減振器支架疲勞試驗方法研究

李功友 程俊東 董遠明 周兆耀

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

減振器作為改善汽車乘坐舒適性和操作穩定性的重要零部件，其疲勞耐久性能受到客戶及汽車研發人員的廣泛關注[1]。目前市場上減振器類型主要分為主動減振器和液壓減振器。主動減振器能夠根據行駛工況自動調節減振阻尼，具有更好的乘坐舒適性和操作穩定性，但其成本較高。液壓減振器不具備主動調節減振阻尼的功能，由于成本低，目前仍然具有較大的市場。為考核減振器的疲勞耐久性能，主機廠主要進行整車道路耐久試驗、12通道軸耦合懸架系統試驗、四立柱耐久試驗。

本文針對某項目12通道軸耦合懸架系統耐久試驗中出現的液壓減振器支架斷裂問題，通過偽損傷等效原則，編制程序載荷譜，進行減振器支架加速試驗方法研究。復現了減振器支架斷裂的問題，優化后的減振器支架疲勞壽命明顯改善。

2 減振器支架斷裂問題分析

某項目12通道軸耦合懸架系統耐久試驗進行至9.86%時，右側減振器與穩定桿連桿連接支架斷裂，更減振器后，繼續試驗。試驗進行至16.62%時，左側減振器與穩定桿連桿連接支架斷裂，如圖1所示。通過增加翻邊，加固減振器支架，如圖2所示，繼續試驗，直至試驗完成，未再次出現減振器支架斷裂問題。

圖1 左側減振器支架斷裂

圖2 減振器支架加固方案

通過對減振器支架宏觀斷口進行分析可知，斷口由裂紋起始區、裂紋擴展區和瞬斷區組成，為多源疲勞斷裂特征。對減振器支架斷口進行微觀分析可知，裂紋源處磨損嚴重，未見明顯加工缺陷，如圖3所示。裂紋擴展區可見疲勞斷裂特征，如圖4所示。瞬斷區可見明顯韌窩，如圖5所示[2]。結論：減振器支架斷裂性質為多源疲勞斷裂特征，裂紋源未見明顯加工缺陷。減振器支架圓角處存在應力集中，支架結構設計不合理。

圖3 裂紋起始區微觀斷口分析

圖4 裂紋擴展區微觀斷口分析

圖5 瞬斷區微觀斷口分析

3 載荷譜數據分析處理

目前常見的載荷加載方式：道路載荷譜迭代、等幅加載、程序載荷譜。道路載荷譜迭代耐久試驗更接近用戶實際使用工況，考核精度更高。但由于其試驗周期較長、成本高，不利于樣件的快速高效的驗證。等幅加載耐久試驗快速、簡單、成本低，但沒有考慮不同級別載荷對樣件的疲勞壽命的影響。程序載荷譜耐久試驗是通過將道路載荷譜轉化的程序載荷，更能真實的反映樣件在路試中的受載情況和樣件的疲勞特性，具有試驗精度高、數據可靠、周期短、成本低等優點[3]。本文采用程序載荷譜進行減振器支架結構的加速試驗驗證。

3.1 載荷譜偽損傷分析

減振器支架通過穩定桿連桿傳遞載荷，計算穩定桿連桿在各個工況下承受的載荷偽損傷，乘以各個工況的循環次數，得到穩定桿連桿承受載荷的總偽損傷1.13E+16。各個工況的總循環偽損傷，如表1所示。

表1 各工況偽損傷

將各個工況載荷譜時域信號轉化為雨流矩陣，添加各個工況的循環次數，轉化為總循環雨流矩陣。From-To總循環雨流矩陣如圖6所示，Range-Mean總循環雨流矩陣如圖7所示。

圖6 From-To總循環雨流矩陣

圖7 Range-Mean總循環雨流矩陣

3.2 程序載荷譜編制

根據等效偽損傷原則，將總循環雨流矩陣轉化對應損傷分布矩陣，生成程序載荷譜，如表2所示。

表2 程序載荷譜

生成程序載荷譜的的偽損傷為1.17E+16，與道路載荷譜偽損傷基本相當。為充分驗證不同級別載荷對減振器支架疲勞壽命的影響，將程序載荷譜劃分為5個循環，如圖8所示。

圖8 程序載荷譜循環

為驗證程序載荷譜在頻數及幅值范圍方面與道路載荷譜的覆蓋關系，進行累計頻數曲線、穿級計算曲線對比，對比結果如圖9、圖10所示。

圖9 累計頻數曲線對比

圖10 穿級計算曲線對比

通過圖9、圖10累計頻數曲線、穿級計算曲線對比可知，程序載荷譜對道路載荷譜的累計頻數及幅值范圍覆蓋效果良好。

4 減振器支架程序載荷譜臺架試驗

4.1 減振器支架臺架試驗

為了驗證程序載荷譜試驗方案及減振器支架優化方案的有效性，對優化前及優化后的減振器支架進行對比試驗。根據減振器支架和穩定桿連桿在底盤懸架系統中的安裝狀態，搭建減振器支架試驗臺架，確保安裝狀態一致，臺架搭建方案如圖11所示。通過增加翻邊，優化減振器支架結構，優化后支架結構如圖12所示。

圖11 減振器支架臺架試驗方案

圖12 優化后的減振器支架結構

4.2 試驗結果分析

優化前的減振器支架，在臺架試驗運行至程序載荷譜總循環的16.3%時，減振器支架斷裂，如圖13所示。斷裂位置同12通道軸耦合懸架系統耐久試驗一致，且斷裂時循環百分比大體相同，證明了程序載荷譜試驗方案有效。方案優化后的減振器支架，3個樣本運行到200%時均未開裂，如圖14所示，證明減振器支架增加翻邊的優化方案有效。

圖13 優化前減振器支架斷裂位置

圖14 優化試驗后減振器支架

5 結語

本文通過偽損傷等效原則，介紹了程序載荷譜的編制及評定方法。通過減振器支架優化前后的臺架對比試驗，證明了程序載荷譜試驗方案及減振器支架優化方案的有效性，完成了減振器支架結構優化的加速驗證，對后續系統及零部件的臺架加速試驗具有重要的參考意義。