載荷譜技術在越野車驅動橋開發(fā)中的應用研究

李 響 曹 正林 魏 文廣 劉 再 生 宋 雙賀

（中國第一汽股份有限公司技術中心汽車振動噪聲和安全控制綜合技術國家重點實驗室）

1 前言

高機動性越野車應具備非常規(guī)的越野通過性，尤其是平順地通過壞路、無路面區(qū)域，針對此類要求，采用獨立懸架系統(tǒng)是較理想的解決方案[1]。為提高某中型越野車產品性能并實現(xiàn)輕量化，對其首次采用了獨立懸架結構，但由于該車許多零部件均沒有可參考的載荷輸入條件，所以如何確定其驅動橋的工作載荷是該車開發(fā)的重點。為此，本文探討了越野車疲勞載荷譜測試方法，并結合載荷譜的濃縮編輯技術，建立了完整的越野車零部件開發(fā)載荷譜數(shù)據庫，為該中型越野車開發(fā)提供真實的載荷輸入條件，得到了越野車驅動橋疲勞強度校核與道路耐久性試驗考核一致的結果。

2 驅動橋道路載荷譜數(shù)據采集

2.1 驅動橋載荷譜測試參數(shù)

驅動橋載荷譜測試參數(shù)包括車輛行駛過程中的驅動力矩和由路面激勵引起的動態(tài)應力。通過采集驅動橋在各種典型使用工況下的載荷-時間歷程，并經過統(tǒng)計分析處理編制成工作載荷譜，將工作載荷譜作為輸入載荷條件，可用于零部件疲勞強度計算和臺架疲勞試驗。

2.2 驅動橋載荷譜測試方法

驅動橋載荷譜測試通常采用車輪六分力測試系統(tǒng)，也可以在前橋傳動軸和變速器輸出軸上安裝應變片，通過載荷標定形成汽車零部件傳感器的方法進行扭矩測試。車輪六分力傳感器不僅可方便、準確地測量車輪工作載荷，而且可結合零部件載荷參數(shù)測試和多體虛擬迭代得到汽車其它零部件工作載荷。在汽車動態(tài)載荷測試中，零部件傳感器具有不改變汽車零件特性的優(yōu)點，其應變片的選擇和安裝可通過理論受力分析和有限元計算確定，合理的應變片安裝與應變測試橋路結合多維標定可實現(xiàn)多軸載荷測試。

2.3 載荷譜測試工況

載荷譜測試工況應盡量反映汽車用戶的實際使用條件。通常采用3種方法來確定載荷譜測試工況，一是按試車場耐久性試驗規(guī)范在試車場進行載荷譜測試，這要求試車場耐久性試驗規(guī)范能夠真實反映用戶使用條件；二是模擬用戶使用工況進行測試，包括在道路上跟隨用戶車行駛等方法；三是在一些用戶車輛上安裝測試儀器，在用戶車輛正常使用中進行實時測試。

3 等幅載荷譜編輯技術

目前越野車驅動橋的疲勞強度計算和臺架加速疲勞試驗廣泛采用等幅載荷譜編輯技術，等幅疲勞載荷譜編輯主要包括測試信號的計數(shù)處理、Time at Revolution計數(shù)法和計數(shù)結果的損傷當量計算。

3.1 測試信號的計數(shù)處理

零部件的測試載荷-時間歷程信號一般通過雨流計數(shù)得到，為多級工作載荷Pi和循環(huán)次數(shù)ni。雨流計數(shù)法在疲勞壽命計算中運用非常廣泛，其將載荷-時間歷程數(shù)據記錄轉過90°,時間坐標軸豎直向下，數(shù)據記錄猶如一系列屋面，雨水順著屋面往下流，如圖1所示。

