基于道路載荷譜的汽車后減振器座失效研究

賈慧利

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

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基于道路載荷譜的汽車后減振器座失效研究

賈慧利

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

減振器座是車身結(jié)構(gòu)重要部分之一，主要承受來自懸架系統(tǒng)的垂向載荷.對某車型在路試工況中后減振器座發(fā)生了輕微裂紋為研究對象，而后期提升整車綜合性能需降低減振器阻尼系數(shù)，分析路試中減振器阻尼系數(shù)，車輛配重參數(shù)對減振器座疲勞壽命的影響.結(jié)合CAE將減振器座模型加載上跳工況獲得載荷大小做靜力學(xué)分析，計(jì)算應(yīng)力載荷分布并確定應(yīng)力敏感點(diǎn).通過應(yīng)變計(jì)獲得不同減振器阻尼和車輛配重下的道路載荷譜，確定減振器座開裂原因，并提出在減振器座上增加加強(qiáng)筋改進(jìn)方案.最后經(jīng)過路試工況驗(yàn)證，使用效能可靠.

疲勞壽命；道路載荷譜；阻尼系數(shù)

當(dāng)前汽車的配置，絕大多數(shù)都是采用承載式車身，而減振器座是車身結(jié)構(gòu)重要部分之一，承受來自六個(gè)方向的不同載荷，而其主要承受來自懸架系統(tǒng)的垂向載荷[1].減振器是車輛懸架的主要阻尼元件，它和懸架彈性元件并聯(lián)于車身和車輪之間，其參數(shù)確定將直接影響整車的平順性、舒適性、平穩(wěn)性和安全性.在追求各項(xiàng)性能最佳時(shí)，需要調(diào)節(jié)減振器阻尼的大小，但是減振器阻尼過大時(shí)還可能導(dǎo)致減振器座的疲勞失效.

零部件的疲勞壽命主要由載荷、材料、設(shè)計(jì)和制造四個(gè)方面決定[2]，掌握特定工況下的載荷譜將是至關(guān)重要的，它可以有利于材料確定、幾何尺寸設(shè)計(jì)和制造工藝選擇，從而滿足零部件的疲勞壽命.由于車輛在道路上行駛，稱之為道路載荷譜.道路載荷譜是車輛使用環(huán)境下零部件運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的綜合應(yīng)力強(qiáng)度實(shí)時(shí)變化過程，是進(jìn)行車輛零部件可靠性和耐久疲勞壽命研究的重要依據(jù)之一[3].掌握載荷譜變化規(guī)律是進(jìn)行耐久性試驗(yàn)、疲勞壽命估計(jì)和疲勞設(shè)計(jì)等的先決條件[4].

圖1　減振器座開裂位置

整車汽車研發(fā)過程中，試驗(yàn)類型通常被分成公共道路試驗(yàn)、試驗(yàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)和臺(tái)架室內(nèi)試驗(yàn).試驗(yàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)不僅能夠快速驗(yàn)證并發(fā)現(xiàn)其潛在故障失效模式，也能大大縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期，節(jié)約開發(fā)成本.對某車型前期開發(fā)過程中，后減震器座在試驗(yàn)場驗(yàn)證過程中發(fā)生了輕微裂紋，如圖1所示.本文以某車型左后減振器座在完成規(guī)定試驗(yàn)里程80%時(shí)發(fā)生輕微裂紋為研究，進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并結(jié)合道路載荷譜，分析了開裂影響因素，并提出優(yōu)化方案，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析提供了參考經(jīng)驗(yàn).

1　后減振器座有限元分析

為了更好理解后減振器應(yīng)力分布和危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力方向，需建立后減振器座有限元分析模型.由于車輛在運(yùn)動(dòng)過程中車輪的上下跳動(dòng)，后減振器座主要受到來自垂向載荷，使其產(chǎn)生拉壓彎曲變形，而用于固定減振器導(dǎo)桿的圓孔周圍位置也是應(yīng)力集中較為敏感區(qū)域，也是重點(diǎn)關(guān)注位置.本文選取1/4車身模型作為分析對象，全約束截取面自由度，分析模型如圖2所示.后減振器座選用的材料為SAPH440，其材料參數(shù)由實(shí)測而得，屈服強(qiáng)度為367 MPa，抗拉強(qiáng)度為527 MPa.

根據(jù)路試試驗(yàn)工況特點(diǎn)，分析了上跳工況，最后經(jīng)過動(dòng)力學(xué)算出減振器座處受力載荷為4 950 N，在此載荷條件下，其應(yīng)力分布如圖3所示.

