基于損傷等效的汽車懸架系統耐久試驗方法探討

王新偉，周德泉，李開標，李航，陳禹

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基于損傷等效的汽車懸架系統耐久試驗方法探討

王新偉，周德泉，李開標，李航，陳禹

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

從汽車懸架系統耐久的基本原理及重要性作為出發點，首先介紹了目前主流的懸架系統耐久試驗方法，并從試驗準確性、試驗周期等方面進行了分析對比；其次，基于軸耦合試驗系統及疲勞耐久損傷相關理論和技術，提出了一種基于實際道路載荷譜損傷等效正弦波的汽車懸架系統耐久試驗方法；最后，通過理論計算與實際試驗證明了該方法的可行性。

損傷等效；正弦波懸架耐久試驗方法；主頻；相位關系

引言

懸架系統的主要作用為承擔并緩沖車輪傳遞到車身或副車架的力和力矩，是車輛可靠性考核的重要環節之一。車輛懸架可靠性試驗方法一般分為道路試驗和室內臺架試驗兩種。目前的主流方法為試驗場的整車可靠性道路試驗，其缺點在于周期性長、試驗過程中影響因素多、試驗結果離散度大。室內臺架試驗加載可控性較高，但其加載模式與實際道路試驗難以關聯[1,2,3]。

本文首先對懸架可靠性的各種試驗方法進行了分析對比。并基于軸耦合道路模擬試驗系統，設計固定反力式約束方式約束懸架系統硬點位置完成完整的臺架搭建。其次，基于疲勞損傷等效理論確定輸入目標譜的幅值大小，并分析試驗場道路試驗中各個工況主頻確定懸架耐久試驗加載譜頻率，分析特征路面相關通道間的相位相干性確定加載通道間的相位關系，制定了與試驗場道路試驗高關聯度的臺架程序加載譜。

1 懸架系統耐久試驗方法確定

室內懸架系統臺架試驗目前一般方法有：單軸，多軸正弦波，多軸道路模擬等。

單軸加載為單個作動缸進行加載，只能對單一方向進行考核，需要對懸架系統進行多方向考核時，需要進行多次單方向加載；多軸道路模擬試驗方式為對懸架系統施加實際道路載荷譜，對懸架系統進行考核，與試驗場中道路試驗關聯度極高，具有極高的準確性，但其試驗周期較長，且其輸入為實際道路載荷譜，進行試驗前需先進行載荷譜的采集試驗；多軸正弦波能對懸架系統同時進行三個方向上的考核，更加符合車輛實際使用情況，且能擺脫道路載荷譜的約束，可直接根據車輛載荷生成適合的輸入目標。基于以上分析，選取多軸正弦波作為懸架耐久試驗的程序加載譜。這幾種試驗的優缺點對比如表1。

表1 懸架耐久試驗方法對比

2 臺架搭建

在臺架上進行懸架系統耐久試驗時，不同于道路試驗或整車結構耐久試驗，低頻部分不能忽略，因此一般通過約束硬點位置來進行試驗，目前行業內的約束方法一般分為兩種：1.設計一套剛性夾具系統，保證懸架系統的硬點安裝位置，即懸架系統通過與硬點位置與夾具固連；2.懸架系統安裝至白車身上，后對白車身進行焊接加固，然后整體連接至夾具系統，在保證懸架系統相對于車身的柔性時提高夾具系統剛度，但該方法對于焊接工藝要求較高，且當車身損壞時，修補或更換車身困難，成本較高。

考慮車身特性，設計出一套應于懸架耐久試驗的車身夾具系統——固定反力式車身約束系統。即單獨設計一套夾具系統用于緊固白車身，使車身成為夾具部分，通過懸架安裝點與懸架系統連接，動態模擬車身與懸架系統的約束情況。在保留車身系統柔性時考慮約束系統的剛性及更換方便性。

3 加載方法確定

本文通過對試驗場實際道路載荷譜進行雨流頻次統計后，確定程序譜的幅值分布，然后通過試驗場道路試驗路面主頻分析與特征路面各通道間的相位關系，確定加載程序譜。

3.1 疲勞損傷等效模型

在循環載荷交變作用下，零件疲勞損傷隨時間逐漸累積，直至產生失效。Miner 線形損傷累積理論認為每一段循環載荷都會產生對應的疲勞損失量，并對最終的疲勞極限有一定影響，也就是說零件在經過了一段不同循環載荷加載后即產生疲勞損傷[4,5]，其表達式為：

式中，為Miner 系數，時預計出現失效；n為載荷作用于零件的循環次數；N為零件在載荷作用下失效時的循環次數。

根據疲勞理論，疲勞損傷主要由循環載荷引起。如果輸入載荷相同，那么所引起的疲勞損傷在理論上也應相同。關聯即通過各個正弦波數量，使得其所產生的損傷與試驗場道路試驗中所產生的名義損傷相等；同時，盡量使二者產生的載荷譜在雨流計數具有類似的統計規律[6]，其數學表達式為：

