試驗場道路載荷譜轎車后橋復現試驗評價

摘要：基于線性疲勞累積損傷理，通過采集試驗場道路載荷譜，對轎車后橋載荷進行了復現試驗，提出了一種新的載荷譜編制方法。通過與原載荷譜編制方法計算的損傷和標準載荷譜計算得到的損傷進行對比，驗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，通過迭代得到試驗機激勵信號后進行后橋疲勞壽命試驗，試驗結果驗證了該方法的適用性。

關鍵詞：轎車后橋；道路載荷；耐久性試驗；疲勞壽命

0 前言

在汽車產品開發設計階段，機械零部件的疲勞和耐久性評價是其中一個重要環節[1]。用于疲勞壽命預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程中會承受復雜的交變載荷，通過這些方法預估的疲勞壽命與實際疲勞壽命具有較大差異。

機械零部件的疲勞和耐久性試驗一般分為用戶道路試驗、試驗場試驗和實驗室臺架試驗三類。鄭松林等[2]基于用戶道路和試驗場道路的載荷數據，建立了一種基于載荷頻率損傷的等損傷模型。為了縮減零部件開發成本和時間，通常將試驗場采集的道路載荷通過迭代應用到臺架實驗中[3-5]。根據裝載機驅動實際扭轉特性，梁佳等[6]提出了驅動橋疲勞試驗前傳動軸正反加載的方法，確定了疲勞試驗時的轉速。另外，朱淮烽等[7-9]以Miner法則為基礎，研究了低載強化特性對疲勞壽命的影響。姚志剛[10]以軸類零件為低載強化特性的研究對象，建立了零件的應力-壽命曲線和低載強化三維曲面，為其壽命計算提供了數據基礎。但以上研究均未充分考慮實際工況的復雜性和多樣性，還存在試驗數據準確性和模型驗證等問題。本文以某轎車后橋為研究對象，基于試驗場典型道路載荷譜獲得迭代所需的目標信號，提出新的載荷譜編制方法，并通過對后橋進行道路載荷模擬試驗，來評價其適用性。

1 載荷譜采集

后橋是汽車傳動系統中的最后一個總成，在車輛行駛過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，基于道路模擬試驗對其進行耐久性評價十分必要。根據有限元分析方法可得到后橋在不同工況下的受力情況，從而確定疲勞試驗中后橋可能斷裂的位置，獲得載荷譜測點的位置，如圖1所示。后橋載荷譜測點對應的測試項目及貼片位置見表1。

根據GT/T 12678—1990 《汽車可靠性行駛試驗方法》和GB/T 12534—1990 《汽車道路試驗方法通則》等標準進行試驗。本文使用的載荷譜為某汽車試驗場耐久性試驗不同典型路面所采集的載荷信號數據。道路載荷試驗的采樣頻率為512 Hz。

2 載荷譜編制方法對比及壽命預估

2. 1 載荷譜編制方法對比

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行對比，驗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為方法一，新的載荷譜編制方法設為方法二。

以左前輪側向力信號（LR_WFT_Fy）為例，分別采用方法一和方法二編制載荷譜，并與標準載荷譜迭代損傷進行對比，結果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出：通過方法二制定的載荷譜與標準載荷譜的迭代結果基本吻合。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為例，對不同編譜方法計算得到的損傷進行了對比，對比結果見表2。由表2可以看出：通過方法二得到的總損傷和標準載荷譜得到的總損傷幾乎相同，通過方法一得到的總損傷則為標準載荷譜得到損傷的86%。因此，方法二載荷譜編制方法更為可取。

2. 2 后橋疲勞壽命預估

3 臺架試驗構建與規范

基于方法二對后橋進行疲勞壽命試驗，疲勞試驗臺架如圖5所示。將通過方法二編制的載荷譜通過車輪六分力對后橋進行加載。車輪力的信號通過六分力測量輪獲取，通過迭代得到試驗機激勵信號。試驗機激勵信號的力和力矩的方向如圖6所示，激勵信號的載荷見表3～表4。

4 試驗結果

后橋臺架疲勞試驗的結果如圖7～圖11所示，后橋的失效部位發生在橫梁和加強筋的焊接部位，與應變片貼放位置相對應。在試驗循環達到179次時，右制動液軟管開始損壞，如圖7所示。在試驗循環達到181次時，軸和軸承之間的螺栓松動，如圖8所示。在試驗循環達到241次時，左側加強板的底部出現裂紋，裂紋長度為3 mm；繼續增加1次循環，裂紋長度增加至5 mm，如圖9所示。當試驗循環達到287次時，后橋左側減振器出現泄漏，如圖10所示。當試驗循環達到301次時，主軸體材料出現2處裂紋，且裂紋幾乎對稱，同時左減振器螺栓彎曲。其中，增強板的左下方裂紋長度為7 mm，右下方裂紋長度為10 mm（零件失效），如圖11所示。

根據方法一進行疲勞試驗，當左下加強支架焊縫裂紋擴展到10 mm時，試驗循環進行了220次。

表5為2種編譜方法的試驗疲勞壽命與理論疲勞壽命的對比。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，進一步驗證了該方法的可靠性。

5 結語

本文以某轎車后橋為研究對象，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，以及標準載荷譜在左前輪側向力信號（LR_WFT_Fy）通道下計算得到的損傷進行對比。結果表明：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準載荷譜得到的總損傷，驗證了新的載荷譜編制方法的有效性。基于新的載荷譜編制方法，迭代得到試驗機激勵信號，并進行道路模擬臺架試驗。通過與后橋理論疲勞壽命進行對比，通過新的載荷譜編譜方法得到的試驗疲勞壽命更接近于理論疲勞壽命，驗證了新方法的適用性。

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