多軸載荷作用下減振器耐久性試驗(yàn)載荷譜編制

鄭松林 王 爍 馮金芝 陳 鐵 于佳偉

1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海，2000932.機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200093

多軸載荷作用下減振器耐久性試驗(yàn)載荷譜編制

鄭松林1,2王 爍1馮金芝1,2陳 鐵1于佳偉1

1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海，2000932.機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200093

傳統(tǒng)的減振器耐久性試驗(yàn)只考慮減振器的垂向載荷，對(duì)于水平力的加載沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，針對(duì)該問題，結(jié)合實(shí)測(cè)用戶道路載荷，提出了一種考慮多軸載荷作用的載荷譜編制方法。為了分析某型轎車出現(xiàn)減振器失效漏油的原因，采用低頻信號(hào)疊加高頻信號(hào)的方式構(gòu)建載荷譜，運(yùn)用半功率帶寬法和最大線速度原理確定低頻及高頻信號(hào)，并進(jìn)行了垂向力及水平力同時(shí)加載的減振器臺(tái)架耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在水平力作用下減振器壽命受到較大影響，且失效里程與調(diào)查結(jié)果基本吻合，由此說明所編制的耐久性試驗(yàn)載荷譜能夠較為準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)減振器的實(shí)際工作情況，可為減振器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供技術(shù)支持。

減振器;多軸載荷;載荷譜編制;耐久性試驗(yàn)

0 引言

汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，耐久性試驗(yàn)已成為各大汽車廠商開發(fā)流程中的必要步驟[1]。耐久性試驗(yàn)主要分為社會(huì)道路試驗(yàn)、試車場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)三類[2-3]。其中，室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)無需考慮試車場(chǎng)地、測(cè)試車輛和駕駛?cè)藛T等因素，并且可以對(duì)所需載荷譜進(jìn)行編輯處理，可大幅提高試驗(yàn)效率，因此被廣泛采用[4]。

減振器作為汽車懸架系統(tǒng)的主要部件，其可靠性與耐久性會(huì)直接影響到車輛的舒適性和操縱穩(wěn)定性[5]。減振器的主要作用是迅速衰減車身和車輪間的相對(duì)振動(dòng)，降低車輪動(dòng)載，從而改善車輪行駛的平順性[6]。在減振器的實(shí)際工作中，減振器上安裝點(diǎn)的受力方向與減振器的軸線方向不重合，這種不重合導(dǎo)致了減振器水平力的產(chǎn)生[7]。水平力過大會(huì)導(dǎo)致減振器零件間的摩擦增大，造成減振器活塞桿球頭以及其他零件間的摩擦增大，導(dǎo)致減振器失效、車輛平順性降低[8]。目前，國(guó)內(nèi)外減振器耐久性試驗(yàn)只考慮減振器的垂向載荷，對(duì)于水平力的加載則沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確[9]。

本文針對(duì)某品牌某型轎車(出租車)在浙江某地特殊路況下大量出現(xiàn)減振器漏油失效的現(xiàn)象，調(diào)查了該型轎車的減振器的失效時(shí)間和失效里程，并分析了其失效原因?；趯?shí)測(cè)用戶道路載荷，編制了垂向加載譜和水平加載譜，并采用自行編制的加載譜進(jìn)行了減振器的室內(nèi)耐久性試驗(yàn)。

1 減振器壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

隨機(jī)選取60輛該型轎車并對(duì)司機(jī)進(jìn)行問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，該型轎車平均每月行駛里程為1.2萬km，減振器的失效情況如表1所示。

表1 減振器失效情況

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，減振器的平均失效時(shí)間為8.02個(gè)月。該型轎車月平均行駛里程為1.1萬km，可以得出減振器的平均失效里程約為8.8萬km。其中97%是漏油導(dǎo)致的失效，且車輛前側(cè)減振器失效數(shù)量多于后側(cè)，失效情況如圖1所示。

圖1 減振器漏油失效Fig.1 Failure of damper

2 用戶道路載荷譜采集與處理

2.1用戶道路載荷譜采集

在用戶道路載荷譜采集過程中，應(yīng)重點(diǎn)采集具有代表性的道路工況。在本文的用戶道路載荷譜采集中，根據(jù)該地區(qū)出租車的實(shí)際使用情況，確定了用戶道路載荷譜采集路況為：高速路況、城市路況、山區(qū)路況、城郊路況，并且按照不同配重情況，在不計(jì)駕駛員的情況下，進(jìn)行1～3人不同配重的用戶道路載荷譜采集。共采集了4個(gè)減振器垂向、側(cè)向、縱向3個(gè)方向的應(yīng)變及減振器伸縮桿位移共計(jì)16個(gè)通道載荷數(shù)據(jù)，采樣頻率為500 Hz。高于100 Hz的振動(dòng)對(duì)汽車零部件耐久性的影響幾乎可以忽略不計(jì)，同時(shí)為防止其他信號(hào)干擾，采集時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了100 Hz低通濾波[10]。

