摘要：基于線性疲勞累積損傷理，通過(guò)采集試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜，對(duì)轎車后橋載荷進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，提出了一種新的載荷譜編制方法。通過(guò)與原載荷譜編制方法計(jì)算的損傷和標(biāo)準(zhǔn)載荷譜計(jì)算得到的損傷進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了新的載荷譜編制方法的有效性。另外，基于新的載荷譜編制方法，通過(guò)迭代得到試驗(yàn)機(jī)激勵(lì)信號(hào)后進(jìn)行后橋疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的適用性。

關(guān)鍵詞：轎車后橋；道路載荷；耐久性試驗(yàn)；疲勞壽命

0 前言

在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段，機(jī)械零部件的疲勞和耐久性評(píng)價(jià)是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。用于疲勞壽命預(yù)估的理論或方法主要包括線性疲勞累積損傷理論、雙線性疲勞累積損傷理論及非線性疲勞累積損傷理論。但汽車及其零部件在行駛過(guò)程中會(huì)承受復(fù)雜的交變載荷，通過(guò)這些方法預(yù)估的疲勞壽命與實(shí)際疲勞壽命具有較大差異。

機(jī)械零部件的疲勞和耐久性試驗(yàn)一般分為用戶道路試驗(yàn)、試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)三類。鄭松林等[2]基于用戶道路和試驗(yàn)場(chǎng)道路的載荷數(shù)據(jù)，建立了一種基于載荷頻率損傷的等損傷模型。為了縮減零部件開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，通常將試驗(yàn)場(chǎng)采集的道路載荷通過(guò)迭代應(yīng)用到臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中[3-5]。根據(jù)裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)際扭轉(zhuǎn)特性，梁佳等[6]提出了驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)前傳動(dòng)軸正反加載的方法，確定了疲勞試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速。另外，朱淮烽等[7-9]以Miner法則為基礎(chǔ)，研究了低載強(qiáng)化特性對(duì)疲勞壽命的影響。姚志剛[10]以軸類零件為低載強(qiáng)化特性的研究對(duì)象，建立了零件的應(yīng)力-壽命曲線和低載強(qiáng)化三維曲面，為其壽命計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但以上研究均未充分考慮實(shí)際工況的復(fù)雜性和多樣性，還存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和模型驗(yàn)證等問(wèn)題。本文以某轎車后橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于試驗(yàn)場(chǎng)典型道路載荷譜獲得迭代所需的目標(biāo)信號(hào)，提出新的載荷譜編制方法，并通過(guò)對(duì)后橋進(jìn)行道路載荷模擬試驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)其適用性。

1 載荷譜采集

后橋是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的最后一個(gè)總成，在車輛行駛過(guò)程中需要承受多種載荷作用，是車輛中極為重要的安全件和功能件。因此，基于道路模擬試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行耐久性評(píng)價(jià)十分必要。根據(jù)有限元分析方法可得到后橋在不同工況下的受力情況，從而確定疲勞試驗(yàn)中后橋可能斷裂的位置，獲得載荷譜測(cè)點(diǎn)的位置，如圖1所示。后橋載荷譜測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目及貼片位置見(jiàn)表1。

根據(jù)GT/T 12678—1990 《汽車可靠性行駛試驗(yàn)方法》和GB/T 12534—1990 《汽車道路試驗(yàn)方法通則》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。本文使用的載荷譜為某汽車試驗(yàn)場(chǎng)耐久性試驗(yàn)不同典型路面所采集的載荷信號(hào)數(shù)據(jù)。道路載荷試驗(yàn)的采樣頻率為512 Hz。

2 載荷譜編制方法對(duì)比及壽命預(yù)估

2. 1 載荷譜編制方法對(duì)比

基于線性疲勞累積損傷理論，制定了新的編制載荷譜方法，并且將此方法迭代的損傷與原方法迭代的損傷進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證新制定編制載荷譜方法的有效性。本文將原載荷譜編制方法設(shè)為方法一，新的載荷譜編制方法設(shè)為方法二。

以左前輪側(cè)向力信號(hào)（LR_WFT_Fy）為例，分別采用方法一和方法二編制載荷譜，并與標(biāo)準(zhǔn)載荷譜迭代損傷進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出：通過(guò)方法二制定的載荷譜與標(biāo)準(zhǔn)載荷譜的迭代結(jié)果基本吻合。因此，方法二制定的載荷譜編制方法是有效的。此外，本文以各通道下的載荷信號(hào)為例，對(duì)不同編譜方法計(jì)算得到的損傷進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出：通過(guò)方法二得到的總損傷和標(biāo)準(zhǔn)載荷譜得到的總損傷幾乎相同，通過(guò)方法一得到的總損傷則為標(biāo)準(zhǔn)載荷譜得到損傷的86%。因此，方法二載荷譜編制方法更為可取。