雨流計數(shù)法規(guī)則為：

a. 雨流的起點依次在每個峰值 （谷值）的內側，即屋頂；

b. 雨流在下一個峰值（谷值）處落下，直到對面的峰值（谷值）比開始時更大（更?。橹梗?/p>

c. 當雨流遇到上面屋頂流下的雨流時就停止；

d. 取出所有的全循環(huán)，并記下各自的幅值；e. 按正負斜率取出所有的半循環(huán)，并記下各自的幅值；

f. 把取出的半循環(huán)按雨流法第二階段計數(shù)法則處理并計數(shù)。

3.2 Time at Revolution計數(shù)法

Time at Revolution計數(shù)法可用來統(tǒng)計傳動軸在不同扭矩下的旋轉圈數(shù)。由于齒輪彎曲應力幅值與傳動軸的扭矩大小相關，其應力循環(huán)次數(shù)與傳動軸的旋轉圈數(shù)相關（圖2）。對于驅動橋齒根彎曲疲勞、齒面接觸疲勞和軸承疲勞等旋轉件的載荷，可以通過對傳動軸載荷的測試扭矩及轉速-間歷程信號進行Time at Revolution法計數(shù)[3]，得到多級載荷和旋轉圈數(shù)（循環(huán)次數(shù)）。

3.3 計數(shù)結果的損傷當量計算

利用計數(shù)法得到零部件的多級載荷Pi和多級循環(huán)次數(shù)ni后，通過損傷當量計算將多級載荷簡化為單級載荷。如圖3所示，Pi和ni可通過S-N曲線和線性疲勞損傷理論（Miner公式）折算成單級疲勞載荷，即

式中，P為單級疲勞載荷；N為當量載荷循環(huán)次數(shù)；k為S-N曲線的斜率。

4 某中型越野車驅動橋載荷譜測試和應用

4.1 驅動橋載荷譜測試方案

驅動橋載荷譜測試步驟為：

a.測試驅動橋車輪六分力工作載荷，包括輪心 3 個方向承受的力（Fx、Fy、Fz）和力矩（Mx、My、Mz）；

b. 測試驅動橋輸入扭矩及輪邊驅動軸載荷；

c. 測試橋殼危險點應變；

d.驅動橋輪邊輸入軸及萬向節(jié)總成臺架疲勞試驗載荷譜的編制；

e. 驅動橋殼疲勞強度計算載荷分析。

4.2 驅動橋載荷譜測試工況

該中型越野車載荷譜測試工況采用軍用越野汽車設計定型試驗規(guī)程規(guī)定的可靠性道路試驗行駛工況[2]，如表 1所列。

表1 軍用越野汽車設計定型試驗規(guī)程 km

4.3 驅動橋載荷譜測試

該越野車載荷譜測試時采用表1中工況在汽車試驗場進行，利用車輪六分力傳感器進行車輪載荷譜測試 （圖4）, 采用應變計和遙測儀進行變速器輸出軸和中橋輪邊軸工作扭矩測試（圖5）。圖6和圖7分別為強化路工況下（卵石路、比利時路、扭曲路等）驅動橋殼應變及車輪載荷測試時間歷程。同時考慮越野車的特點，對特殊的使用工況如越障、爬坡、最大牽引力也進行了載荷測試。

4.4 驅動橋輪邊輸入軸及萬向節(jié)總成臺架疲勞試驗當量載荷譜編制

通過扭矩－轉數(shù)計數(shù)處理得到傳動系載荷譜，載荷譜扭矩統(tǒng)計間隔按驅動橋最大驅動扭矩的5%設定。對傳動軸測試扭矩和轉速-時間歷程信號進行Time at Revolution法計數(shù)，得到各級載荷和各級旋轉圈數(shù)，見表2。

采用表2中的輪邊驅動軸測試數(shù)據進行驅動橋輪邊輸入軸及萬向節(jié)總成臺架疲勞試驗當量載荷計算。根據S-N曲線和線性累積損傷當量的原則，采用表1規(guī)定試驗工況測試載荷數(shù)據，進行單級等幅臺架試驗載荷折算，則驅動橋輪邊輸入軸及萬向節(jié)總成臺架疲勞試驗載荷條件為：載荷為700～7 700 N·m，B10壽命為6萬次。