2.2用戶道路載荷譜預(yù)處理

用戶道路試驗(yàn)采集到的是模擬信號(hào)，為了便于計(jì)算機(jī)處理，首先需要通過信號(hào)處理軟件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于系統(tǒng)誤差、人為操作誤差、采集環(huán)境變化、傳感器故障等原因，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)毛刺、數(shù)據(jù)限幅、零漂、長(zhǎng)度不足、混淆等問題，因此必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

3 試驗(yàn)載荷譜編輯處理

3.1用戶道路載荷譜分析

本文中，按照城市道路、城郊道路、山區(qū)道路、高速道路4種路況將所采集到的載荷譜分成4類，并且利用載荷譜處理軟件，將相同路況合并成一段載荷-時(shí)間歷程。用戶道路載荷譜是實(shí)測(cè)得到的隨機(jī)信號(hào)，載荷譜的頻率范圍廣，圖2為左前減振器4種路況的PSD曲線(即功率譜密度曲線)，從圖中可以看出，減振器伸縮桿在不同路況下的PSD分布大致相同，載荷譜能量集中在0～10 Hz，能量峰值集中在1.47 Hz左右。

圖2 左前減振器4種路況PSD曲線Fig.2 PSD of left front damper on different road

3.2試驗(yàn)加載譜編制

為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，本文采用Sine on Sine(即低頻正弦信號(hào)上疊加高頻正弦信號(hào))的方式構(gòu)建載荷譜。為了更好地復(fù)現(xiàn)隨機(jī)載荷對(duì)減振器耐久壽命的影響，需要確定Sine on Sine加載譜塊的低頻加載頻率、高頻加載頻率以及各個(gè)頻率加載次數(shù)。試驗(yàn)加載譜具體處理方法如下：

(1)刪除無效載荷。由于相同路況組合成一段載荷譜之后，載荷譜中存在大量的無效信號(hào)及停車工況，因此在進(jìn)行載荷譜處理時(shí)，需要將這部分無效信號(hào)刪除，保留實(shí)際采集得到的載荷譜。

(3)刪除小載荷。在減振器伸縮桿位移載荷譜中存在大量的小幅值載荷，這部分小幅值載荷對(duì)減振器的壽命影響很小，因此在進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)時(shí)刪除一部分小幅值載荷，從而提高試驗(yàn)效率，縮短減振器試驗(yàn)的時(shí)間。本文中，以最大載荷幅值的10%作為小載荷刪除條件[12]。

圖3 低頻加載頻率選取Fig.3 Select the frequency of low frequency load

路況低值頻率f1中值頻率f0高值頻率f2山區(qū)0.891.471.99高速1.151.471.98城郊1.091.472.14城市0.961.472.14

(4)低頻載荷參數(shù)計(jì)算。減振器伸縮桿低頻信號(hào)主要包括加載頻率、低頻幅值、低頻均值這三個(gè)參數(shù)。加載頻率已在表2中求出，低頻幅值和均值可通過雨流計(jì)數(shù)的方法得到。山區(qū)路況的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果如表3所示。減振器伸縮桿在實(shí)際工作過程中，當(dāng)減振器處于低值頻率時(shí)，減振器伸縮桿幅值變化大、變化次數(shù)少；當(dāng)減振器處于高值頻率時(shí)，減振器伸縮桿幅值變化小、變化次數(shù)多，而中值頻率的幅值變化、變化次數(shù)應(yīng)當(dāng)處于低值和高值之間。為便于計(jì)算，將載荷譜的均值和幅值均分為9級(jí)。將前3級(jí)幅值的加權(quán)平均數(shù)作為高值頻率的行程，4～6級(jí)幅值的加權(quán)平均數(shù)作為中值頻率的行程，7～9級(jí)幅值的加權(quán)平均數(shù)作為低值頻率的行程。將9級(jí)均值的加權(quán)平均數(shù)作為低頻加載的均值。所以，山區(qū)路況下，減振器分別處于低值、中值、高值頻率時(shí)的伸縮桿行程依次為98.1 mm、49.2 mm、18.3 mm，低頻加載的均值為132.3 mm。按照該方法可依次得到4種路況下的低頻載荷參數(shù)。

表3 山區(qū)路況載荷譜均值、幅值二維矩陣

(5)高頻載荷參數(shù)計(jì)算。采用濾波的方法，分別以10～15 Hz、15～20 Hz和20～25 Hz為濾波帶寬，得到在該三個(gè)頻率范圍內(nèi)的載荷信號(hào)，以12.5 Hz、17.5 Hz和22.5 Hz作為中值頻率，采用與低頻載荷參數(shù)計(jì)算相同的方法來計(jì)算幅值和均值。根據(jù)每秒內(nèi)線速度最大的原則，確定了15～20 Hz為高頻加載頻率，高頻加載行程計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4高頻加載行程

