基于道路載荷譜的懸置螺栓臺架試驗研究

王祖建 龔春輝 段龍楊 楊軍

摘 ?要：為了快速驗證懸置螺栓失效，建立了基于實測懸置力載荷譜的臺架加速流程。重新設計了內嵌三分力傳感器的發動機懸置支架，準確測量了試驗場道路懸置力載荷譜。為了實現臺架加速，采用時域損傷編輯方法，去除了大量的低幅值、大循環的載荷，總損傷一致，壓縮時間89.5%，縮減前后載荷頻率、幅值、損傷特性沒有改變，最終臺架試驗結果失效模式與路試一致。

關鍵詞：懸置;三分力;載荷譜;時域損傷編輯;臺架試驗

中圖分類號：U467 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0037-06

Abstract： In order to quickly verify the failure of the mounting bolt， a bench acceleration process based on the measured mounting force load spectrum was established. The engine mounting bracket with embedded three-component force sensor was redesigned， and the road mounting force load spectrum of the test site was accurately measured. In order to achieve the acceleration of the bench， the time-domain damage editing method was used to remove a large number of low-amplitude and large-cycle loads. The total damage was consistent. The compression time was 89.5%. The load frequency， amplitude， and damage characteristics did not change before and after reduction. The failure mode of the frame test results is consistent with the road test.

Key Words： Suspension; Three-component Force; Load Spectrum; Time-domain Damage Editing; Bench Test

引言

發動機懸置是指連接在發動機與車架之間的支撐體，具有支撐、限位和隔振作用，懸置和主動端發動機及被動端車架依靠螺栓及定位銷連接，懸置螺栓松脫和斷裂是懸置失效的主要方式之一。本文中某輕型卡車發動機懸置螺栓在進行整車道路耐久試驗時發生松脫和斷裂，項目要求查找失效原因并進行快速驗證，懸置螺栓的試驗驗證包括整車路試和臺架試驗兩種，整車耐久路試通常需要1-3個月時間，試驗周期長，成本高，臺架試驗可以實現加速考核驗證[1]。運行臺架試驗需要獲取發動機懸置道路載荷譜，有的學者通過分析懸置螺栓處的加速度和應力這兩個矢量之間的物理關系，完成加速度載荷向應力載荷的實時轉換，將得到的應力載荷譜作為懸置螺栓疲勞分析的隨機載荷譜[2]。顯然，如果能夠直接測量懸置的力，測試過程更加方便，結果更準確。本文通過重新設計懸置支架，并內嵌三分力傳感器方法測量懸置力載荷譜。

汽車載荷譜特征包含幅值、頻率、多通道加載相位與次序[3]，臺架試驗不僅要對試驗加速，同時還必須完好的再現零件的使用狀態，這將直接影響到試驗結果的準確性。臺架加速疲勞試驗方法包括刪小量法、提高試驗加載疲頻率法、強化載荷譜法[4]，后面兩種方法無法保證載荷的頻率和幅值特征，可能使得零件失效機理發生改變，刪小量法通過對載荷譜數據進行時域損傷編輯，刪除時域信號中的低幅值、大循環信號，編輯后與原始信號進行頻域、雨流及損傷分析對比[5]-[6]。最終臺架試驗和路試失效模式一致，并加速驗證了改進方案螺栓的性能，滿足了項目要求。

1 ? ?懸置螺栓故障問題描述及分析

某輕型卡車發動機懸置采用左右2點懸置布置，整車耐久道路試驗過程中發生懸置螺栓松脫斷裂，檢查發現發動機左懸置支架與缸體連接螺栓脫落三顆，右支架與缸體連接螺栓斷裂一顆，該件為原車裝配。進一步檢查發現，發動機左支架遺留螺栓P1#無殘余力矩;右支架P4#螺栓斷裂，從螺栓根部剪斷，其它螺栓已完全松動。如圖1所示進一步拆解檢查發現：懸置支架沒有失效，缸體螺紋孔均無破壞。螺栓為M10 10.9級，磷化、安裝面電泳漆、設計扭矩75±10Nm。

1.1 ? 螺栓硬度檢測

對已裝配螺栓1#、未裝配螺栓2#、斷裂螺栓3#進行HRC硬度檢測，實測硬度在標準范圍之內，滿足要求。

1.2 ? 脫碳層深度、未脫碳螺牙高度、顯微組織回火索氏體等級進行檢測

對已斷裂螺栓進行脫碳層深度、未脫碳螺牙高度、顯微組織回火索氏體等級進行檢測，滿足要求。

上述檢測說明螺栓本身質量沒有問題，初步分析螺栓是松脫引起的斷裂，可能是下列原因引起：

1、螺栓實際安裝扭矩不足，無法提供足夠夾緊力，受力過程中螺栓滑移;

