轎車底盤零部件疲勞耐久加速試驗載荷譜轉(zhuǎn)化研究

于北溟

（上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805）

中國是汽車產(chǎn)業(yè)大國，2020年中國汽車保有量達到了2.81億輛，較2010年的7 801.83萬輛提升了3倍之多。即便如此，中國的汽車保有量與發(fā)達國家相比還是處于較低的數(shù)量，仍然有巨大的提升空間。習近平總書記曾經(jīng)提出“發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路”。2020年11月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》更是明確了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，中國將會是一個巨大的汽車市場。

一個巨大的汽車市場勢必會增加汽車研發(fā)的需求。雖然新能源汽車不需要在發(fā)動機和變速箱的開發(fā)上投入成本和精力，然而在底盤零部件的開發(fā)上，傳統(tǒng)的燃油汽車和新能源汽車的需求都是巨大的。底盤零部件是汽車重要的部件，可以看成是汽車的骨架。它可以為乘客阻隔來自行駛過程中路面帶來的振動和噪聲。同時副車架、懸掛和搖臂等零部件組成的車橋也是汽車重要的安全部件，它的疲勞可靠性在整車的安全性中扮演著極其重要的角色。

因此，對于底盤零部件的開發(fā)，都需要對其進行結(jié)構(gòu)性能的仿真以及耐久性能的試驗?？简灨避嚰苄阅艿膫鹘y(tǒng)方法為道路測試，需要專業(yè)人員駕駛車輛在不同的路況上進行大約3個月左右的道路耐久試驗，該方法需要耗費較長的時間[1]。因此人們通過研究道路載荷譜，使用雨流計數(shù)法，結(jié)合材料循環(huán)應(yīng)力曲線和疲勞損傷理論，將實際道路載荷等價轉(zhuǎn)換成循環(huán)載荷，并且應(yīng)用于底盤零部件的加速耐久臺架試驗?？梢源蟠罂s短開發(fā)周期和成本。

1 路譜采集

1.1 底盤零部件應(yīng)變片的布置

為了能了解底盤零部件在車輛行駛時受到的影響，首先需要對底盤零部件進行路譜采集。路譜采集的方式有很多種，例如采用加速度傳感器采集對應(yīng)位置的力的情況。這種方式因為只能采集一個方向的力，所以通常將加速度傳感器安裝在汽車負重的輪軸處。通過測量該處的時域加速度來間接計算路面的功率譜。圖1為在輪轂處使用加速度傳感器采集路譜數(shù)據(jù)。

圖1 加速度傳感器

為了完全地反映副車架零部件所受到的力的情況，我們通常使用應(yīng)變片來采集路面對底盤零部件的應(yīng)變。圖2為在控制臂上貼應(yīng)變傳感器采集應(yīng)變信號。在控制臂的兩側(cè)均勻分布2個半橋應(yīng)變片組成一個全橋回路，可以補償溫度和拉壓對數(shù)值的影響，準確地反映出樣件受到的載荷應(yīng)力。圖3為在減震器上張貼應(yīng)變片，可以采集減震器受到的拉壓應(yīng)變，為迭代提供參考。

圖2 控制臂應(yīng)變片

圖3 減震器應(yīng)變片

1.2 應(yīng)變片的標定

在需要采集應(yīng)變的底盤零部件上貼好應(yīng)變片后，需要進行應(yīng)變片的標定，從而獲得力和應(yīng)變的關(guān)系。圖4為控制臂應(yīng)變片的標定臺架?？刂票鄣囊欢斯潭ㄔ诹⒅?，另一端通過U型夾具和力傳感器連接。傳感器的左側(cè)通過導(dǎo)向和作動缸連接。

圖4 控制臂應(yīng)變片標定臺架

使用作動缸給予控制臂一定范圍內(nèi)的載荷，通過數(shù)據(jù)采集器讀出應(yīng)變信號和力傳感器的力信號繪制出控制臂的載荷-應(yīng)變曲線，如圖5所示。橫坐標為控制臂受到的載荷，kN。縱坐標是控制臂上的應(yīng)變信號，mv/v。當應(yīng)變片產(chǎn)生形變時，其電阻值會發(fā)生變化，根據(jù)所提供的激勵電壓可以得到一個響應(yīng)電壓的值，這樣就將電阻值的變化量轉(zhuǎn)化為了電信號的變化。

圖5 控制臂載荷-應(yīng)變曲線

1.3 道路載荷譜采集

將貼有應(yīng)變片的零部件安裝回試驗車內(nèi)，并將試驗車輛放置于四立柱試驗室并播放測試道路譜（如圖6所示），可以得到底盤零部件在該測試路段的道路載荷譜。

圖6 四立柱試驗室采集道路載荷譜

四立柱試驗室可以在室內(nèi)對車輛進行道路模擬。在車輛的四輪下面分別有四個作動缸，通過播放迭代好的道路載荷譜信號可以使作動缸對車輛四個輪胎產(chǎn)生作用力，真實模擬車輛在實際道路行駛的狀況。從而得到底盤零部件在試驗車輛行駛過程中的時間-應(yīng)變曲線。再結(jié)合底盤零部件應(yīng)變片的標定結(jié)果，可以得到該零部件的道路載荷譜，如圖7所示。橫坐標為時間，縱坐標為底盤零部件在車輛行駛過程中受到的作用力。