圖2　1/4車身模型

圖3　后減振器座應(yīng)力分布圖

從圖3可以看出應(yīng)力集中位置和變形方向，與圖1路試輕微開裂位置和方向一致，說明有限元分析結(jié)果和路試試驗(yàn)結(jié)果具有良好一致性.

2　減振器阻尼特性及測試

2.1減振器阻尼特性

減振器的主要作用是衰減、降低車身和車輪的振動(dòng)，來改善汽車的行駛平順性，提高乘坐舒適性.減振器的特性[5]主要以其速度特性來描述,公式表示為：

F=δν

式中，F(xiàn)為減振器阻尼力，N；δ為減振器阻尼系數(shù)，Ns/m；v為減振器中活塞相對速度，m/s.

2.2減振器阻尼測試

由于某車型后減振器座在路試過程中出現(xiàn)了輕微開裂和后期提升整車綜合性能需降低減振器阻尼系數(shù)，為了分析減振器阻尼系數(shù)對減振器座壽命的影響，故對兩種狀態(tài)的減振器性能參數(shù)進(jìn)行測量.用INOVA減振器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)對減振器進(jìn)行測試,試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示.

表1　前期減振器性能參數(shù)

表2　后期減振器性能參數(shù)

3　試驗(yàn)場載荷譜采集及數(shù)據(jù)分析

3.1道路載荷譜采集準(zhǔn)備

根據(jù)后減振器座路試輕微開裂位置和有限元分析結(jié)果，可以確定后減振器結(jié)構(gòu)最為敏感和應(yīng)力集中位置，因此在此區(qū)域測試變形量.根據(jù)后減振器座變形特點(diǎn)，1/4惠斯通橋路被使用來測試應(yīng)變值大小，同時(shí)開裂對稱位置也被粘貼應(yīng)變計(jì)，其應(yīng)變位置如圖4所示.為防止應(yīng)變計(jì)在測試過程中發(fā)生損壞，導(dǎo)致載荷譜數(shù)據(jù)之間分析無參考性，需對其固定、防水等保護(hù).

3.2道路載荷譜采集方案

后減振器座在路試工況下發(fā)生輕微變形，故選擇測試方案需要和路面工況一致.由于路試配載是空載和滿載更替進(jìn)行，因此配載是減振器座開裂誘因之一.減振器的阻尼力越大，振動(dòng)消除得越快，但卻使并聯(lián)的彈性元件的作用不能充分發(fā)揮.同時(shí)，過大的阻尼力還可能導(dǎo)致減振器座開裂，而后期整車綜合性能提升需降低減振器阻尼系數(shù)，故減振器阻尼也成為后減振器座開裂因素之一.根據(jù)上述闡述因素提出道路載荷譜采集方案，其方案如表3所示.

圖4　后減振器座貼片位置

方案配載減振器狀態(tài)test1空載前期test2滿載前期test3空載后期test4滿載后期

3.3載荷譜數(shù)據(jù)分析

道路載荷譜指車輛行駛過程中載荷隨時(shí)間變化，并具有統(tǒng)計(jì)特征的載荷時(shí)間歷程.為了獲取具有代表的載荷譜，每種測試方案采集了5組.如圖5所示為路試工況下后減振器座的道路載荷譜應(yīng)變-時(shí)間歷程曲線.

由圖5可知，由于路試中開裂位置與應(yīng)變計(jì)2的位置相對應(yīng)，因此選擇應(yīng)變計(jì)2進(jìn)行道路載荷譜分析.Test 1中應(yīng)變計(jì)2最大和最少應(yīng)變值為336.5和-332；Test 2中應(yīng)變計(jì)2最大和最少應(yīng)變值為585.57和-1 610；Test 3中應(yīng)變計(jì)2最大和最少應(yīng)變值為369和-330.2；Test 4中應(yīng)變計(jì)2最大和最少應(yīng)變值為524.9和-980.3.

圖6　相對損傷比較

然而，通過真實(shí)S-N或E-N曲線可以計(jì)算出真實(shí)損傷和疲勞壽命，但是相對損傷也廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程分析和試驗(yàn)道路載荷譜數(shù)據(jù)分析，其損傷等效原則源于Palmgren-Miner準(zhǔn)則[6].本文基于損傷等效原則計(jì)算分析了應(yīng)變計(jì)2的不同配重和阻尼下的相對損傷計(jì)算，相同配載下不同狀態(tài)減振器阻尼大小相對損傷比較，如圖6所示.

由圖6可知，在空載條件下，其后期減振器的相對損傷約為前期相對損傷的0.89倍；在滿載條件下，其后期減振器的相對損傷約為前期相對損傷的0.43倍，而路試工況為空滿載交替進(jìn)行，故后期減振器的相對損傷約為前期相對損傷的0.66倍.而前期后減振器座發(fā)生開裂約為規(guī)定試驗(yàn)里程的80%，故估計(jì)后期后減振器座發(fā)生輕微開裂約為規(guī)定試驗(yàn)里程的1.2倍.但是為了更進(jìn)一步提高安全系數(shù)和行駛里程，需進(jìn)一步提出優(yōu)化方案.