表2 可靠性試驗工況輪邊軸載荷譜數(shù)據

4.5 驅動橋殼疲勞強度載荷分析及橋殼結構改進疲勞強度有限元分析

該中型越野車在可靠性道路試驗中橋殼出現(xiàn)了疲勞裂紋，為查找橋殼裂紋產生的原因，進行了驅動橋載荷譜測試。應變測試部位為橋殼裂紋及有限元分析的高應力部位，由于在強化路行駛工況下橋殼下部前、后測點應變數(shù)據呈現(xiàn)反向趨勢（圖8），表明縱向載荷是造成橋殼裂紋的主要因素。

由于該中型越野車開發(fā)初期沒有載荷條件，所以采用了國外公司提供的疲勞強度分析載荷條件（原計算載荷）進行有限元疲勞分析。由原計算載荷幅值與測試疲勞載荷幅值相比（表3）可知，原計算垂直疲勞強度載荷與實際測試垂直載荷相近，原計算側向疲勞強度載荷高于實際測試側向載荷，原計算縱向疲勞強度載荷低于實際測試縱向載荷。

表3 原計算載荷幅值與測試疲勞載荷幅值之比

根據測試的G載荷（輪荷倍數(shù)）計算橋殼的應力分布，然后將其導入Femfat中，并結合材料疲勞特性曲線進行橋殼的疲勞強度分析，按照疲勞安全系數(shù)大于1.50滿足要求的標準判斷結構是否需要改進。表4為采用國外某公司提供載荷和采用實際測試載荷進行橋殼關鍵位置CAE分析結果，由于原計算縱向載荷低于實際測試載荷，所以采用實際測試載荷進行疲勞強度分析。分析結果表明，縱向疲勞安全系數(shù)計算結果小于1，因此需要改進橋殼關鍵位置的結構。

橋殼結構改進措施為：在橋殼后側的橋包與兩端法蘭之間分別增加了加強筋，以提高橋殼的縱向承載能力；在橋殼底部的橋包與兩端法蘭之間增大了過渡圓角，以降低局部應力集中，提高橋殼的垂向承載能力。

表4 橋殼關鍵位置CAE分析結果

由表4可知，改進結構的縱向疲勞安全系數(shù)達到了1.52，疲勞強度滿足要求。圖9和圖10為原結構橋殼和改進結構橋殼分別采用原計算載荷和測試載荷進行疲勞工況CAE分析結果。

該中型越野車驅動橋總成經過設計改進后，采用軍用越野汽車設計定型試驗規(guī)程進行了道路耐久性試驗，在凹凸不平路面行駛里程為12 000 km,越野路行駛里程為6 000 km,通過了整車耐久性道路試驗，且疲勞強度校核、臺架疲勞壽命試驗與道路耐久性試驗得到了一致的結果。

1 王忠，朱學斌.高機動性越野車懸架橫臂疲勞壽命預測，第三屆中國CAE工程分析技術年會論文集，2010.

2 GJB 4527-2002軍用越野汽車試驗定型規(guī)程，2003，5.

3 Barry James.Acquired Road Load Data into a Condensed Duty Cycle and Applying it.Romax Technology Technical Report Number 1014-5-04,2006.

4 趙曉鵬，張強，姜丁，等.某型越野車試驗場載荷譜的壓縮與外推.汽車工程，2009，31（9）：871～875.

5 劉再生，等.轎車懸架臺架多軸疲勞試驗載荷開發(fā).汽車技術，2012（6）：47～50.

6 孫春方.T—car后橋臺架疲勞試驗研究.汽車技術，2006（1）：23～26.

7 陳忠良，崔紅偉，駱紅云，等.室內整車可靠性道路模擬試驗方法.北京汽車，2005（2）：10～13.

8 高鎮(zhèn)同，熊峻江,等.疲勞可靠性.北京：北京航空航天大學出版社，2000.