2、發動機支架安裝面電泳噴漆質量差。檢查發現電泳漆平均厚度15μm左右（設計要求電泳漆：20μm<=厚度<=35μm）、均勻度差，且噴漆易磨損。

3、發動機支架安裝表面有輕微銹跡。原磷化螺栓耐蝕性較差，更換為防腐性能優良的達克羅螺栓[7]。

改進方案從安裝扭矩、安裝面電泳漆、螺栓表面處理工藝三方面進行制定[8]。

2 ? ?懸置三分力工裝夾具設計與載荷譜測量

懸置力直接測量方法有兩種：一種是在懸置表面安裝多組應變片，用于測量懸置不同方向的力，需要進行應變-力臺架標定間接獲得受力;另外一種方法是將三分力傳感器內嵌在懸置中直接測量獲得。第一種方法應變片布置受限于懸置結構，同時不同方向應變-力標定時存在維間耦合，使得標定結果準確度較差[9]-[10];第二種方法需要對懸置支架進行重新設計改制，并將三分力傳感器嵌入到新設計的支架中，但是可以直接獲得3個方向的力，精度較高。采用第二種方法。

2.1 ? 懸置三分力工裝設計

懸置支架改制設計要求包括：1、嵌入三分力傳感器，保證傳感器可靠連接且傳感器四周邊緣不能和周邊零件運動干涉;2、保證支架原有的連接傳遞功能;3、強度要滿足試驗要求。如下圖6所示，原懸置支架包括兩部分：發動機懸置（車架被動連接）和發動機支架（發動機主動連接端），橡膠內嵌在發動機懸置中，顯然不適合對發動機懸置改制，因為首先其本身體積較小，難以放入傳感器，更重要的是內嵌傳感器后必然會破壞改變橡膠，從而改變懸置整體性能。發動機支架體積有限，在不改變其和懸置及發動機缸體的連接關系前提下，嵌入傳感器非常困難，最后決定舍棄原發動機支架，重新設計2個支架，發動機支架01和02分別和懸置及缸體相連接，傳感器則放置在中間，分別和支架01和02連接。

傳感器兩端連接方式是1個M12螺紋孔和4個M8螺紋孔，設計發現僅靠M12螺紋孔無法約束傳感器轉動，解決方法是在支架01和傳感器的連接部位設計矩形槽，矩形槽既要約束傳感器，又不能和傳感器周邊黑色保護膠干涉，矩形槽深度是1個關鍵參數，最初設計的1.5mm矩形槽在試采集時被撕裂，經過多次驗證，深度2.5mm是1個較合理的選擇，見下圖7。三分力傳感器采用MSC公司的TR3D-B-4500，XYZ 3個方向量程都是20Kn。

2.2 ? 懸置受力載荷譜測量

數據采集前用英斯特朗液壓作動器對懸置三分力精度進行校核，如圖8所示，作動器實際加載力8071.8N，三分力傳感器測試力值8055.14N，兩者誤差0.2%，考慮到系統及裝夾誤差，精度非常高，滿足試驗要求。

測試按照整車壞路耐久規范進行，主要包括石塊路、坑洼路、搓衣板路、凸塊路等路面，共720個循環。力的方向按照整車坐標系方向定義，測試信號為左右懸置3個方向的力，見下圖9和圖10。對于螺栓聯接來說，動態的橫向載荷比軸向載荷更能引起其松動[11]-[12]，同時從時域數據可以看出，和Z方向比，X方向幅值較小，損傷貢獻很小，所以Z方向是主要影響載荷。共采集了3個有效樣本量，數據一致性較好，沒有尖峰毛刺及漂移，選擇其中一組數據左側Z向進行分析。

3 ? ?載荷譜處理與臺架試驗

3.1 ? 疲勞載荷譜編輯基本原理

載荷譜是具有統計特性的圖形，它能本質的反映零部件在各種工況下所受的載荷隨時間而變化的情況[13]。載荷譜采用雨流計數法對隨機載荷歷程進行統計，得到指定載荷級數下的幅值、均值，頻次等信息，疲勞破壞的過程是材料在循環載荷作用下損傷逐漸累積的過程，根據Miner線性疲勞累積損傷理論，選擇合適的S-N曲線，計算得到信號的偽損傷值。偽損傷值并不用于計算真實壽命，其本身并無明確意義，主要是用于計算載荷譜數據縮減前后的“相對損傷系數”[14]-[15]。

采用時域損傷編輯方法刪除低幅值、大循環載荷，并對編輯前后數據進行頻率和損傷對比，基于編輯后的隨機信號進行臺架試驗，加速試驗同時保證了頻率及損傷的一致性。具體的數據處理分析過程采用Ncode Glyphworks軟件進行。

3.2 ? 時域信號編輯處理

按照疲勞理論，對損傷貢獻大的工況主要是一些幅值較大工況，而大量的低幅值、大循環的載荷對損傷的貢獻很小，甚至為零。如下圖11懸置力損傷直方圖和雨流直方圖可以看出，圖形左側有大量的低幅值信號，但對損傷幾乎沒有貢獻;圖12懸置力時域信號及損傷時域圖也可以看出，只有幅值較高的信號才對損傷貢獻較大。

選擇保留95%的總損傷，刪除中小損傷時間段的信號，比如連接路面及一些小幅值工況，原始信號長度為1517秒，刪除后信號為152秒。在信號刪除后，前后保留的信號可能存在信號跳躍，因此需要采用平滑曲線進行處理，比如Halfsine，連接長度0.1秒。

