基于損傷的汽車零部件試驗分析①

管 超， 周 鋐， 徐 剛

(同濟大學，上海 201804)

隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，各個汽車生產(chǎn)企業(yè)需要逐步建立并完善自身的設計和開發(fā)機制，可靠的試驗手段則是其中的一個關鍵環(huán)節(jié).汽車底盤零部件多由金屬材料制成，而汽車在行駛過程中所承受的外部載荷主要是隨時間變化的動態(tài)隨機載荷，金屬材料在受到循環(huán)載荷作用后會引起疲勞，疲勞斷裂往往是汽車零構件的主要失效形式.所以，汽車零部件的疲勞強度和壽命預測是汽車生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問題.耐久性試驗過程作為在汽車研究開發(fā)階段最為關鍵的技術之一，既是檢驗已有設計合格與否的有效途徑，又為進一步的修改和優(yōu)化設計提供客觀依據(jù).

其中耐久試驗又分為臺架耐久試驗及實車道路耐久試驗，臺架耐久試驗因為其周期快，費用小，可控性高的優(yōu)點，往往在對樣件檢驗中作為先要手段，而一個好的臺架耐久試驗規(guī)范直接決定著產(chǎn)品開發(fā)的成本與周期[4].

一個好的臺架耐久試驗規(guī)范，應該能合適的反映實車在道路試驗中的載荷工況;過于薄弱起不到驗證的作用，而過于保守則會造成設計成本的增加以及試驗周期的延長.

減震器是汽車關鍵零部件之一，減震器主要用來抑制彈簧吸震后反彈時的震蕩及來自路面的沖擊.在經(jīng)過不平路面時，雖然吸震彈簧可以過濾路面的震動，但彈簧自身還會有往復運動，而減震器就是用來抑制這種彈簧跳躍的.減震器的疲勞壽命對整車品質影響至關重要.本文從疲勞損傷的角度對減震器加速試驗的方法作出研究并改進，使其可以更好的評估實車工況.

1 試驗方案

由于某汽車零部件在滿足臺架試驗標準的情況下，仍然時有問題發(fā)生，其中發(fā)生頻率最高的是密封圈漏油現(xiàn)象.故采集試車場實車道路工作載荷數(shù)據(jù)和臺架實驗的數(shù)據(jù)并比較分析，對該零部件的加速試驗規(guī)范進行改進.

1.1 測點方案及傳感器安裝

1)側向力:在前減震器外筒上測量彎曲應變，通過標定，得到在R/Guide處施加彎矩與應變信號的關系，測量實車道路試驗的應變信號，轉換成等效的彎矩譜，并與臺架試驗進行對比

2)螺旋彈簧(DSM Stroke):在Coil spring上測量剪切應變，通過標定，得到位移與應變信號的關系，測量實車道路試驗的應變信號，轉換成等效的stroke譜，并與臺架試驗進行對比

3)Drop link:在Drop link上測量軸向應變，通過標定，得到軸向力與應變信號的關系，測量實車道路試驗的應變信號，轉換成等效的載荷譜，并與臺架試驗進行對比

4)閥系:通過測量減震器的行程(前減震器通過彈簧剪切應變轉換，后減震器直接測量)，再求一階微分，最終轉換成等效閥系速度譜，并于臺架試驗進行對比

5)Tie Rod:在Tie Rod上測量軸向應變，通過標定，得到軸向力與應變信號的關系，測量實車道路試驗的應變信號，轉換成等效的載荷譜，并與臺架試驗進行對比

圖1 前減振器傳感器布置示意圖

圖2 前減振器布置示意圖

1.2 臺架標定試驗

根據(jù)所要比較的臺架試驗規(guī)范，為了較好地反映載荷的響應，選擇幾個仿真計算結果得出的危險點及平時用車過程當中容易受到較大載荷的點和易疲勞斷裂的點進行考核.為了獲得應變信息與實際物理量的對應關系，就必須進行臺架試驗標定，得到載荷與應變之間的確定性關系.

1.3 臺架試驗

根據(jù)現(xiàn)有試驗方案對減振器進行臺架試驗，并采集減振器關鍵位置的應變信號.臺架試驗主要根據(jù)實際試驗規(guī)范，試驗記錄5分鐘臺架單頻加載試驗穩(wěn)態(tài)響應信號，單頻恒幅加載總的疲勞損傷基本一致，試驗較簡單，而且加速效果比較顯著，這種方法目前汽車零部件應用比較多;但疲勞損傷的分布沒辦法考慮，而且頻率信息丟失，也不適合多軸[3].試車場試驗將標定后的汽車零部件安裝在試驗車輛上，如圖(1)，(2)所示，并安裝附加傳感器以盡量多的獲得車輛動態(tài)響應信息.信號調試完善后將試驗車托運至北京通州試驗場進行試驗場道路工作載荷采集.試驗分為半載和滿載兩種工況，分別對三個駕駛員按照試兩種試驗規(guī)范進行道路譜采集以獲得多個樣本數(shù)據(jù).

