轎車懸架臺架多軸疲勞試驗載荷開發

劉再生 霍福祥 王長明 李 響 趙 晉

（中國第一汽車股份有限公司技術中心汽車振動噪聲和安全控制綜合技術國家重點實驗室）

1 前言

汽車零部件試驗室臺架疲勞試驗具有試驗周期短、試驗結果重復性好等優點，因而已成為應用最廣泛的汽車疲勞試驗方法[1]。有效的零部件臺架疲勞試驗可重現實際使用中的故障和在較短時間內完成試驗，對于承受多軸工作載荷的汽車零部件，通常只有進行多軸隨機加載臺架試驗才能真實復現道路行駛載荷，重現實際使用中的故障。電液伺服試驗系統和RPC試驗技術[2，3]的發展為實現臺架疲勞試驗多軸隨機加載提供了良好手段，可利用試驗機制造商提供的臺架多軸疲勞試驗設備進行試驗，也可利用零部件疲勞試驗系統通過作動器和試驗夾具集合實現多軸疲勞試驗[1]。進行有效的臺架試驗還需要合理制定臺架試驗載荷譜，為此，以某C級車前懸架（完整的懸架系統及副車架）多軸疲勞載荷的開發為例，探討了道路載荷譜測試參數和測試工況的確定及載荷譜濃縮的編輯方法，并進行了臺架試驗載荷譜的質量分析。

2 道路載荷譜采集

臺架試驗載荷譜是通過汽車道路測試載荷數據編輯形成的。臺架疲勞試驗要重現實際使用中的故障并實現臺架疲勞試驗的加速性，主要取決于合理的載荷譜測試參數和道路載荷譜測試工況。

2.1 載荷譜測試參數

載荷譜測試參數是臺架疲勞試驗的載荷控制量，載荷譜測試參數可以是試驗件關鍵部位的應變[4]，也可以是試驗件的輸入工作載荷[2，4]。通常試驗件的應變較容易測試，但以此應變作為試驗載荷控制量存在缺點，因為零件的應變與零件的幾何形狀、應力集中、表面處理、材料性能、焊接質量等特性密切相關，當部分特性發生改變（如進行零件質量改進時）時零件的應變也隨之改變，由此產生的臺架試驗周期也會發生變化。另外，試驗件的輸入載荷控制比關鍵部位應變控制能更全面重現試驗件各部位的工作應力和應變。理想情況下，產品驗證試驗載荷和周期是獨立的試驗件任何部分的具體設計，試驗載荷和周期應該只依賴于產品的開發目標（公路、越野路或市區道路行駛等使用條件和壽命里程）。

通常汽車零件多軸載荷測量較困難，而車輪六分力傳感器的引入為轎車懸架工作載荷測試提供了方便。車輪載荷作為轎車懸架載荷輸入，不僅可重現懸架各組件的工作應變循環，同時基本上獨立于任何零件的特定設計，組件屬性的改變（如一個缺口半徑或焊接工藝改變）對懸架載荷的影響很小，車輪載荷只有在懸架系統的動態特性 （固有頻率和阻尼比）改變時才會發生顯著變化。試驗用C級車車輪載荷的測試采用了MTS公司生產的車輪六分力傳感器，其可準確測試路面對車輪在3個坐標方向的作用力 Fx、Fy、Fz和力矩 Mx、My、Mz，其安裝位置如圖1所示。

2.2 道路載荷譜測試工況

近年來，某汽車制造廠采用關聯用戶用途的試車技術[5]建立了各系列車型的汽車承載系耐久性道路行駛規范，該類規范通過汽車試驗場各種典型路面與不同車速行駛和制動、轉彎等工況下的組合，以及與用戶車載荷、行駛道路和路況、車速、操作方法等使用條件相關聯，實現了道路試驗與用戶使用損傷情況較好的一致性，并具有10倍以上的試驗加速系數。因此，采用關聯用戶用途的汽車耐久性道路行駛規范，在汽車試驗場對某C級車載荷譜進行了測試。該測試方法不僅可節省測試時間和費用，同時也利于臺架試驗載荷的強化。圖2為汽車耐久性試驗規范中工況4（最大載荷工況）時的左前車輪測試載荷時間-歷程信號，該工況包括卵石路、比利時路、扭曲路等不平路段的行駛、制動和轉彎等大載荷情況。

3 疲勞載荷譜編輯

疲勞載荷譜編輯是指對測試載荷數據進行濃縮處理，以達到臺架試驗加速的目的。載荷譜的編輯可通過計算機自動處理和人工分析共同完成。

3.1 疲勞載荷譜編輯基本原理

圖3和圖4分別為雨流計數原理和損傷當量幅值折算與累積損傷計算圖。對測試的時間-歷程信號進行雨流計數[6]得到各級載荷幅值和循環次數，通過S-N曲線[7]和Miner累積損傷理論可計算測試信號的偽損傷和進行損傷當量不同幅值下的循環次數折算。基于這種疲勞損傷理論，可通過刪除測試信號中的小幅值信號或放大信號幅值及提高試驗頻率等方法達到縮短試驗時間的加速試驗目的[8]。為避免載荷增大造成零件損傷機理發生改變，不推薦在臺架試驗中放大載荷信號[2，8]。對于多軸載荷譜的編輯要保持濃縮信號相位不發生改變。

對于多軸載荷濃縮，通常采用峰谷值編輯或時間域編輯[9，10]。目前有多種商品軟件可實現這2種濃縮方法的信號自動處理。該C級車車輪載荷譜的編輯采用了FEMFAT LAB軟件。

