與試驗場相關的零部件臺架試驗規范研究

米磊，于翠，李大森

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

試驗場道路試驗是驗證整車及零部件疲勞耐久性不可或缺的方法，如果考核單一的零部件，試驗場道路試驗周期長、成本高且重復性較差[1]。因此，各大汽車廠商都將大量零部件的開發驗證試驗轉移到室內臺架試驗系統上進行。然而，零部件臺架疲勞試驗規范的制定是否合理將直接影響到試驗模擬的精確性。目前，通常的做法是以零部件的設計載荷或者提取其試驗場載荷的峰谷值進行單一的恒幅加載試驗，保證在最差工況下零部件不發生失效。然而，該方法并沒有充分地考慮零部件的使用工況，同時忽略了加載順序對疲勞壽命的影響[2]，偶然的過載可能會在高應力集中區域產生塑性變形，導致應力的重新分配，同時殘余應力也會影響整個零部件的疲勞壽命。

本文針對上述問題，以某 MPV車型的橫向穩定桿連接桿為例，提出基于試驗場數據的零部件臺架疲勞試驗規范的制定方法。該方法依據線性損傷原理，將試驗場載荷譜等效成用于臺架模擬的多級恒幅載荷譜，彌補了單幅加載的局限性，同時通過分頻段相對損傷分析，明確了臺架試驗多級加載的順序，從而能夠更加真實地反映零部件的使用特性。

1 試驗場載荷譜的采集與分析

1.1 應變片的布置與標定

對于零部件載荷譜的生成，通常是使用應變片來反映應變與載荷之間的關系。本文的研究對象在整車中承受的載荷主要表現為軸向的拉壓變形，故在其試驗場試驗中的失效位置附近進行應變片的貼放。然后，將布置完應變片的連桿在臺架上進行標定，通過標準的力傳感器控制對其施加載荷，從而將應變測量轉化為載荷測量，臺架標定過程如圖1所示。

圖1 連桿應變-載荷的臺架標定

1.2 載荷譜數據采集

連桿載荷譜采集選擇在某汽車試驗場的強化試驗路段，遵循試驗場試驗規范分別以規定的車速通過各強化路面，并按車輛空載、半載和滿載采集多次，保證每種承重狀態下的有效數據。在數據采集過程中，由于路面突變等不確定因素會造成數據的偏離或異常。因此，數據采集完成之后需要對時域內的原始數據進行凈化處理，去除異常信號，利用Glyphworks軟件中的 Spike Detection、Graphical Editor和Butterworth Filter等模塊對原始數據進行毛刺清理和均值修正等，處理后連桿載荷的時域信號如圖2所示。

圖2 滿載下連桿載荷的時域信號（一個試驗場循環）

1.3 頻域分析

圖3 連桿試驗場路面的頻域相對損傷分布

為了解連桿在試驗場不同路面條件下的受力情況，需要對其進行分頻段的相對損傷分析。由于車輛底盤結構受力能量主要集中在 50Hz以內，在該范圍內，不同的頻段對應不同的激勵源或響應段。因此，在分析過程中各頻段定義如下：1、0-0.8Hz，車輛駕駛操縱響應頻段及扭曲路頻段；2、0.8-5Hz，車身跳動響應頻段；3、5-8Hz，動力總成前2階主要剛體模態響應頻段；4、8-18Hz，車輪跳動影響頻段；5、18-32Hz，搓板路等特定路面及部分結構件共振頻段。按照上述頻段對連桿進行相對損傷分析，結果如圖3所示。

從圖中可以看出，連桿最大損傷頻段集中在了第1頻段，意味著車輛轉向及扭曲路路段給予了連桿主要的損傷，其他工況及路段對連桿造成的損傷相對較少。

2 試驗場載荷譜的外推

對于采集到的短期的載荷時間數據，需要進行外推處理來預測更長時間周期內的載荷分布。在時域范圍內，受行駛工況等因素的影響對載荷的分散性進行量化一般是不可行的，因此通常是在雨流循環域內完成的。對于一個完整試驗場試驗規范的載荷譜是由短期測量的時域信號經過雨流計數后，再進行外推，然后進行疊加組合而成的[3]。因此，首先將連桿在車輛不同承重狀態下一個試驗場循環的時域數據轉化為雨流矩陣，再分別乘以外推系數（試驗場強化試驗規范中車輛空載、半載和滿載所占里程比例分別為20%、60%和20%），然后疊加形成完整的試驗場載荷譜，由于試驗場各強化路段較短，在外推過程中不進行載荷極大值的推斷，認為實際測量獲取的最大值即是最大外推載荷，外推后試驗場載荷譜的雨流分布如圖4所示。

