基于BLOCKCYCLE Test路譜的汽車控制臂襯套疲勞試驗數據處理

田玉冬，　鄔建海，　方守杰，　段　峰

(1. 上海電機學院, 汽車學院, 上海 201306;

2. 上海眾力汽車部件有限公司, 上海 201506)

?

基于BLOCKCYCLE Test路譜的汽車控制臂襯套疲勞試驗數據處理

田玉冬1，2，鄔建海1，2，方守杰2，段峰2

(1. 上海電機學院, 汽車學院, 上海 201306;

2. 上海眾力汽車部件有限公司, 上海 201506)

摘要：利用路譜提取載荷譜，用于控制臂襯套的臺架試驗。通過采用測試軟件數據處理的方法，對復雜的路譜進行編輯、雨流計數及損傷評估等方法以獲得適合簡單臺架的試驗條件，從而完成高性價比的控制臂襯套疲勞試驗。

關鍵詞：汽車零部件; 疲勞試驗; 數據處理; 軟件計算; 偽損傷

隨著汽車越來越成為大眾消費品，中國的汽車市場越來越受到重視[1]。大眾的消費理念和對汽車質量的認知也越發成熟[2]。汽車作為一種耐用商品，人們對汽車的使用壽命也提出了更高的要求[3]。隨著汽車行業競爭的加劇，延長“三包”周期也成常態[4]。因此，如何在后期的產品質量管理中提高產品的耐久性，已成為汽車結構件廠商研究的一個難題。

在汽車結構件強度或使用壽命的認可過程中，往往通過實車的路試來驗證[5]。但是，實車驗證的周期長、費用高，故主機廠一般要求零部件廠完成臺架試驗[6]，一些有實力的主機廠會提供路譜給零部件廠以便完成臺架試驗[7]。臺架試驗是目前汽車零部件廠的主要手段，但是，主機廠一般提供的是實際的路譜，不能適應后期量產控制的需要[8-10]，而將連續的時域譜轉化成塊譜以適合大多數的臺架試驗機，使用BLOCKCYCLE軟件計算是一種有效的方式。本文研究從路譜中提取載荷譜用于控制臂襯套的臺架試驗，采用美國力學測試與模擬(Mechanical Testing and Simulating, MTS)系統公司開發的遠程參數控制(Remote Parameter Control, RPC)技術，運用BLOCKCYCLE Test軟件，完成高性價比的控制臂襯套疲勞試驗。

1實際載荷譜和多軸試驗機

載荷譜體現了傳動系統在實際工作中載荷、扭矩和速度三者的對應關系。一般測試得到的實際載荷譜都是多通道的，多為三通道[11-12]。這要求臺架試驗機也是三通道(或三軸)的，且具備相位控制能力。然而，目前該類型試驗機大多是進口產品，設備昂貴，實驗費用也較高，大多用于產品前期開發和在驗證時使用，不能適應后期量產的試驗需要。

本文研究的是一縱拉桿襯套，根據該橡膠襯套的實際載荷狀況及路試失效模式，可識別出主要載荷方向為縱向；同時，分析路譜中各通道信號，顯示主要載荷也集中在縱向上，故認為提取主要通道中的載荷來模擬試驗是可行的，也符合以后批量生產時產品的質量控制。因此，本文的問題歸結為路譜的提取、編輯、編制BLOCKCYCLE和損傷評估等。通過對路譜進行編輯，生成單軸BLOCKCYCLE來試驗載荷，以符合一般試驗臺架的加載方式，并通過以下步驟建立BLOCKCYCLE塊譜： ① 預處理載荷譜；② 試驗壓縮和偽損傷評估；③ 雨流計數；④ 基于幅值累積頻次的BLOCKCYCLES塊譜獲取。

2載荷譜預處理

2.1　去毛刺

由于試車場測量環境復雜，試驗得到的載荷譜原始信號中往往存在毛刺(spike)[13]。毛刺信號是失真信號，往往會影響到后期的試驗，并出現以下問題： 對設備產生沖擊、可能造成試件突然損壞、無法迭代、損壞設備，這就需要對原始信號進行預處理，即去毛刺。目前，采用的預處理方案有幅值門限法、梯度門限法及標準方差法等[14]。

本文采用標準方差法來處理毛刺，需要解決以下問題：

(1) 計算均值的采樣點數，一般15個采樣點計算一個均值。

(2) 計算方差值的采樣點數，一般為5個采樣點(均值信號)。

(3) 計算方差的閾值，該值的大小會影響濾波的結果。

本文結合安裝的傳感器特點、原始數據的統計特性、試選后濾波前、后波型的差異，取10%的最大方差。

圖1給出了去毛刺前后的載荷譜信號圖。由圖中的原始數據可見，方差的閾值不能設置過小，否則會濾去有用信號。

圖1　去毛刺載荷譜信號圖Fig.1　Information diagram of spike removal

2.2　低通濾波

在對載荷譜信號去毛刺或去溫漂后就可以進行數據的后期處理了[15]。

來自試車場的載荷譜信號往往包含相當寬的頻帶[16]。本文研究的橡膠件的疲勞性能與載荷相關，其頻率在50~30Hz以下，而在實際載荷譜中，大部分能量也集中在20Hz以下，故采用低通濾波方式濾除無用的高頻信號部分。同時，為確保能量最大限度地保留，利用功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)通過信號比對來確定濾波是否合適。