圖7 底盤零部件道路載荷譜

獲得了道路載荷譜之后有兩種方法考察該零部件疲勞壽命和失效形式。第一種方法是迭代法：首先根據(jù)實車將信號篩選濾波后用專業(yè)的工程軟件進行模擬，模擬出來的信號可以通過作動缸在臺架上進行播放。該方法的好處是實際試驗過程中可以極大程度地還原零部件在實車行駛過程中受到的作用力，缺點是非常耗時，因為即使是濾波后的信號中也夾雜著非常多對零部件本身壽命沒有影響的小信號。因此在某些場合下，為了快速考察零部件疲勞壽命和失效形式，可以通過疲勞理論將該隨機道路載荷譜轉(zhuǎn)化為幅值一定的定載荷。該定載荷對零部件的作用效果和原隨機道路載荷譜基本一致，并且可以大大縮短試驗時間，降低成本。

2 疲勞理論介紹

2.1 材料S-N曲線介紹

S-N曲線反映了樣件載荷和壽命的關(guān)系?？v坐標S代表的是循環(huán)應(yīng)力，橫坐標N表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，如圖8所示。

圖8 S-N曲線

S-N曲線可以真實地反映出材料疲勞載荷和壽命的關(guān)系。通過材料S-N曲線，再結(jié)合樣件的載荷譜，可以計算出零部件的損傷率和壽命[2]。

典型的S-N曲線公式：

式中，La為應(yīng)力幅，通常等于應(yīng)力范圍的一半。應(yīng)力范圍指的是一個循環(huán)中最大應(yīng)力Lmax與最小應(yīng)力Lmin的應(yīng)力差。以圖7載荷信號極值為例，最大應(yīng)力力Lmax=12.8 kN，最小應(yīng)力Lmin=-11.2 kN，則最大應(yīng)力幅LaMAX=。N表示在某個應(yīng)力幅La的狀況下的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，C是疲勞強度直線的常數(shù)，k是疲勞強度直線的斜率。這兩個系數(shù)可以通過回歸分析得出。

2.2 雨流計數(shù)法

由于采集得到的道路載荷譜是一段非周期性的隨機時域信號，通過迭代可以實現(xiàn)道路載荷譜在臺架上的模擬。然而通過雨流計數(shù)法，將采集得到的道路載荷譜簡化為若干個循環(huán)次數(shù)確定的定載荷，通過疲勞累積損傷理論估算，可以制定出正弦循環(huán)載荷和次數(shù)，大大簡化了試驗的迭代，實現(xiàn)在短周期內(nèi)模擬底盤零部件的疲勞過程。圖9為將采集得到的道路載荷譜進行雨流計數(shù)法后得到的統(tǒng)計結(jié)果。其中Y軸為該道路載荷譜的均值，Z軸為出現(xiàn)的循環(huán)數(shù)，X軸為幅值。

圖9 道路載荷雨流圖

2.3 疲勞累積損傷理論

在循環(huán)載荷的交變作用下，每一段循環(huán)的疲勞損傷會積累并產(chǎn)生作用。Miner損傷累計理論認為每一段循環(huán)載荷都會產(chǎn)生對應(yīng)的疲勞損失量。當汽車行駛在路面上的時候，路面對汽車產(chǎn)生的激勵會使底盤零部件產(chǎn)生交變應(yīng)力。在這個過程中，疲勞損傷逐漸累積，當累積到一定程度后，疲勞破壞就會發(fā)生。疲勞損傷累計的公式：

式中，D為總損傷，Di為各個交變載荷Lai造成的損傷，ni為交變載荷Lai作用的循環(huán)次數(shù)，Ni為底盤零部件在該載荷的作用下的疲勞壽命。圖10為道路載荷譜在x-y面的平面分布圖，橫坐標和縱坐標分別表示載荷的幅值和均值。方格內(nèi)的數(shù)字表示該循環(huán)載荷的循環(huán)次數(shù)。

圖10 道路載荷分布平面圖

2.4 載荷譜編制

結(jié)合S-N曲線計算公式（1），首先定義一條偽損傷曲線公式。其中C=105，k=4。將雨流圖得到的各應(yīng)力幅值帶入公式（1）中可得到該應(yīng)力幅值的疲勞循環(huán)次數(shù)N。再結(jié)合式（2）以及該應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)可以得到此應(yīng)力幅級對應(yīng)的損傷。以最大應(yīng)力幅為例，LaMAX=12 kN，可以得出NMAX=4.822，該應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)nMAX=1，則該循環(huán)載荷造成的損傷為DMAX=0.207。以此類推，得到該道路載荷譜造成的總損傷為D=1.058。隨后根據(jù)式（1）以及式（2）可得：

定義轉(zhuǎn)化后的定載荷循環(huán)次數(shù)n=5 000，將D，n，C以及k的值代入式（3），可以得出轉(zhuǎn)化的定載荷幅值La≈2.145 kN。該隨機道路載荷譜被轉(zhuǎn)化為了定載荷，如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)化后定載荷譜

3 結(jié)論

本文概述了底盤零部件加速疲勞試驗載荷譜的獲取方式。首先對目標樣件進行道路載荷譜的采集。通過貼應(yīng)變片的方式，記錄底盤零部件在車輛行駛過程中發(fā)生的應(yīng)變。再通過標定得到的比例系數(shù)得到一條載荷-時間的隨機路譜信號。然后使用雨流計數(shù)法對這條隨機路譜信號進行分析，可以拆解成有限個循環(huán)載荷。隨后結(jié)合疲勞損傷累計理論，可以計算出一個應(yīng)力幅一定的循環(huán)載荷。這個方法可以有效的縮短試驗時間，降低成本，快速考察出樣品的疲勞壽命以及失效形式。