2. 2 后橋疲勞壽命預(yù)估

3 臺(tái)架試驗(yàn)構(gòu)建與規(guī)范

基于方法二對(duì)后橋進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示。將通過(guò)方法二編制的載荷譜通過(guò)車輪六分力對(duì)后橋進(jìn)行加載。車輪力的信號(hào)通過(guò)六分力測(cè)量輪獲取，通過(guò)迭代得到試驗(yàn)機(jī)激勵(lì)信號(hào)。試驗(yàn)機(jī)激勵(lì)信號(hào)的力和力矩的方向如圖6所示，激勵(lì)信號(hào)的載荷見(jiàn)表3～表4。

4 試驗(yàn)結(jié)果

后橋臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的結(jié)果如圖7～圖11所示，后橋的失效部位發(fā)生在橫梁和加強(qiáng)筋的焊接部位，與應(yīng)變片貼放位置相對(duì)應(yīng)。在試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到179次時(shí)，右制動(dòng)液軟管開(kāi)始損壞，如圖7所示。在試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到181次時(shí)，軸和軸承之間的螺栓松動(dòng)，如圖8所示。在試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到241次時(shí)，左側(cè)加強(qiáng)板的底部出現(xiàn)裂紋，裂紋長(zhǎng)度為3 mm；繼續(xù)增加1次循環(huán)，裂紋長(zhǎng)度增加至5 mm，如圖9所示。當(dāng)試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到287次時(shí)，后橋左側(cè)減振器出現(xiàn)泄漏，如圖10所示。當(dāng)試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到301次時(shí)，主軸體材料出現(xiàn)2處裂紋，且裂紋幾乎對(duì)稱，同時(shí)左減振器螺栓彎曲。其中，增強(qiáng)板的左下方裂紋長(zhǎng)度為7 mm，右下方裂紋長(zhǎng)度為10 mm（零件失效），如圖11所示。

根據(jù)方法一進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，當(dāng)左下加強(qiáng)支架焊縫裂紋擴(kuò)展到10 mm時(shí)，試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了220次。

表5為2種編譜方法的試驗(yàn)疲勞壽命與理論疲勞壽命的對(duì)比。由表5可以看出：方法二得到的疲勞壽命更接近于理論疲勞壽命，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某轎車后橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于線性疲勞累積損傷理論提出一種新的載荷譜編制方法。將新的載荷譜編制方法與原載荷譜編制方法，以及標(biāo)準(zhǔn)載荷譜在左前輪側(cè)向力信號(hào)（LR_WFT_Fy）通道下計(jì)算得到的損傷進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：新的載荷譜編制方法所得總損傷接近原載荷譜編制方法及標(biāo)準(zhǔn)載荷譜得到的總損傷，驗(yàn)證了新的載荷譜編制方法的有效性?；谛碌妮d荷譜編制方法，迭代得到試驗(yàn)機(jī)激勵(lì)信號(hào)，并進(jìn)行道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)。通過(guò)與后橋理論疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)新的載荷譜編譜方法得到的試驗(yàn)疲勞壽命更接近于理論疲勞壽命，驗(yàn)證了新方法的適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] KEPKA M，KEPKA J M，MINICH R.A case study on fatigue life assessment of an electric bus bodywork [J]. International Journal of Fatigue，2024，179： 108040.

[2] 鄭松林，代磊，趙禮輝，等.基于載荷頻率的用戶道路與試驗(yàn)場(chǎng)車輛部件損傷關(guān)聯(lián)模型研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2018（5）：1177-1182.

[3] LIU X T，WANG H J，WU Q，et al. Uncertaintybased analysis of random load signal and fatigue life for mechanical structures[J]. Archives of Computational Methods in Engineering，2022， 29（4）： 375-395.

[4] 官勇健，龔春輝，王祖建.某乘用車穩(wěn)定桿支座臺(tái)架耐久試驗(yàn)載荷譜編制[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2022，47（19）：98-103.

[5] 柳澤田，尹輝俊.某乘用車副車架程序載荷譜編制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2020，37（9）：61-66.

[6] 梁佳，宋續(xù)丁，黃柱安.裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)扭矩加載譜編制方法研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2018，29（9）：1039-1044.

[7] 朱淮烽，施磊，康誠(chéng).基于汽車試驗(yàn)場(chǎng)道路的車輛載荷譜采集[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2022，47（22）： 102-107.

[8] WANG H J，XUAN F Z，LIU X T. Prediction and evaluation of fatigue life under random load based on low load strengthening characteristic[J]. International Journal of Fatigue， 2021， 151（6）： 106346.

[9] 楊平，鄒喜紅.基于道路模擬試驗(yàn)的強(qiáng)化載荷譜編制方法[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，19（5）： 419-424.

[10] 姚志剛.基于載荷譜的汽車懸架疲勞試驗(yàn)方法的探究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2023，48（22）：142-146.

[11] LIU P S，WANG X，SHEN Q，et al. A nonlinear cumulative fatigue damage life prediction model under combined cycle fatigue loading considering load interaction[J]. International Journal of Fatigue，2023，177： 107972.