輪心六分力作用下懸架疲勞載荷譜提取

沈 磊 張守元 郁 強

（上海汽車集團公司商用車技術中心研究院）

1 前言

現代機械工業中，有80%以上的結構強度破壞由疲勞破壞造成[1]，隨著機械產品運轉速度提高，疲勞破壞更加普遍。車身是汽車的主要承載部件，尤其轎車、客車等承載式車身，是懸架、發動機和車身附件的安裝基礎，承受來自路面、發動機等的各種交變載荷，其疲勞強度性能對保證汽車產品安全和可靠性至關重要。近年來綜合有限元方法和多體動力學的車身耐久性CAE分析研究取得一定進展，清華大學朱濤等通過同時測取4個車輪的六分力數據，進行了白車身和焊點疲勞壽命分析[2，3]。由于六分力儀價格昂貴，同時測取4個車輪六分力試驗成本過高，本文結合國內某汽車集團新型客車開發項目，單獨對前、后車輪測取六分力信號，采用前、后懸架動力學模型提取車身連接點載荷，并對方法準確性進行了驗證。

2 道路載荷譜采集

對開發過程中的某輕型客車進行道路耐久性試驗，分別在該客車前輪和后輪輪心處安裝六分力傳感器和加速度傳感器，測量車輛在各種路面行駛時輪心 3 個方向承受的力（Fx、Fy、Fz）、力矩（Mx、My、Mz）和轉向節頂部加速度（Ax、Ay、Az）數據，其中左前輪六分力傳感器如圖1所示。

試驗在國內某試車場進行，分別在車輛空載和滿載狀態下測試，試驗路面包括強化壞路、高速跑道、鄉村壞路等9類，強化壞路又分為卵石路、條石路、搓板路等11種。通過GPS衛星測取的試驗車輛一般公路路面行駛路線如圖2所示，此段公路為加積鎮至博鰲鎮連接路段，瀝青路面，該路段路面寬闊，較為平直，符合A級路面試驗要求。

強化壞路下通過數據采集儀獲取的右前輪六分力垂向力信號如圖3所示。

3 白車身疲勞壽命計算

白車身疲勞壽命計算需要獲取結構單位載荷應力場、車身連接點載荷譜和材料疲勞性能曲線3個輸入條件。采用局部應變法，即應用材料的應變-壽命曲線（ε-N曲線）進行疲勞壽命計算是目前廣泛應用的方法，該方法能有效計入缺口、焊縫、應力集中等現象所產生的局部循環塑性變形效應。

局部應變法表達式為：

式中，εa為應變幅值；σa為應力幅值；E為彈性模量；K為循環強度系數；n為循環應變硬化指數。

1945年Miner提出的Palmgren-Miner線形累計損傷法則是應用最廣泛的疲勞損傷理論[4]，該理論假設試樣所吸收的能量達到極限值W時產生破壞，在此假設下，若作用在試樣上的加載歷史由m個不同應力水平構成，各應力水平下的循環次數為n1、n2、…、nm，疲勞壽命為 N1、N2、…、Nm，則線形疊加總損傷為：

當D=1時，試樣吸收的能量達到極限值W，試樣破壞。

基于式（1）、式（2），并結合循環應力-應變曲線和材料ε-N曲線，便可計算隨機載荷作用下的構件疲勞壽命[5～7]。

4 車身連接點載荷譜提取

對車身進行疲勞壽命分析時需要提供鋼板彈簧、扭桿、減振器等10處懸架與車身連接點載荷譜，由于耐久性試驗中前、后車輪六分力并非同時提取，若在整車多體動力學模型中將此作為輸入，會由于靜態不平衡導致仿真失敗。本文通過MSC.Adams軟件建立試驗車輛前、后懸架多體動力學模型如圖4、圖5所示，其中穩定桿和多片鋼板彈簧采用梁單元模擬，調整前、后懸架剛度和阻尼與實車一致。單獨對前、后車輪進行六分力加載，獲取車身連接點載荷。

