載荷譜技術(shù)在越野車驅(qū)動(dòng)橋開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究

李 響 曹 正林 魏 文廣 劉 再 生 宋 雙賀

（中國(guó)第一汽股份有限公司技術(shù)中心汽車振動(dòng)噪聲和安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 前言

高機(jī)動(dòng)性越野車應(yīng)具備非常規(guī)的越野通過(guò)性，尤其是平順地通過(guò)壞路、無(wú)路面區(qū)域，針對(duì)此類要求，采用獨(dú)立懸架系統(tǒng)是較理想的解決方案[1]。為提高某中型越野車產(chǎn)品性能并實(shí)現(xiàn)輕量化，對(duì)其首次采用了獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，但由于該車許多零部件均沒(méi)有可參考的載荷輸入條件，所以如何確定其驅(qū)動(dòng)橋的工作載荷是該車開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。為此，本文探討了越野車疲勞載荷譜測(cè)試方法，并結(jié)合載荷譜的濃縮編輯技術(shù)，建立了完整的越野車零部件開(kāi)發(fā)載荷譜數(shù)據(jù)庫(kù)，為該中型越野車開(kāi)發(fā)提供真實(shí)的載荷輸入條件，得到了越野車驅(qū)動(dòng)橋疲勞強(qiáng)度校核與道路耐久性試驗(yàn)考核一致的結(jié)果。

2 驅(qū)動(dòng)橋道路載荷譜數(shù)據(jù)采集

2.1 驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試參數(shù)

驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試參數(shù)包括車輛行駛過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力矩和由路面激勵(lì)引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。通過(guò)采集驅(qū)動(dòng)橋在各種典型使用工況下的載荷-時(shí)間歷程，并經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析處理編制成工作載荷譜，將工作載荷譜作為輸入載荷條件，可用于零部件疲勞強(qiáng)度計(jì)算和臺(tái)架疲勞試驗(yàn)。

2.2 驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試方法

驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試通常采用車輪六分力測(cè)試系統(tǒng)，也可以在前橋傳動(dòng)軸和變速器輸出軸上安裝應(yīng)變片，通過(guò)載荷標(biāo)定形成汽車零部件傳感器的方法進(jìn)行扭矩測(cè)試。車輪六分力傳感器不僅可方便、準(zhǔn)確地測(cè)量車輪工作載荷，而且可結(jié)合零部件載荷參數(shù)測(cè)試和多體虛擬迭代得到汽車其它零部件工作載荷。在汽車動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試中，零部件傳感器具有不改變汽車零件特性的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)變片的選擇和安裝可通過(guò)理論受力分析和有限元計(jì)算確定，合理的應(yīng)變片安裝與應(yīng)變測(cè)試橋路結(jié)合多維標(biāo)定可實(shí)現(xiàn)多軸載荷測(cè)試。

2.3 載荷譜測(cè)試工況

載荷譜測(cè)試工況應(yīng)盡量反映汽車用戶的實(shí)際使用條件。通常采用3種方法來(lái)確定載荷譜測(cè)試工況，一是按試車場(chǎng)耐久性試驗(yàn)規(guī)范在試車場(chǎng)進(jìn)行載荷譜測(cè)試，這要求試車場(chǎng)耐久性試驗(yàn)規(guī)范能夠真實(shí)反映用戶使用條件；二是模擬用戶使用工況進(jìn)行測(cè)試，包括在道路上跟隨用戶車行駛等方法；三是在一些用戶車輛上安裝測(cè)試儀器，在用戶車輛正常使用中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。

3 等幅載荷譜編輯技術(shù)

目前越野車驅(qū)動(dòng)橋的疲勞強(qiáng)度計(jì)算和臺(tái)架加速疲勞試驗(yàn)廣泛采用等幅載荷譜編輯技術(shù)，等幅疲勞載荷譜編輯主要包括測(cè)試信號(hào)的計(jì)數(shù)處理、Time at Revolution計(jì)數(shù)法和計(jì)數(shù)結(jié)果的損傷當(dāng)量計(jì)算。

3.1 測(cè)試信號(hào)的計(jì)數(shù)處理

零部件的測(cè)試載荷-時(shí)間歷程信號(hào)一般通過(guò)雨流計(jì)數(shù)得到，為多級(jí)工作載荷Pi和循環(huán)次數(shù)ni。雨流計(jì)數(shù)法在疲勞壽命計(jì)算中運(yùn)用非常廣泛，其將載荷-時(shí)間歷程數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)過(guò)90°,時(shí)間坐標(biāo)軸豎直向下，數(shù)據(jù)記錄猶如一系列屋面，雨水順著屋面往下流，如圖1所示。