圖3 某通道完整信號及其分割后的各有效路面信號

2 損傷計算

本次數(shù)據(jù)處理過程首先是對所采集的信號根據(jù)典型路面信號特征及音頻、視頻分離出規(guī)范里所有的路段，然后對各分段信號進行評價，然后經(jīng)過處理后得到去除了過度路面的有效路面的完整信號.最終進行損傷計算，比較道路試驗與臺架試驗的當量關系[1].

根據(jù)通縣規(guī)范采集得到的道路譜響應信號器其頻域能量主要集中在80Hz以下的低頻段，而且主要有些特殊路段(如卵石路)、某些通道(如前減振器上端)的高頻信息比較多，對這些信號濾波處理，保留信號頻率80Hz以下的信息.

圖4為其中一個信號3個樣本的功率譜(PSD)，穿級計數(shù)及雨流統(tǒng)計圖等

把采集的信號進行雨流計數(shù)后進行外推，得到更長歷程的外推雨流矩陣，多有些受力情況復雜的地方要進行多軸疲勞分析.

當材料承受高于疲勞極限的應力時，每一個循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，每一個循環(huán)所造成的平均損傷為l/N.這種損傷是可以積累的，n次恒幅載荷所造成的損傷等于其循環(huán)比c=n/N.變幅載荷的損傷D等于其循環(huán)比之和，即，l為變幅載荷的應力水平級數(shù)，ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級載荷下的疲勞壽命.當損傷積累到了臨界值Df時，就發(fā)生疲勞破壞.Df為臨界損傷和，簡稱損傷和，通常取為1.

圖4 信號的各統(tǒng)計圖

本文根據(jù)Miner法則計算損傷Δ是S－N曲線斜率的倒數(shù)，SE，NE是S－N曲線上參考點的應力值和循環(huán)數(shù)，根據(jù)前面雨流統(tǒng)計出來的幅值與循環(huán)數(shù)計算每個遲滯環(huán)的損傷，然后進行線性疊加，即可得出本文所計算出來的損傷[2].

圖5是數(shù)據(jù)處理過程中計算偽損傷所用的SN曲線，斜率K=5.

圖5 S－N曲線

對于臺架試驗和試車場試驗采集得來的數(shù)據(jù)進行分析，計算出損傷進行對比.通過對臺架試驗和試車場道路譜采集和分析，垂直方向載荷上，臺架試驗造成的偽損傷為1.79E－01，明顯超出試車場道路載荷所造成的損傷3.9～5.1E－02，可以滿足其耐久性要求;而在側向載荷上，臺架試驗所采集的數(shù)據(jù)計算出來的損傷6.93E－05比試車場2.9E－04小很多，且道路試驗側向力峰值亦為臺架試驗側向力峰值的5倍左右，其臺架耐久性試驗很難去考核零部件的實際使用情況，故有待改進.

3 結論

通過對減振器臺架試驗和試車場道路譜采集和分析，垂直方向載荷上，臺架試驗造成的偽損傷為試車場道路載荷譜的4倍左右，可以看出現(xiàn)有減振器垂直方向臺架試驗規(guī)范存在較大余量.而在側向載荷上，試驗結果表明試車場道路載荷譜造成的偽損傷為臺架試驗的4倍左右，且道路試驗側向力峰值亦為臺架試驗側向力峰值的5倍左右.可以看出現(xiàn)有減振器側向力試驗臺架規(guī)范較弱，未能較好地考核減振器所受側向力.

[1]彭為.典型地區(qū)道路與EVP載荷譜當量關系及轎車后橋壽命數(shù)字化預測研究[D].上海:同濟大學，2004.

[2]Yung－Li Lee，F(xiàn)atigue Test And Analysis(Theory and Practice)[D].ELSEVIER，2005.

[3]朱濤基于損傷的定量疲勞編輯及加速試驗[C].2007年汽車工程學會年會.

[4]趙少汴，抗疲勞設計－方法與數(shù)據(jù)[M].北京:機械工業(yè)出版社.