基于路譜載荷的副車架加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用

張巖,王婭,盧生林

(奇瑞汽車股份有限公司,試驗(yàn)和整車工程中心,安徽省汽車NVH與可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241009)

0 引言

近年來，隨著全球特別是中國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭愈發(fā)激烈，新車型投放愈加密集，產(chǎn)品研發(fā)周期越來越短，如何在項(xiàng)目前期或者整車驗(yàn)證階段中發(fā)生失效問題時(shí)，利用快速試驗(yàn)驗(yàn)證方法來驗(yàn)證改進(jìn)方案和提高在整車路試試驗(yàn)中改進(jìn)零件通過驗(yàn)證的概率，是汽車開發(fā)工程師和性能工程師將要面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。

在新車型研發(fā)的過程中，驗(yàn)證車輛耐久性能主要有3種方法：CAE耐久仿真分析、零部件臺(tái)架耐久試驗(yàn)和整車試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)。由于CAE耐久仿真分析和零部件試驗(yàn)具有一定的局限性，不能完全預(yù)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)路試的所有耐久失效問題。如果考核單一的零部件，試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)周期長、成本高且重復(fù)性較差[1]。所以建立一種與試驗(yàn)場(chǎng)路試關(guān)聯(lián)性較好，又可以快速復(fù)現(xiàn)失效模式和驗(yàn)證改進(jìn)方案的加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)，顯得尤為重要。

臺(tái)架耐久性試驗(yàn)的載荷輸入一般分為三類，即隨機(jī)路譜載荷、等幅載荷和程序塊載荷。其中最接近實(shí)際工況的是隨機(jī)路譜載荷加載，但是周期較長、設(shè)備要求高，無法適應(yīng)項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度要求;等幅載荷加載雖然精度沒有隨機(jī)路譜載荷高，但是周期最短，能夠快速進(jìn)行方案驗(yàn)證;程序塊載荷介于隨機(jī)載荷和等幅載荷加載之間[2]。

等幅載荷耐久試驗(yàn)是最簡單、最常見也是應(yīng)用最多的一種零部件試驗(yàn)，常用于產(chǎn)品的達(dá)標(biāo)或合格檢驗(yàn)、產(chǎn)品的定型檢驗(yàn)等。但等幅載荷耐久試驗(yàn)給出的壽命不能準(zhǔn)確描述零部件的工作壽命，即當(dāng)量里程數(shù)[3]，因?yàn)橐话阍陂_發(fā)等幅載荷耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，沒有參考用戶使用場(chǎng)景或者試驗(yàn)場(chǎng)載荷。文中研究了一種與試驗(yàn)場(chǎng)載荷等效的等幅載荷加載試驗(yàn)方法，并與試驗(yàn)場(chǎng)整車試驗(yàn)取得了較好的相關(guān)性。

1 前副車架焊縫失效

在試驗(yàn)場(chǎng)耐久路試中，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一個(gè)壽命循環(huán)的98%時(shí)，發(fā)現(xiàn)前副車架右控制臂安裝點(diǎn)處的焊縫端部發(fā)生開裂。開裂位置如圖1所示。

圖1 前副車架焊縫開裂位置

2 試驗(yàn)場(chǎng)路譜載荷采集

2.1 控制臂上應(yīng)變片布置方式

焊縫開裂位置附近只有一個(gè)受力硬點(diǎn)：控制臂在副車架上的安裝點(diǎn)，因此了解控制臂安裝點(diǎn)處的試驗(yàn)場(chǎng)載荷尤為重要。為了獲得前副車架控制臂安裝點(diǎn)處的路譜載荷，首先要獲取控制臂上的載荷，通常使用應(yīng)變片來反映應(yīng)變與載荷之間的關(guān)系?？刂票鬯茌d荷以軸向拉壓載荷為主，所以應(yīng)變片貼于控制臂受力方向的對(duì)稱面并組成全橋，此種應(yīng)變片的布置方式可以補(bǔ)償彎曲載荷，且對(duì)拉壓載荷敏感，是測(cè)量軸向拉壓載荷的常用布置方式。應(yīng)變位置布置方式如圖2所示。

圖2 控制臂上應(yīng)變片布置

2.2 左、右控制臂的標(biāo)定

標(biāo)定就是獲得力和應(yīng)變之間的關(guān)系，是對(duì)載荷測(cè)量精度影響最為關(guān)鍵的步驟之一，一般只需做線性標(biāo)定，標(biāo)定還可以初步檢驗(yàn)應(yīng)變傳感器的安裝質(zhì)量。完成控制臂應(yīng)變片布置后，通過臺(tái)架上的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器施加一定范圍內(nèi)的載荷，從而將應(yīng)變測(cè)量轉(zhuǎn)換為載荷的測(cè)量。標(biāo)定過程如圖3所示。標(biāo)定時(shí)拉伸為正，壓縮為負(fù)，左右控制臂的標(biāo)定結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖3 左右控制臂標(biāo)定過程