雨流計(jì)數(shù)法規(guī)則為：

a. 雨流的起點(diǎn)依次在每個(gè)峰值 （谷值）的內(nèi)側(cè)，即屋頂；

b. 雨流在下一個(gè)峰值（谷值）處落下，直到對(duì)面的峰值（谷值）比開(kāi)始時(shí)更大（更?。橹?；

c. 當(dāng)雨流遇到上面屋頂流下的雨流時(shí)就停止；

d. 取出所有的全循環(huán)，并記下各自的幅值；e. 按正負(fù)斜率取出所有的半循環(huán)，并記下各自的幅值；

f. 把取出的半循環(huán)按雨流法第二階段計(jì)數(shù)法則處理并計(jì)數(shù)。

3.2 Time at Revolution計(jì)數(shù)法

Time at Revolution計(jì)數(shù)法可用來(lái)統(tǒng)計(jì)傳動(dòng)軸在不同扭矩下的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。由于齒輪彎曲應(yīng)力幅值與傳動(dòng)軸的扭矩大小相關(guān)，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)相關(guān)（圖2）。對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋齒根彎曲疲勞、齒面接觸疲勞和軸承疲勞等旋轉(zhuǎn)件的載荷，可以通過(guò)對(duì)傳動(dòng)軸載荷的測(cè)試扭矩及轉(zhuǎn)速-間歷程信號(hào)進(jìn)行Time at Revolution法計(jì)數(shù)[3]，得到多級(jí)載荷和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)（循環(huán)次數(shù)）。

3.3 計(jì)數(shù)結(jié)果的損傷當(dāng)量計(jì)算

利用計(jì)數(shù)法得到零部件的多級(jí)載荷Pi和多級(jí)循環(huán)次數(shù)ni后，通過(guò)損傷當(dāng)量計(jì)算將多級(jí)載荷簡(jiǎn)化為單級(jí)載荷。如圖3所示，Pi和ni可通過(guò)S-N曲線和線性疲勞損傷理論（Miner公式）折算成單級(jí)疲勞載荷，即

式中，P為單級(jí)疲勞載荷；N為當(dāng)量載荷循環(huán)次數(shù)；k為S-N曲線的斜率。

4 某中型越野車驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試和應(yīng)用

4.1 驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試方案

驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試步驟為：

a.測(cè)試驅(qū)動(dòng)橋車輪六分力工作載荷，包括輪心 3 個(gè)方向承受的力（Fx、Fy、Fz）和力矩（Mx、My、Mz）；

b. 測(cè)試驅(qū)動(dòng)橋輸入扭矩及輪邊驅(qū)動(dòng)軸載荷；

c. 測(cè)試橋殼危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變；

d.驅(qū)動(dòng)橋輪邊輸入軸及萬(wàn)向節(jié)總成臺(tái)架疲勞試驗(yàn)載荷譜的編制；

e. 驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞強(qiáng)度計(jì)算載荷分析。

4.2 驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試工況

該中型越野車載荷譜測(cè)試工況采用軍用越野汽車設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的可靠性道路試驗(yàn)行駛工況[2]，如表 1所列。

表1 軍用越野汽車設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)規(guī)程 km

4.3 驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試

該越野車載荷譜測(cè)試時(shí)采用表1中工況在汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，利用車輪六分力傳感器進(jìn)行車輪載荷譜測(cè)試 （圖4）, 采用應(yīng)變計(jì)和遙測(cè)儀進(jìn)行變速器輸出軸和中橋輪邊軸工作扭矩測(cè)試（圖5）。圖6和圖7分別為強(qiáng)化路工況下（卵石路、比利時(shí)路、扭曲路等）驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)變及車輪載荷測(cè)試時(shí)間歷程。同時(shí)考慮越野車的特點(diǎn)，對(duì)特殊的使用工況如越障、爬坡、最大牽引力也進(jìn)行了載荷測(cè)試。

4.4 驅(qū)動(dòng)橋輪邊輸入軸及萬(wàn)向節(jié)總成臺(tái)架疲勞試驗(yàn)當(dāng)量載荷譜編制

通過(guò)扭矩－轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)處理得到傳動(dòng)系載荷譜，載荷譜扭矩統(tǒng)計(jì)間隔按驅(qū)動(dòng)橋最大驅(qū)動(dòng)扭矩的5%設(shè)定。對(duì)傳動(dòng)軸測(cè)試扭矩和轉(zhuǎn)速-時(shí)間歷程信號(hào)進(jìn)行Time at Revolution法計(jì)數(shù)，得到各級(jí)載荷和各級(jí)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，見(jiàn)表2。

采用表2中的輪邊驅(qū)動(dòng)軸測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋輪邊輸入軸及萬(wàn)向節(jié)總成臺(tái)架疲勞試驗(yàn)當(dāng)量載荷計(jì)算。根據(jù)S-N曲線和線性累積損傷當(dāng)量的原則，采用表1規(guī)定試驗(yàn)工況測(cè)試載荷數(shù)據(jù)，進(jìn)行單級(jí)等幅臺(tái)架試驗(yàn)載荷折算，則驅(qū)動(dòng)橋輪邊輸入軸及萬(wàn)向節(jié)總成臺(tái)架疲勞試驗(yàn)載荷條件為：載荷為700～7 700 N·m，B10壽命為6萬(wàn)次。