4　優(yōu)化方案與對比分析

4.1優(yōu)化方案

通過上述道路載荷譜數(shù)據(jù)分析，得出后減振器輕微開裂是由滿載和大阻尼系數(shù)減振器共同作用的結(jié)果，而性能提升后減振器阻尼系數(shù)減少，且通過相對損傷比較可以確定路試工況下不出現(xiàn)開裂，但是為了進(jìn)一步提高后減振器安全系數(shù)，對后減振器座提出了優(yōu)化方案，即在原減振器座上增加了安裝板支架，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案模型如圖7所示.

4.2優(yōu)化方案與原方案對比分析

利用CAE分析手段，對上述兩種方案分析靜強(qiáng)度，其應(yīng)力分布云圖如圖8所示.

從圖8中可以看出，原方案后減振器座的最大Von Mises等效應(yīng)力分布為355.8 MPa，而優(yōu)化后減振器座的最大Von Mises等效應(yīng)力分布為295.6 MPa，即相對原方案后減振器座Von Mises等效應(yīng)力減少了17%，同時(shí)后減振器安裝板支架的最大Von Mises等效應(yīng)力為272 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力值均小于材料的屈服極限，滿足設(shè)計(jì)條件要求.

(a)原方案后減振器座應(yīng)力分布云圖　(b)優(yōu)化方案后減振器座應(yīng)力分布云圖　　(c)安裝板支架應(yīng)力分布云圖圖8　應(yīng)力分布云圖

5　路試驗(yàn)證結(jié)果

將優(yōu)化后的后減振器座和后期后減振器在試驗(yàn)樣車中體現(xiàn)，通過在試驗(yàn)工況下進(jìn)行了試驗(yàn)考核與驗(yàn)證，并在規(guī)定試驗(yàn)里程下追加30%里程，都沒有出現(xiàn)后減振器裂紋，故優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案是可行的，并具有較好的實(shí)用效能.

6　結(jié)語

本文在路試工況條件下，采集了后減振器后開裂處的道路載荷譜，分析了不同減振器阻尼和配載下對后減振器座疲勞壽命的影響，為減振器后設(shè)計(jì)和減振器阻尼提供了分析依據(jù).為了更好地提高減振器座的疲勞壽命，進(jìn)一步提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，結(jié)果均小于材料的屈服強(qiáng)度.最后通過整車路試試驗(yàn)特征，對后期減振器阻尼和后減振器座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案合理可行.

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工程出版社，2009.

[2]HE Bai-yan,WANG Shu-xin,GAO Feng.Failure analysis of an automobile damper spring tower[J].Engineering Failure Analysis,2010,14:498-505.

[3]郭虎，陳文華，樊曉燕.汽車試驗(yàn)場可靠性強(qiáng)化系數(shù)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004,40(10)：73-76.

[4]蔡建進(jìn)，邵明亮.全承載大客車骨架左側(cè)圍載荷譜測試與研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2011(6):139-142.

[5]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]WANG Zheng-zhong,MA Wei,WANG Yi-heng,et al.Accelerated testing for design verification and improvement of powertrain mounting structure[D].SAE International Technical Paper,2013.

[責(zé)任編輯王新奇]

Research on Failure of the Rear DamperBase for Automobile Based on Load Spectrum of Road

JIA Hui-li

(School of Automobile Engineering, Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241000, China)

The damper base is an important part of the automobile body structure, which bears the vertical load from the suspension system. In this paper, taking the slight cracks occurred in the rear damper base of a certain type of vehicle in the road test condition as the research object, and improving the overall performance of the vehicle needs to reduce the damping coefficient of damper in the later stage, and influence of the damping coefficient of damper and the vehicle weight parameters on the fatigue life of damper base was analyzed. In combination with the CAE, the damper base model was loaded on the jump condition to obtain the load size and to do the static analysis, the stress distribution was calculated and the stress sensitive point was determined. The load spectrum of road under different damper and vehicle weight load was got by strain gauge, and the cracking cause of the damper base was determined, and the improvement scheme of increasing reinforcement on the damper base was proposed. Finally, the test condition was verified, and the efficiency was reliable.

fatigue life; load spectrum of road; damping coefficient

1008-5564(2016)02-0023-05

2015-10-29

安徽省2014年高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014jyxm476)

賈慧利(1981—)，女，河南新鄉(xiāng)人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院講師，主要從事汽車檢測與維修教學(xué)與研究.

U463.83

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