圖4 左側(cè)控制臂標(biāo)定結(jié)果

圖5 右側(cè)控制臂標(biāo)定結(jié)果

2.3 試驗(yàn)場(chǎng)路譜載荷采集

控制臂的路譜載荷采集，選擇與整車耐久路試相同的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，依據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)規(guī)范中包含的特征路面以及規(guī)范中通過每個(gè)特征路面的速度，對(duì)這些特征路面進(jìn)行路譜載荷采集。試驗(yàn)場(chǎng)特征路一般是實(shí)際存在的各種各樣的道路經(jīng)過集中、濃縮、不失真地強(qiáng)化并典型化的道路，主要特征路邊包括：比利時(shí)路、井蓋路、搓衣板路、制動(dòng)路、共振路、凹坑路，沖擊坑路、鵝卵石路，扭曲路，鐵路軌道路和砂石路等。在路譜的采集過程中，由于司機(jī)操作、路面突變等隨機(jī)因素的影響，需要對(duì)每個(gè)特征路面采集三組數(shù)據(jù)，且三組數(shù)據(jù)均無明顯異常。采集完成后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，包括：去除毛刺，去除漂移，濾波和修正異常信號(hào)等。經(jīng)過前處理后，每個(gè)特征路面下，左右控制臂軸載荷如圖6所示。

圖6 特征路面下控制臂載荷

3 相關(guān)疲勞理論介紹

3.1 S-N曲線介紹

在零件上所施加的載荷，由應(yīng)力范圍Sr或者應(yīng)力幅Sa確定。應(yīng)力范圍被定義為一個(gè)循環(huán)中最大應(yīng)力Smax和最小應(yīng)力Smin之間的代數(shù)差：

Sr=Smax-Smin

(1)

應(yīng)力幅等于應(yīng)力范圍的1/2：

(2)

通常采用對(duì)稱的循環(huán)交變加載方式進(jìn)行S-N的疲勞試驗(yàn)。對(duì)稱循環(huán)表示以零平均應(yīng)力進(jìn)行交變加載，平均應(yīng)力Sm被定義為：

(3)

典型的S-N曲線公式為：

(4)

在采用基于應(yīng)力的方法開展疲勞分析和設(shè)計(jì)時(shí)，這個(gè)由雙對(duì)數(shù)S-N曲線圖得出表達(dá)式是應(yīng)用最廣的方程，被稱作巴斯坎(Basquin)方程[4]。

3.2 雨流計(jì)數(shù)法

將隨機(jī)載荷處理為一系列不同幅值的全循環(huán)需要使用循環(huán)計(jì)數(shù)法，最常用的方法是雨流計(jì)數(shù)法。雨流計(jì)數(shù)法通常被認(rèn)為是預(yù)測(cè)疲勞壽命的較好方法[5]。這種方法可以識(shí)別在復(fù)雜載荷序列中與等幅疲勞數(shù)據(jù)相似的事件。

3.3 線性疲勞損傷累計(jì)理論

有限壽命設(shè)計(jì)法允許構(gòu)件的應(yīng)力集中處存在大于疲勞極限的應(yīng)力，然而當(dāng)構(gòu)件承受大于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，會(huì)使材料產(chǎn)生一定的損傷，這種損傷能夠線性累積，這就是疲勞累積損傷理論[6]。

汽車行駛在實(shí)際路面上時(shí)，路面特征對(duì)于底盤懸架和車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激勵(lì)，會(huì)使底盤和車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交變循環(huán)應(yīng)力，在這個(gè)過程中，疲勞損傷逐漸累積，當(dāng)總損傷超過臨界值時(shí)，疲勞破壞則會(huì)發(fā)生。疲勞過程也可以理解為損傷達(dá)到一個(gè)臨界值的累積過程，也是消耗材料固有壽命的過程。當(dāng)零件的應(yīng)力水平高于對(duì)應(yīng)材料的疲勞極限時(shí)，一個(gè)循環(huán)下造成的損傷是1/N,則n次恒幅載荷下所造成的損傷為n/N。變幅載荷下的計(jì)算疲勞損傷累計(jì)的公式為：

(5)

式中：i為變幅載荷的應(yīng)力水平級(jí)數(shù)，ni為第i級(jí)載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級(jí)載荷下的疲勞壽命。

當(dāng)總損傷值累積到臨界值D=1時(shí)，疲勞破壞產(chǎn)生[7]。

4 加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范建立

4.1 路譜載荷的雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)

可以認(rèn)為控制臂上的載荷是非周期性的隨機(jī)載荷譜，這種真實(shí)的載荷由于其不確定性，不能直接加以利用，經(jīng)過雨流計(jì)數(shù)后，就可以得到一系列幅值和循環(huán)次數(shù)確定的載荷。分別對(duì)左右控制臂上的載荷進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，雨流直方圖如圖7所示。兩個(gè)橫坐標(biāo)分別為平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，縱坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)。

圖7 路譜載荷雨流計(jì)數(shù)直方圖

4.2 計(jì)算偽損傷和等幅載荷的幅值

在計(jì)算零件的損傷或壽命時(shí)，采用的是零件真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)零件材料真實(shí)的S-N曲線，計(jì)算出真實(shí)的損傷值。而在實(shí)際的工程實(shí)踐中，從能量的角度出發(fā)，對(duì)各種信號(hào)，無論是力，力矩還是位移、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變都可認(rèn)為是“廣義應(yīng)力”，通過預(yù)先設(shè)定的虛擬的S-N曲線，即可求得偽損傷[8]。