3.3 ? 編輯前后信號對比

對編輯后信號和原始信號進行對比，主要包括編輯前后的頻率特性、雨流統計分布、損傷值對比。

從上圖中14可以看出，編輯前后頻率特性基本沒有改變，保證了可能失效模式一致性。圖15可以看出，編輯前后的雨流分布在大幅值區域完全一致，而損傷貢獻很小或為零的小幅值部分大大減少。如下表1所示，為保證總偽損傷基本一致，臺架試驗循環次數由720次增加為760次;編輯后總時間由304小時壓縮為32小時，壓縮時間89.5%。綜上，基于損傷的時域編輯加速技術可以綜合考慮損傷量保持、時域壓縮、頻率失真控制、雨流大幅值分布一致等等各方面因素，加速度效果理想。

3.4 ? 臺架試驗結果

采用英斯特朗液壓作動器系統，按照編輯后的時域隨機譜進行加載。原狀態懸置螺栓為磷化、安裝面電泳漆、設計扭矩75±10Nm，改進方案從螺栓表面處理工藝、安裝扭矩、安裝面有無電泳漆幾個方面進行臺架試驗驗證。如圖16所示，原狀態螺栓在臺架和路試試驗都是根部斷裂失效，失效模式一致。

從下表2可以看出，電泳漆對試驗結果影響最大，是造成螺栓松脫斷裂的主要原因，安裝扭矩和螺栓表面處理工藝也是影響因素之一，根據臺架試驗結果，選用達克羅、無電泳漆、設計扭矩75±10Nm為最終改進方案，該方案通過了后續追加的整車耐久試驗。

4 ? ?結論

本文以整車耐久性規范為目標，對某輕卡車型發動機懸置螺栓失效故障進行了研究，分析了螺栓的失效原因并提出了改進方案，得到了一套適用于發動機懸置螺栓疲勞損傷分析的方法，得出了以下結論：

（1）通過重新設計改制內嵌三分力傳感器的懸置支架測量懸置力，測試結果準確可靠。

（2）建立了一套基于時域損傷編輯理論的臺架加速方法，該方法通過去除低幅值、小載荷信號，保證總損傷一致前提下，壓縮時間89.5%，壓縮前后載荷頻率、幅值、損傷特性基本沒有改變。

（3）最后，以該隨機譜進行臺架試驗，失效模式與路試一致，并對改進方案進行了驗證，最終改進方案通過了后續追加的整車耐久試驗。該方法并不限于懸置螺栓，對懸置支架本體，以及諸如擺臂、彈簧等其它汽車零部件分析同樣適用。

參考文獻：

[1]Ian M Austen，林曉斌. 加速疲勞試驗的疲勞編輯技術[J]. 中國機械程，1998，9（11）：27-30.

[2]李鴻鈞，鄭松林，馮金芝. 基于加速度信號的懸置螺栓疲勞壽命研究[J]. 機械強度，2018，40（1）：189-194.

[3]Heuler P，Klatschke H. Generation and use of standardized load spectra and load-time histories[J]. International Journal of Fatigue，2005，27：974-990.

[4]楊真亮. 基于實際載荷譜的汽車變速器臺架強化試驗方法研究[D]. 重慶：重慶大學，2016：47-73.

[5]Miner M A. Cumulative damage in fatigue. Journal of Applied Mechanics，1954，64：159-164.

[6]張新宇. 車輛結構試驗場疲勞耐久試驗規范及臺架試驗研究[D]. 北京：清華大學，2014：59-62.

[7]石乃良，王歡銳，周錦. 達克羅涂層對STR車輪螺栓防腐性能的影響[J]. 汽車實用技術，2010（5）：65-67.

[8]曹增強，佘公藩，林水福. 螺栓連接當量摩擦系數的試驗研究[J]. 機械科學與技術，1994，49（1）：93-97.

[9]徐科軍，楊雙龍，張進等. 桿式風洞應變天平動態實驗、建模與補償[J]. 儀器儀表學報，2009，30（10）：2123-2130.

[10]D A Barsness. Unlocking the secrets of thread-Lock-ing. Assembly Engineering，1990，1.

[11]Junker G H. New criteria for self-loosening of fastener under vibration[J]. SAE，Transaction，1969，78：314-335.

[12]沈英明，杜彥良，李惠軍. 螺紋聯接防松方法研究綜述[J]. 石家莊鐵道學院學報，2002，15（4）：84-87.

[13]王永冠，李心，卜繼玲. 一種軌道機車車輛用橡膠關節疲勞試驗載荷譜的編制方法[J]. 機車電傳動，2009（4）：54-57.

[14]Praveen Kumar P，Prakaash J，Kumar Palanisamy. Optimization of Proving Ground Durability Test Sequence Based on Relative Damage Spectrum [J]. SAE，2018-01-0101.

[15]葛文韜，黃暉，劉洲. 一種加速多體動力學模型虛擬迭代的載荷譜編制方法[J]. 中國機械工程， 2019-09.