圖2給出了經20Hz濾波后的PSD信號比對圖。由圖可見，20Hz后的PSD信號幅值是最高峰處的20%，數據能量已很小。針對汽車底盤結構件，采用20Hz濾波是可行的。

圖2　經 20Hz濾波后的PSD信號比對圖Fig.2　PSD comparison chart after the 20Hz filtering

3數據壓縮和偽損傷評估

經濾波后，載荷譜數據仍有許多幅值較小的載荷及其起始段和結束段等過渡數據[17]；為減少試驗時間，可壓縮掉這些損傷較小的數據。當載荷譜信號量不大時，可直接刪除小于一定幅值的載荷，進行光滑連接；當載荷譜信號量較大時，利用計算偽損傷的方式，設定一定的損傷保留值來達到不同的試驗周期，通過迭代計算來得到數據，從而得到壓縮譜。偽損傷就是利用低碳鋼標準應力-壽命曲線進行損傷計算，對損傷數據進行對比，從而可以預測出結構件最易失效的部位。因其所得損傷結果只能進行相對比較，無實際物理量意義，故稱之為偽損傷評估。

圖3給出了信道壓縮前、后的對比圖。一般情況下，以保留95%損傷作為標準來壓縮數據，以更進一步加快試驗進度。本文壓縮后的信號保留了99.3%的損傷，試驗時間卻只有原來的48.5%，表明在不減少信號損傷的情況下，可以合理地減少試驗周期，完成快速驗證，同時降低了實驗費用。

圖3　信道壓縮前后比對圖Fig.3　Channel compression ratio

4雨流分析

通常，對于載荷-時間歷程的數據統計方法有計數法和PSD法兩種[18]。影響汽車零部件疲勞損傷的主要因素是載荷幅值的變化和循環次數，故常用計數法進行統計。計數法種類很多，有峰值計數、量程計數、穿級計數、雨流計數、程對法等[19]。本文采用雨流計數法。

雨流分析的主要目的是從時域歷程中提取閉合的循環載荷，供后期的疲勞分析、壽命估算及編制疲勞載荷譜使用。雨流計算以雙參數為基礎，考慮了對疲勞有影響的載荷幅值和均值兩個量。綜合來看，雨流計數法能保留載荷的均值和幅值的全部信息，同時也符合零件應力-應變的遲滯特性。

雨流計算廣泛應用于疲勞分析和載荷譜的處理中，許多商業化的疲勞分析軟件、載荷譜處理軟件中都集成有雨流分析功能。本文使用Matlab編程來進行雨流計數，采用4點法來完成雨流計算。

雨流矩陣形狀的比對一般用于載荷強化過程中，其不合理的強化會破壞載荷分布。圖4給出了信道壓縮前后的雨流矩陣。由圖所示，通過對比壓縮前、后的雨流矩陣的形狀，可判斷在數據壓縮的過程中并沒有破壞載荷的幅值。

圖4　信道壓縮前、后的雨流矩陣Fig.4　Rain-flow matrix before and after　channel compression

5基于幅值累積頻次的BLOCKCYCLE塊譜

從幅值累積頻次圖得到BLOCKCYCLE塊譜的過程，實質上是將累積圖“離散”的過程[19]。離散的級數越多就越接近累積分布曲線，誤差也就越小。一般級數可取8、16、32，但級數越大，編譜也會變得更復雜，故目前一般選擇8級譜。本文針對某一路段的載荷譜編制了幅值累積頻次圖，如圖5所示。

由圖可見，頻次累積曲線被“離散”成8級塊譜。表1給出了生成的8級塊譜參數。在塊譜的生成過程中需要保留載荷譜的最大值。載荷最大值對于損傷的影響較大，尤其是對于底盤結構件而言，這是由于次數極少的幅值一般是由路面的沖擊或某些極限工況造成的。這些載荷雖然出現次數極少，但由于載荷較大，會使底盤結構出現局部屈服，從而影響底盤結構應力狀態的重新分布。

圖5　基于幅值累積頻次的8塊譜Fig.5　Eight stage block spectrum based on　magnitude of cumulative frequency

級數F/kN生命周期15.000124.750134.250143.6252752.8753062.1258071.3755080.625100

通過對塊譜的損傷進行分析，比較處理前、后損傷的變化情況，才能確定塊譜的生成是否合理，并進行適當補償，從而保證損傷等效。本文采用虛擬應力-壽命曲線來分析兩者的偽損傷情況。