式中A為各種路面及事件的比例系數；[X]為懸架耐久試驗中各工況載荷分布；[]為試驗場道路試驗中目標載荷分布。

3.2 幅值分布

根據懸架系統單輪主要受力方向Fx、Fy、Fz進行載荷分布分析，關聯通道共計12個，由雨流頻次統計分析一般為8級以上，現取10級。以左前輪為例。

圖3 Fx方向雨流頻次曲線

圖4 Fy方向雨流頻次曲線

圖5 Fz方向雨流頻次曲線

表2 各工況幅值分布圖

以某SUV車型為例，從試驗場道路載荷頻次分布圖中，得出10種工況幅值分布。然后對其損傷進行計算，得出十種幅值波形的循環數。幅值組合如表2所示。

3.3 實際載荷譜主頻分析

對試驗場實際道路載荷譜進行頻譜分析，得出主頻，為保證路面損傷形式和等效后的正弦波損傷形式相近，所等效生成的正弦波主頻為目標道路載荷譜一致。

如在試驗場道路試驗側向力貢獻路面中，繞八字貢獻量超過30%，且其側向力關聯特征特別明顯，因此選取繞八字分析其主頻關系。如圖6、圖7所示。由圖中可以得出，繞八字工況主頻為1Hz，故所等效生成的正弦波主頻應為1Hz。

圖6 側向力損傷占比

圖7 繞八字工況主頻

3.4 主要特征路面相位確定

對試驗場道路試驗典型路面相位相關性進行分析，確定各通道同一路面下的相關相位關系。如繞八字工況對試驗場道路試驗主要損傷貢獻為Fy方向，其垂向與縱向損傷貢獻量均小于1%，因此主要考察其側向力之間的相位關系，通過相關性計算其左右側Fy方向路譜，在主頻上，其相關性為0.92，相位關系為-180°，即繞八字工況中，其左右兩側側向力相位關系為-180度°。繞八字工況的相位相干性如圖8所示。

圖8 繞八字工況前懸側向力相位相關性

3.5 求解

懸架耐久試驗與試驗場試驗場道路試驗損傷關聯方程為：

式中 [D]為正弦波關聯信號損傷矩陣；[A]為正弦波工況系數矩陣；[T]為試驗場道路試驗路面總損傷矩陣（列向量）。通過方程求解：

通過關聯求解，求出其滿足約束條件下的最小值及對應的Aj。

得出所需載荷條件下的循環數。

圖9 關聯求解

3.6 正弦波載荷譜修正

由上述流程求解后，對結果Aj進行圓整處理，使試驗按照程序譜的方式進行，避免單工況試驗與實際載荷不符，優化圓整后的循環數間具一定大小的公約數，則載荷循環數如表3所示。

表3 正弦波加載幅值相位及頻率、循環數

4 方法驗證

驗證可分為數據驗證與試驗，本文從驗證通道損傷角度對關聯結果進行驗證，如表4所示。在進行了多臺次懸架系統臺架耐久試驗后，驗證了該方法的有效性。由此可知，關聯效果良好。

5 結論

基于疲勞累積損傷理論，研究了等名義損傷下路面關聯的基本原理。根據關聯原理，得出了試驗效率更高的多軸加載的懸架耐久試驗方法，該方法兼顧了實際道路中的幅值、損傷主方向、特征路面通道的相位相干性。最后，通過對車輪三向力損傷對比并進行試驗，驗證了試驗方法的可行性。

表4 正弦波等效后損傷對比

注：表中B表示懸架耐久總損傷，A表示試驗場道路試驗總損傷。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:汽車工業出版社,2000.

[2] 伊斯武,張繼偉.軸耦合道路模擬在懸架可靠性試驗中的應用[J]. 拖拉機與農業運輸車,2011.04.

[3] MTS Systems Corporation. Series 329 6DOF Road Simulator Opera -ting Instructions [Z].USA.14000 Technology Drive, Eden Prairie, 2012.

[4] 李永利,帕恩,哈撒韋等.疲勞試驗測試分析理論與實踐[M].北京:國防工業出版社,2011.

[5] 劉惟信.機械可靠性設計[M].北京:清華大學出版社,1996:221-278.

[6] 鐘志宏,陳春燕,周德泉.基于等損傷的試驗場關聯及在Excel中的實現[J].工業技術創新. 2017.10.

Discussed the suspension system durability test method based on the theory of damage equivalent

Wang Xinwei, Zhou Dequan, Li Kaibiao, Li Hang, Chen Yu

（Automobile Engineering Research Institute, Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434）

Fundamentals of the principle and importance of the suspension system durability, this paper introduces the current mainstream test method of suspension system, analyzed and compared the accuracy and test time. Further, put forward a sine wave road suspension system durability test method based of the actual load spectrum damage equivalent；Last, through the theoretical calculation and practical test proves the feasibility of this method.

Damage equivalent; Sine wave road suspension system durability test method; Main frequency; Phase relationship

U463

A

1671-7988(2019)07-70-04

王新偉，碩士，就職于廣州汽車工業集團股份有限公司汽車工程研究院，從事汽車結構耐久試驗技術、整車道路模擬試驗技術研究工作。

U463

A

1671-7988(2019)07-70-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.023