圖4 外推后連桿試驗場載荷譜的雨流分布

3 臺架疲勞試驗規范的建立

3.1 開發依據

將連桿載荷譜外推后的雨流分布圖轉化為累計超過數分布圖，其中縱坐標為載荷范圍，橫坐標為等于或大于規定載荷范圍的循環累計數。為了方便在臺架試驗中實現試驗場載荷仿真，將累計超過數分布圖進行簡化，根據相對損傷分析的結果，同時結合試驗場各強化路段的排列分布，將試驗場載荷按臺架模擬加載的順序分解成三段階梯狀載荷，如圖 5所示。這段載荷分布圖的開發依據是，在臺架試驗條件下對零部件造成的總損傷應與試驗場試驗條件下所造成的損傷相同。此外，為加速試驗進程還需要將不會對連桿造成損傷的大量的低幅值載荷去掉，可以將最大載荷范圍的15%選作忽略非損傷循環的截止載荷門檻[4]，即1.04kN是非損傷循環數忽略區的截止值，小于這個值的所有載荷范圍都要被剔除掉。

圖5 連桿載荷累計超過數分布圖的簡化

3.2 損傷等效

在眾多描述漸進和累積損傷的數學模型中，線性損傷原理因其簡單而被工程技術人員廣為接受，線性損傷原理假設損傷是累積相加的，并定義失效發生的條件為[5]：

式中D——總損傷；

di——某一載荷的單獨損傷；

ni——某一載荷的循環次數；

Ni——某一載荷下零件的疲勞壽命。

因此，將連桿在外推后試驗場載荷譜條件下的損傷作為目標損傷，在GlyphWorks軟件中通過設定的S-N曲線進行損傷計算，從而得到不同加載幅值下達到目標損傷所需要的累積循環數，損傷計算過程如圖6所示。因此，通過等損傷轉換后得到了與試驗場相關的連桿臺架疲勞試驗規范，加載幅值、循環數及加載順序見表1。

圖6 損傷計算流程

表1 幅值對應循環數表

3.3 連桿臺架試驗

依照表1中建立的疲勞試驗規范對連桿樣本進行多級恒幅載荷加載試驗，試驗臺架的搭建如圖7所示。試驗總共進行了2個樣本，樣本1和樣本2分別在試驗進行至272000次循環和305000次循環時發生斷裂，斷裂后的外觀如圖8所示。連桿在試驗場道路試驗的實際平均失效里程為12000km，分別計算其在臺架試驗及試驗場試驗失效時的累積損傷，如表2所示。從表中可以看出，連桿在試驗場試驗及臺架試驗失效時的累積損傷大致相同（相對誤差分別為6.4%和13.1%），且兩種試驗條件下的失效模式和失效位置基本一致，表明該規范下的臺架試驗能夠很好地等效模擬試驗場試驗。

圖7 連桿樣本臺架疲勞試驗

圖8 連桿樣本臺架試驗失效圖

表2 試驗場試驗與臺架試驗的失效損傷對比

4 結論

基于疲勞線性累積損傷理論和雨流計數，詳細研究了和試驗場相關的零部件臺架試驗規范的制定方法。該方法依據等效損傷原理，將試驗場載荷簡化成一系列恒幅載荷，得到了能夠模擬試驗場載荷的零部件臺架試驗規范。應用結果表明，該規范能快速精準地反映出零部件在試驗場試驗中出現的故障模式及故障里程，驗證了該種零部件臺架試驗規范制定方法的可行性與有效性。

[1] 胡玉梅,陶麗芳,鄧兆祥.車身臺架疲勞強度試驗方案研究[J].汽車工程,2006,28(3):300-301.

[2] 門玉琢,李顯生,于海波.與用戶相關的汽車可靠性試驗新方法[J].機械工程學報,2008,44(2):223-224.

[3] 李唐,李國峰,于翠,李釗.基于后橋的耐久試驗和用戶的相關性研究[J].汽車工程師,2013(6):49-51.

[4] Yung-Li Lee, Jwo Pan, Richard B. Hathaway, Mark E. Barkey. Fati-gue Testing and Analysis Theory and Practice [M]. 2005: 250-257.

[5] 陳傳堯.疲勞與斷裂(第一版)[M].華中科技大學出版社,2002:32-37.