生成虛擬應力-壽命曲線的參數如表2所示。

表2　應力-壽命曲線的參數

由于只是評價2個載荷譜的強度差異，故不需要生成準確或真實的應力-壽命曲線。以這種方式計算的損傷一般稱為偽損傷。

表3給出了累積頻次譜與8級塊譜的損傷結果比較。由表可見，8級塊譜的損傷是強化的，增強了17%，滿足試驗要求。

表3　累積頻次譜和8級塊譜的損傷結果對比

6結語

本文采用BLOCKCYCLE Test路譜通過編制8級塊譜的方式實現汽車控制臂襯套疲勞試驗，符合其疲勞試驗設備要求，滿足量產后產品質量控制。經過軟件計算和數據處理后使誤差在可控范圍內，且誤差的調整直觀方便。結果表明可以明顯縮短試驗周期，如果增加譜的階數，其誤差可進一步縮小。

參考文獻：

[1]錢鋒,張治.汽車零部件計算機模擬疲勞試驗研究[J].北京汽車,2002,9(4)： 15-17.

[2]王文閣,劉祖斌,鄭聯珠.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[J].汽車技術,2005,36(11)： 19-21.

[3]于海波,李幼德,門玉琢.一種和用戶數據相關的汽車加速疲勞試驗新技術[J].機械強度,2008,30(3)： 461-466.

[4]隋振,徐鳳,劉愛蓮，等.最優控制在汽車部件疲勞試驗臺的應用[J].吉林大學學報(信息科學版),2010,28(2)： 191-197.

[5]劉素紅,李芳.某車型橫向穩定桿的疲勞可靠性分析[J].機械設計與制造,2012,33(1)： 41-43.

[6]Khan M K, Bathias C. Current understanding of ultra-high cycle fatigue[J]. Theoretical & Applied Mechanics Letters, 2012,2(3)： 310021-310026.

[7]曹建永,陳誠.汽車彈性部件道路模擬加速試驗方法的研究[J].上海汽車,2012,19(6)： 48-51.

[8]黃康,戚士兵,葉鵬.基于MSC.Fatigue的汽車橫向穩定桿疲勞可靠性仿真及試驗研究[J].起重運輸機械,2012,48(7)： 85-88.

[9]章禮文.RPC在汽車懸架系統垂向疲勞試驗中的應用[J].汽車零部件,2012,5(9)： 105-107.

[10]呂俊磊,劉有源.汽車驅動橋疲勞試驗控制系統研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2013,37(1)： 201-204.

[11]趙禮輝,鄭松林,馮金芝.基于低載強化特性的疲勞壽命估計方法[J].機械工程學報,2013,49(8)： 115-122.

[12]王小莉,上官文斌,劉泰凱，等.填充橡膠材料單軸拉伸疲勞試驗及疲勞壽命模型研究[J].機械工程學報,2013,49(14)： 65-73.

[13]方明霞,談軍,許光.汽車橡膠襯套隨機疲勞分析[J].汽車工程,2013,35(10)： 949-954.

[14]武文超,方毅博,寧倩，等.基于雨流法的汽車底盤件疲勞耐久試驗方法研究[J].汽車技術,2013,44(12)： 46-49，60.

[15]Padzi M M, Abdullah S, Nuawi M Z. Evaluating ultrasound signals of carbon steel fatigue testing using signal analysis approaches[J]. Journal of Central South University, 2014,21(1)： 232-241.

[16]Zhang Jiming, Ji Lingkang, Bao Dongjie. Gigacycle fatigue behavior of 1800MPa grade high strength spring steel for automobile lightweight[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2014,21(6)： 614-618.

[17]上官文斌,劉泰凱,王小莉，等.汽車動力總成橡膠懸置的疲勞壽命實測與預測方法[J].機械工程學報,2014,50(12)： 126-132.

[18]辛雨,趙春艷,李玉軍.某純電動汽車懸置減振性能優化研究[J].道路交通與安全,2015,15(1)： 35-40.

[19]張平,王海沛,段小成，等.汽車動力總成懸置耐久試驗載荷譜研究[J].新技術新工藝,2015,37(10)： 119-123.

Data Processing of Fatigue Test of Automobile Control Arm BushBased on Road Load Data of BLOCKCYCLE Test

TIANYudong1,2，WUJianhai1,2，FANGShoujie2，DUANFeng2

(1. School of Automobile, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;

2. Shanghai Zhongli Automobile Parts Co., Ltd., Shanghai 201506, China)

Abstract：This paper studies the extraction of load spectrum from path spectrum to control the arm bush. By using the test software, complicated road spectrum is edited, rain flow counted, and damage assessed to fit a simple platform and meets the test conditions. Thus a block cycle load from the road spectrum is built, and a high fatigue test of the control arm bush is completed.

Key words：automobile parts; fatigue test; data processing; software computing; pseudo-damage

文獻標志碼：A

中圖分類號：U 467.497

文章編號2095 - 0020(2015)06 -0316 - 05

作者簡介：田玉冬(1968 -)，男，教授，博士，主要研究方向為復雜工業系統控制，E-mail： tianyd@sdju.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目資助(51377104)，上海市教育委員會產學研合作基金項目資助(2015CXY44)

收稿日期：2015 - 10 - 21