基于前橋動力學模型的前軸壽命評估方法

摘要：針對車橋等零部件企業難以獲取零部件耐久性試驗規范的局限，提出一種前橋動力學模型驅動載荷構建方法，為前軸系統級臺架試驗與壽命驗證奠定基礎。基于整車動力學模型與實測道路載荷獲取前軸壽命，以其過程及結果為參考，進行前橋模型驅動信號迭代。首先，對實測輪心六分力進行頻帶調整；其次，以前軸在各工況下的損傷/壽命與參考值差值最小為目標，結合響應面法與遺傳算法對輪心三向力幅值調整系數進行優化，優化后的輪心三向力與其余三向力矩構成了前橋模型驅動信號。仿真結果表明，采用構建的輪心驅動信號進行前橋模型動態載荷模擬，獲取的前軸壽命、風險點失效順序以及各路況對危險點的損傷貢獻比等都與參考結果具有較好的一致性，驗證了提出方法的有效性，可為系統級臺架耐久性試驗的驅動信號構建與零部件壽命評估提供參考。最后，經過損傷主導載荷修正后，軸管損傷分布也與參考結果一致。

關鍵詞：前橋動力學模型；前軸壽命；響應面法；動態載荷模擬；臺架試驗

中圖分類號：U463. 1 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 002

0 引言

前軸是整車的關鍵承載部件，所處工況復雜，承受交變載荷沖擊，易出現疲勞裂紋甚至斷裂現象。前軸可靠性直接關聯汽車行駛安全性，對前軸進行疲勞分析及壽命評估是十分必要的［1］119-122［2-3］。對汽車零部件進行疲勞壽命評估時，準確掌握其動態載荷是關鍵。對于前軸等零部件，難以直接通過試驗測取接附點載荷，往往需借助整車多體動力學模型進行載荷分解來獲得［4-5］。

工程上，主要采用試驗場實車道路測試與CAE技術相結合的方法對汽車零部件可靠性進行評估［6］。李飛［7］以海南試驗場實測輪心六分力為基礎，結合整車虛擬樣機模型，使用約束加載法進行整車動態載荷模擬，計算出各路況下的轉向節壽命。龍海強等［8］通過虛擬迭代的方法獲取某車身與底盤各連接點的動載荷時間歷程，結合白車身有限元模型慣性釋放，預測了車身設計焊點的潛在風險。ZHOU等［9］聯合Adams軟件與Matlab軟件構建了三維等效容積虛擬路面，基于虛擬道路載荷數據進行了車身疲勞分析，獲得的車身損傷分布結果與實測道路載荷作用下的疲勞結果一致。目前，關于汽車零部件可靠性分析中載荷分解方法的研究大都基于整車動力學模型。其中，約束加載法［10］是最為簡單直接的。該方法既不需要通過大量計算迭代驅動信號，也不需要建立高度非線性的輪胎模型，但會在一定程度上犧牲結果的準確性，對于該方法的優化有待深入研究。

室內臺架耐久性試驗是另外一種評價汽車零部件疲勞可靠性的有效手段，該方法具有速度快、重復性好等優點［11］。根據試驗臺驅動信號加載方式，臺架試驗可分為等幅加載試驗、數據塊加載試驗以及隨機加載試驗。其中，隨機加載試驗可以精確復現汽車零部件實際受載狀態，試驗精度最高。HELMUT等［12］以某轎車前懸架系統為研究對象，基于懸架動力學模型與關鍵位置的實測響應信號，運用虛擬迭代方法反求出試驗臺架所需要的驅動信號，對懸架系統進行了臺架耐久性試驗。金紅杰等［13］基于道路試驗載荷譜進行了車架結構優化，并采用遠程參數控制迭代技術計算獲得整車臺架試驗的驅動信號，開展實際樣車的室內臺架試驗，驗證了車架優化后的可靠性。李帥等［14］基于試驗場強化道路載荷、車輛與試驗臺架構成的模擬系統的傳遞函數，迭代生成了試驗臺架驅動信號，開展了空載與半載兩種工況下的整車道路模擬強化試驗。基于實測道路載荷開展的室內臺架試驗可以大大提高研發效率，但其加載模式與實際道路試驗難以關聯，往往需要采用虛擬迭代獲取臺架試驗驅動載荷；且該方法存在迭代流程復雜、高幅響應信號很難迭代收斂等諸多局限，制約了產品開發周期和質量。