為驗證仿真結果準確性，分別比較了前懸架模型添加/不添加輪胎、車身連接點固定和施加簧載質量4種分析方法。車身疲勞破壞大多發生在滿載狀態下強化壞路和鄉村壞路兩種路面，為加快疲勞分析，只用此兩種路面下滿載狀態測取的六分力數據進行加載，輸出車身連接點3個方向的力和力矩，同時輸出與試驗測點對應的轉向節頂部加速度，以方便與試驗數據進行對比驗證。

以鄉村壞路測取的兩前輪六分力數據作為輸入，得出轉向節頂部垂直Z向加速度仿真結果如圖6a所示，從圖6a中可以看出，不添加輪胎時加速度響應明顯偏大，10 s內的加速度均方根值為6.913 m/s2，比添加輪胎的加速度均方根值4.603 m/s2大33.42%。在相同輸入條件下分別對添加輪胎、車身連接點固定前懸架模型和添加輪胎、車身連接點施加簧載質量前懸架模型進行分析，轉向節頂部垂直Z向加速度仿真結果如圖6b所示，從圖6b中可以看出，兩者結果基本一致，連接點固定模型10 s內加速度均方根值為4.603 m/s2，施加簧載質量模型10 s內均方根值為4.947 m/s2，頻域內最大峰值都出現在0.5 Hz，說明將車身連接點固定進行載荷提取對分析結果影響不大。將車身連接點固定模型得出的轉向節頂部垂向加速度分析結果與相應試驗結果比較，10 s內時域數據如圖7所示，加速度均方根值試驗結果為4.155 m/s2，加速度均方根值仿真結果為4.603 m/s2，兩者相差9.7%。頻域數據如圖8所示，峰值頻率均在0.5 Hz，說明利用添加輪胎的前懸架模型進行疲勞載荷提取，將車身連接點固定，無須考慮簧載質量即能夠取得與試驗一致的分析結果。利用該模型仿真提取的左前懸架車身連接點垂向載荷與試驗測取的左前車輪六分力垂向輸入力比較，截取1 s內時域數據如圖9所示，實線表示仿真結果，為疲勞計算所需載荷譜，虛線為試驗數據，可以看出兩者幅值大小基本一致，傳遞至車身連接點的垂向力稍大于輪心作用力，且存在一定時間延遲。

5 結束語

在新車型開發期間，以道路試驗測取的車輪六分力數據作為輸入進行車身疲勞耐久性仿真分析，通過前、后道路試驗結果對比確定結構優化修改對車身疲勞特性的影響，可節省研發時間和費用，而準確獲取車身連接點載荷是分析結果可信的關鍵。本文以開發中的某輕型客車為平臺，研究了利用懸架模型進行車身連接點載荷提取的方法，分析了多種懸架模型方案及其仿真結果并與試驗結果進行對比，得到一種能夠準確提取車身連接點載荷的懸架多體動力學仿真方法。該方法只需對前、后車輪六分力分別測量，對降低試驗成本、提高車身疲勞分析結果可信度具有重要意義。

1 Payer E.Simulation Techniques for Fatigue and NVH Optimization of Motor Sport Engines.SAE Paper，962501.

2 David Ensor， Chris Cook， Marc Birties.Optimizing Simulation and Test Techniques for Efficient Vehicle Durability Design and Development.SAE Paper，2005-26-042.

3 朱濤，宋健，李亮.基于實測載荷譜的白車身疲勞壽命計算.汽車技術， 2009（5）：8～11.

4 楊王玥.材料力學行為.北京：化學工業出版社，2009.

5 Rupp A.Computer Aided Dimensioning of Spot-welded Automotive Structures.SAE Paper 950711.

6 王攀.SC6350白車身疲勞壽命臺架試驗方法的研究：[學位論文].重慶：重慶大學，2004.

7 翠玲，高云凱，李翠，高冬.燃料電池大客車車身疲勞壽命仿真分析.汽車工程，2010（32）：7～12.