)境下的載荷作為目標(biāo)，講該測(cè)量點(diǎn)在試驗(yàn)臺(tái)架上的程序加載作為源，根據(jù)材料的S-N曲線計(jì)算疲勞損傷，則累積疲勞損傷矩陣為：

根據(jù)線性損傷累積理論，則用噪種程序加載方式混合得到的源的總損傷矩陣為：

式中，Ah為試驗(yàn)臺(tái)架加載程序的加權(quán)系數(shù)；h為試驗(yàn)臺(tái)架第h次加載(從第1次到第噪次）。

疲勞壽命相等則認(rèn)為具有相等的疲勞損傷，為了等效目標(biāo)疲勞損傷，則D=d。

2.3 道路和臺(tái)架試驗(yàn)疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)采集

基于上述理論及方法，對(duì)某汽車(chē)擋泥板支架的臺(tái)架及道路試驗(yàn)疲勞應(yīng)力進(jìn)行采集，分析流程如圖5所示。

圖5 加速疲勞分析流程

將應(yīng)變片安裝在擋泥板支架的故障發(fā)生位置，將加速度傳感器安裝在車(chē)架尾端，分別按現(xiàn)試驗(yàn)方法開(kāi)展疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)采集及道路試驗(yàn)加速度采集，如圖6所示。

圖6 道路和臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

電測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)存在異常情況，應(yīng)用matlab軟件，對(duì)采集數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的出現(xiàn)短數(shù)據(jù)、干擾信號(hào)、信號(hào)漂移等情況進(jìn)行分析及處理。如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)信號(hào)處理

2.4 加速疲勞分析及優(yōu)化

（1）對(duì)采集的疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)處理。將擋泥板支架的臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的應(yīng)力累積損傷進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)狀臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的應(yīng)力累積損傷對(duì)比

對(duì)比結(jié)論：臺(tái)架試驗(yàn)損傷包絡(luò)線與道路試驗(yàn)損傷包絡(luò)線相差很大，且在其內(nèi)部，說(shuō)明臺(tái)架試驗(yàn)的累積損傷遠(yuǎn)小于道路試驗(yàn)的累積損傷水平。

（2）臺(tái)架試驗(yàn)加速度優(yōu)化?；谄趽p傷等效原則，對(duì)原有臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如表6所示。

表6 臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化后臺(tái)架試驗(yàn)與道路試驗(yàn)應(yīng)力累積損傷對(duì)比如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的應(yīng)力累積損傷對(duì)比

對(duì)比結(jié)論：優(yōu)化后的臺(tái)架試驗(yàn)損傷包絡(luò)線與道路試驗(yàn)損傷包絡(luò)線基本一致，說(shuō)明臺(tái)架試驗(yàn)的累積損傷與道路試驗(yàn)的累積損傷處于同一水平。

3 臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化

由于臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間27 h較長(zhǎng)，從臺(tái)架的經(jīng)濟(jì)性考慮，再次對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。最終確定臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)如表7所示，試驗(yàn)時(shí)間18.5 h。后期再次開(kāi)展臺(tái)架可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，以滿(mǎn)足要求。

表7 最終臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

最終優(yōu)化后臺(tái)架試驗(yàn)與道路試驗(yàn)應(yīng)力累積損傷對(duì)比如圖10所示。

圖10 最終優(yōu)化后臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的應(yīng)力累積損傷對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有臺(tái)架可靠性試驗(yàn)方法，完全滿(mǎn)足裝配在汽車(chē)底盤(pán)前部位置的汽車(chē)零部件驗(yàn)證。

裝配在汽車(chē)底盤(pán)后懸架中心至車(chē)架尾端范圍內(nèi)的零部件，例如：后輪擋泥板總成、尾燈總成、后置蓄電池框總成、儲(chǔ)氣筒總成等。振動(dòng)來(lái)源主要受輪胎的激勵(lì)，影響因素較多，采用《JIS D 1601汽車(chē)零部件振動(dòng)試驗(yàn)方法》開(kāi)展臺(tái)架可靠性試驗(yàn)時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)建議進(jìn)行適應(yīng)性的加強(qiáng)，便于驗(yàn)證底盤(pán)后懸位置零部件的可靠性。

基于臺(tái)架與道路可靠性試驗(yàn)累積疲勞損傷等效的原則優(yōu)化的臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)多輪的疲勞測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明可充分驗(yàn)證汽車(chē)后懸位置零部件可靠性，可以幫助研發(fā)部門(mén)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并改進(jìn)設(shè)計(jì)，避免零件的過(guò)度設(shè)計(jì)或缺陷產(chǎn)生，有效縮短零部件的開(kāi)發(fā)周期，提升經(jīng)濟(jì)效益。