3.2 峰谷值編輯

峰谷值編輯時，首先設定門檻值，然后刪除測試信號中低于門檻值的小幅值循環信號。此編輯方法可大大縮短信號長度，同時保持各軸（通道）載荷信號峰值相位不變。由于此種編輯信號頻率發生改變，不適合自由體振動類型的臺架疲勞試驗。

取門檻值為最大幅值的5%，對工況4情況下的C級車左前車輪測試載荷進行峰谷值編輯，結果如圖5所示。由圖5可看出，信號長度由487 s（圖2）縮短到83 s，時間濃縮了83%，偽損傷減少小于1%。

3.3 時間域編輯

沿時間軸計算各軸（通道）的疲勞損傷，以信號損傷或長度等參數為濃縮目標，同步刪除所有通道數據中小損傷時間段的信號。一段信號刪除后，可能在前、后保留信號的連接處有的信號跳躍，因此需要采用平滑曲線對保留信號進行連接。由于該種編輯方法是整段刪除小損傷區域信號，所以保留部分的信號不會發生任何改變。

取長度25%為信號濃縮目標，對工況4情況下的C級車左前車輪測試載荷進行時間域編輯，圖6為濃縮編輯結果。由圖6可看出，濃縮信號損傷為原始信號的90%；卵石路段和比利時路段行駛為損傷的主要組成部分；制動等低頻大幅值信號在時間上沒有濃縮。

3.4 低通濾波與頻率分析

電液伺服試驗系統有一定工作頻率范圍。根據實際使用的疲勞試驗系統的工作頻率特性，需要對驅動載荷信號進行40Hz低通濾波，以去掉高頻信號。圖7為C級車左前輪縱向載荷Fx原始測試信號、編輯信號和編輯信號的濾波信號的功率譜密度曲線。由圖7可看出，時間域編輯信號的能量頻率分布與原始測試信號相近；由于高頻區域能量增大，峰谷值編輯信號的能量頻率分布發生了明顯改變；低通濾波會產生信號強度的一定降低，特別對峰谷值編輯信號有較大影響。

3.5 編輯信號質量檢查

臺架試驗可重現實際使用中的故障，在對多軸載荷信號進行編輯時，除要保持各載荷相位關系不變外，還要盡量保持各軸濃縮載荷對原始測試載荷的相對損傷相同（各軸載荷均勻濃縮）。圖8為各軸載荷濃縮和濾波信號與測試信號相對偽損傷及其均值和標準差計算結果，時間域濃縮信號強度與峰谷值濃縮信號相近，時間域濃縮信號各軸載荷濃縮均勻性優于峰谷值濃縮信號。由此可知，時間域濃縮信號質量優于峰谷值濃縮信號。通過多軸雨流分析（圖9）也可方便和全面地完成編輯信號質量檢查。

3.6 形成臺架試驗載荷譜

根據以上載荷譜編輯分析，以時間域編輯為基礎形成臺架試驗載荷譜。臺架試驗載荷譜以卵石路段、比利時路段和制動及轉彎等大損傷工況為主。對制動、轉彎等特殊工況在時間域編輯時沒有濃縮的部分信號進行頻率濃縮的特殊處理，以縮短試驗時間，結果見圖10。最終形成的臺架試驗載荷譜各軸載荷與測試載荷一致性良好（見圖11），用戶行駛30萬km損傷當量的臺架時間為166 h。

4 結束語

以某C級轎車懸架零部件的試驗載荷開發為例，探討了多軸疲勞載荷譜濃縮的編輯方法、臺架試驗載荷譜的質量檢查技術及載荷測試參數和道路載荷采集工況的確定。選擇合理的試車規范在試車場進行載荷譜測試利于臺架試驗加速。以車輪載荷為測試參數，當懸架零件發生一定改變時，臺架試驗載荷譜仍然有效。濃縮載荷譜質量分析是臺架多軸疲勞試驗載荷開發的重要環節。質量分析表明，案例中的C級車懸架時間域編輯載荷譜優于峰谷值編輯載荷譜。以時間域編輯為基礎，結合本文提出的特殊載荷頻率濃縮處理，該C級車懸架零部件臺架試驗載荷達到了理想的加速效果和各軸損傷的一致性。

1 王霄鋒，田應剛，馮正平，等.轎車前懸架多軸向加載模擬疲勞試驗系統.汽車技術，2001（7）：20～23.

2 Ragnar Ledesma,Leonard Jenaway,Yenkai Wang，et al.Development of Accelerated Durability Tests forCommercial Vehicle Suspension Components， SAE Paper， 2005－01－3565.

3 陳忠良，等.室內整車可靠性道路模擬試驗方法.北京汽車，2005（2）：10～13.

4 孫春方.T－car后橋臺架疲勞試驗研究.汽車技術，2006（1）：23～26.

5 David F Ensor，林曉斌譯.關聯用戶用途的試車技術.中國機械工程，1998，9（11）：24～26.

6 YungLi Lee， Jwo Pan， Richard B Hathaway， et al.Fatigue Testing and Analysis：Theory and Practice，Butterworth －Heinemann，2004.

7 王文閣，等.疲勞壽命曲線特性研究及在汽車部件疲勞試驗優化中的應用.汽車技術，2005（11）：19～20.

8 王秋景，管迪華.汽車零部件加速疲勞試驗方法.汽車技術，1997（1）：14～17.

9 金峰.加速疲勞試驗的疲勞編輯技術探討.上海汽車，1999（2）：17～21.

10 Ian M Austen，林曉斌譯.加速疲勞試驗的疲勞編輯技術.中國機械工程，1998，9（11）：27～30.