表2 可靠性試驗(yàn)工況輪邊軸載荷譜數(shù)據(jù)

4.5 驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞強(qiáng)度載荷分析及橋殼結(jié)構(gòu)改進(jìn)疲勞強(qiáng)度有限元分析

該中型越野車在可靠性道路試驗(yàn)中橋殼出現(xiàn)了疲勞裂紋，為查找橋殼裂紋產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)橋載荷譜測(cè)試。應(yīng)變測(cè)試部位為橋殼裂紋及有限元分析的高應(yīng)力部位，由于在強(qiáng)化路行駛工況下橋殼下部前、后測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)呈現(xiàn)反向趨勢(shì)（圖8），表明縱向載荷是造成橋殼裂紋的主要因素。

由于該中型越野車開(kāi)發(fā)初期沒(méi)有載荷條件，所以采用了國(guó)外公司提供的疲勞強(qiáng)度分析載荷條件（原計(jì)算載荷）進(jìn)行有限元疲勞分析。由原計(jì)算載荷幅值與測(cè)試疲勞載荷幅值相比（表3）可知，原計(jì)算垂直疲勞強(qiáng)度載荷與實(shí)際測(cè)試垂直載荷相近，原計(jì)算側(cè)向疲勞強(qiáng)度載荷高于實(shí)際測(cè)試側(cè)向載荷，原計(jì)算縱向疲勞強(qiáng)度載荷低于實(shí)際測(cè)試縱向載荷。

表3 原計(jì)算載荷幅值與測(cè)試疲勞載荷幅值之比

根據(jù)測(cè)試的G載荷（輪荷倍數(shù)）計(jì)算橋殼的應(yīng)力分布，然后將其導(dǎo)入Femfat中，并結(jié)合材料疲勞特性曲線進(jìn)行橋殼的疲勞強(qiáng)度分析，按照疲勞安全系數(shù)大于1.50滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)判斷結(jié)構(gòu)是否需要改進(jìn)。表4為采用國(guó)外某公司提供載荷和采用實(shí)際測(cè)試載荷進(jìn)行橋殼關(guān)鍵位置CAE分析結(jié)果，由于原計(jì)算縱向載荷低于實(shí)際測(cè)試載荷，所以采用實(shí)際測(cè)試載荷進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明，縱向疲勞安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果小于1，因此需要改進(jìn)橋殼關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)。

橋殼結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施為：在橋殼后側(cè)的橋包與兩端法蘭之間分別增加了加強(qiáng)筋，以提高橋殼的縱向承載能力；在橋殼底部的橋包與兩端法蘭之間增大了過(guò)渡圓角，以降低局部應(yīng)力集中，提高橋殼的垂向承載能力。

表4 橋殼關(guān)鍵位置CAE分析結(jié)果

由表4可知，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的縱向疲勞安全系數(shù)達(dá)到了1.52，疲勞強(qiáng)度滿足要求。圖9和圖10為原結(jié)構(gòu)橋殼和改進(jìn)結(jié)構(gòu)橋殼分別采用原計(jì)算載荷和測(cè)試載荷進(jìn)行疲勞工況CAE分析結(jié)果。

該中型越野車驅(qū)動(dòng)橋總成經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，采用軍用越野汽車設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了道路耐久性試驗(yàn)，在凹凸不平路面行駛里程為12 000 km,越野路行駛里程為6 000 km,通過(guò)了整車耐久性道路試驗(yàn)，且疲勞強(qiáng)度校核、臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)與道路耐久性試驗(yàn)得到了一致的結(jié)果。

1 王忠，朱學(xué)斌.高機(jī)動(dòng)性越野車懸架橫臂疲勞壽命預(yù)測(cè)，第三屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集，2010.

2 GJB 4527-2002軍用越野汽車試驗(yàn)定型規(guī)程，2003，5.

3 Barry James.Acquired Road Load Data into a Condensed Duty Cycle and Applying it.Romax Technology Technical Report Number 1014-5-04,2006.

4 趙曉鵬，張強(qiáng)，姜丁，等.某型越野車試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜的壓縮與外推.汽車工程，2009，31（9）：871～875.

5 劉再生，等.轎車懸架臺(tái)架多軸疲勞試驗(yàn)載荷開(kāi)發(fā).汽車技術(shù)，2012（6）：47～50.

6 孫春方.T—car后橋臺(tái)架疲勞試驗(yàn)研究.汽車技術(shù)，2006（1）：23～26.

7 陳忠良，崔紅偉，駱紅云，等.室內(nèi)整車可靠性道路模擬試驗(yàn)方法.北京汽車，2005（2）：10～13.

8 高鎮(zhèn)同，熊峻江,等.疲勞可靠性.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.