定義一條虛擬的S-N曲線：

(6)

由損傷等效原理，路譜載荷下的總損傷DRLD與等幅載荷下的總損傷Dconstant相等，即：

DRLD=Dconstant=529.06

(7)

定義Nconstant=170 000次為等幅載荷的循環(huán)次數(shù)。

由式(4)和(5)可得公式：

(8)

Nconstant=170 000代入公式(8)中，可得：

其中Sconstant為需要求得的等幅載荷的幅值[9]。

4.3 加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范

車輛在靜止時(shí)，測(cè)得控制臂上的靜態(tài)力為500 N，此力值作為試驗(yàn)加載的預(yù)載。最終等幅載荷試驗(yàn)加載波形圖，如圖8所示。

圖8 等幅載荷試驗(yàn)加載波形

等幅幅值Sconstant=7 300 N，加載目標(biāo)循環(huán)次數(shù)Nconstant=170 000次，均值Sm=500 N，加載頻率為5 Hz。副車架加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)加載示意圖如圖9所示。

圖9 副車架加載示意

5 加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 加速耐久臺(tái)架搭建

約束副車架與車身的4個(gè)安裝點(diǎn)，采用單軸作動(dòng)缸加載，并用激光測(cè)距儀檢測(cè)加載點(diǎn)處的位移，目的是為了監(jiān)測(cè)副車架開裂失效的時(shí)間點(diǎn)，可以更準(zhǔn)確地確定失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。加速耐久臺(tái)架搭建如圖10所示。

圖10 加速耐久臺(tái)架搭建

5.2 加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

在完成183 000次加載(108%)后，發(fā)現(xiàn)前副車架右控制臂安裝點(diǎn)處的焊縫發(fā)生了開裂，與試驗(yàn)場(chǎng)路試中前副車架焊縫的開裂失效模式和失效壽命基本一致。加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)中副車架焊縫開裂如圖11所示。

圖11 加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)中副車架焊縫

關(guān)于臺(tái)架試驗(yàn)與路試試驗(yàn)的失效模式、失效位置、失效壽命和驗(yàn)證時(shí)間的對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與路試試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與路試試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)場(chǎng)副車架焊縫的失效模式、失效壽命與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本一致，臺(tái)架試驗(yàn)的失效驗(yàn)證時(shí)間僅為試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)的1.4%。

5.3 改進(jìn)方案的驗(yàn)證

底盤設(shè)計(jì)人員對(duì)焊縫端部進(jìn)行了延長和優(yōu)化，此改進(jìn)方案經(jīng)過340 000次加載(兩倍壽命)的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證后，并無開裂發(fā)生。后期改進(jìn)后的副車架搭載在整車試驗(yàn)場(chǎng)整車路試中，也通過了試驗(yàn)場(chǎng)路試驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)開裂。加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證流程圖如圖12所示。

圖12 耐久失效問題臺(tái)架驗(yàn)證及改進(jìn)流程

6 結(jié)論

(1)基于損傷等效、疲勞累計(jì)損傷，雨流計(jì)數(shù)法，S-N疲勞分析和偽損傷等理論和分析方法，將試驗(yàn)場(chǎng)路譜載荷等效為等幅載荷，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)施加等幅載荷的加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)的失效模式、失效壽命與試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)基本一致，相關(guān)性較好。

(2)臺(tái)架試驗(yàn)的失效驗(yàn)證時(shí)間僅為試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)的1.4%，加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)，可以大幅減少改進(jìn)方案的驗(yàn)證時(shí)間，增加了改進(jìn)后零件通過試驗(yàn)場(chǎng)整車試驗(yàn)的通過率。

(3)文中以副車架為研究對(duì)象，進(jìn)行了副車架加速耐久試驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用，其他底盤零部件，例如控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿等部件，都可以應(yīng)用文中方法開發(fā)相應(yīng)的加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)。

(4)基于損傷等效的加速耐久臺(tái)架試驗(yàn)方法，不僅可以在耐久路試出現(xiàn)問題后，應(yīng)用于改進(jìn)方案的快速驗(yàn)證；也可以在項(xiàng)目開發(fā)前期，僅有底盤系統(tǒng)的物理樣件階段，利用騾車、平臺(tái)載荷譜或者VPG技術(shù)，獲得各個(gè)底盤零部件的路譜載荷，尤其是利用多體動(dòng)力學(xué)模型以及VPG技術(shù)的使用，可以大大減少物理樣車在試驗(yàn)場(chǎng)采集路譜的時(shí)間[10]。

(5)利用文中的研究思路，可進(jìn)行推廣，建立早期的零部件級(jí)或者系統(tǒng)級(jí)別的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案，這樣不但可以在早期規(guī)避結(jié)構(gòu)耐久風(fēng)險(xiǎn)，也可以降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。