Tab.4Highfrequencyparametercalculationresultsmm

路況高頻加載頻率15.5Hz17.5Hz19.5Hz山區(qū)9.55.20.8高速13.87.21.0城郊11.56.00.8城市7.04.10.5

試驗(yàn)載荷譜編制流程如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)載荷譜編制流程Fig.4 Compile test load spectrum

3.3加載譜與用戶道路載荷譜當(dāng)量關(guān)系

為了建立加載譜與用戶道路載荷譜之間的當(dāng)量關(guān)系，需要確定載荷譜塊的加載次數(shù)，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，山區(qū)、高速、城郊、城市4種路況分別占總使用情況的10%、20%、20%、50%。根據(jù)雨流計(jì)數(shù)的結(jié)果，以城市路況為標(biāo)準(zhǔn)得到不同路況的加載次數(shù)和當(dāng)量里程，如表5所示。由表5可得出，一個(gè)載荷譜塊的當(dāng)量里程為138.3 km。

3.4水平加載力計(jì)算

由于載荷譜采集過程中采集到的是減振器的應(yīng)變信號(hào)，為得到耐久試驗(yàn)中所需的水平加載力，需要通過標(biāo)定試驗(yàn)確定縱向力及側(cè)向力與應(yīng)變的關(guān)系。

表5 載荷譜加載次數(shù)

當(dāng)減振器活塞桿的伸縮量不同時(shí)，內(nèi)部活塞以及活塞桿所處的位置也不同，會(huì)影響減振器的側(cè)向剛度，因此在進(jìn)行減振器縱向力及側(cè)向力與應(yīng)變關(guān)系標(biāo)定時(shí)，需要標(biāo)定出減振器在不同伸縮量下，力與應(yīng)變間的關(guān)系。

通過標(biāo)定試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，減振器在不同的伸縮量下力與應(yīng)變?chǔ)砰g的比例系數(shù)并不相同。左前減振器縱向及側(cè)向應(yīng)變與力之間的比例系數(shù)Kx、Ky與活塞桿伸縮量L間的關(guān)系式如下：

Kx=0.0002L-0.0011 (N-1)

(1)

Ky=0.0002L+0.0005 (N-1)

(2)

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，結(jié)合式(1)、式(2)，可得出左前減振器縱向力、側(cè)向力的計(jì)算公式。

左前減振器縱向力

Fx=ε/(0.0002L-0.0011)-9.1067 (N)

(3)

左前減振器側(cè)向力：

Fy=ε/(0.0002L+0.0005)+8.1480 (N)

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)，結(jié)合左前減振器縱向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變和位移三個(gè)通道的數(shù)據(jù)，可得到左前減振器的縱向力-時(shí)間歷程和側(cè)向力-時(shí)間歷程，分別如圖5、圖6所示。按照相同的方法，計(jì)算出不同減振器的側(cè)向力-時(shí)間歷程和縱向力-時(shí)間歷程。

圖5 左前減振器縱向力-時(shí)間歷程載荷譜Fig.5 Lengthways force-time histories spectrum of front left damper

圖6 左前減振器側(cè)向力-時(shí)間歷程載荷譜Fig.6 Lateral force-time histories spectrum of front left damper

圖7 山區(qū)路況水平力幅值-時(shí)間歷程Fig.7 Horizontal force-time histories spectrum on mountain road

在車輛行駛過程中，減振器受到側(cè)向力和縱向力的共同作用，因此將側(cè)向力和縱向力合成為一個(gè)合力(即水平力)。山區(qū)路況下水平力幅值-時(shí)間歷程如圖7所示。觀察不同路況的水平力情況可知，山區(qū)路況的水平力最大，去除一部分不符合載荷譜統(tǒng)計(jì)規(guī)律的載荷，選擇山區(qū)路況水平力最大值的2/3即恒定值140 N作為水平力加載載荷。

4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為在室內(nèi)復(fù)現(xiàn)水平力對(duì)汽車減振器耐久壽命的影響，本文采用MTS 849減振器沖擊測(cè)試系統(tǒng)對(duì)減振器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，如圖8所示。垂向載荷通過作動(dòng)缸進(jìn)行位移加載，恒定的水平力通過專用夾具來加載。

圖8 減振器臺(tái)架試驗(yàn)Fig.8 Damper bench test

共進(jìn)行6組減振器臺(tái)架試驗(yàn)，其中前2組不施加水平力，后4組按照前文所述方式進(jìn)行水平力加載，試驗(yàn)結(jié)果見表6。通過減振器的臺(tái)架試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，沒有水平力作用的情況下減振器平均壽命為19.13萬km，而在水平力作用下減振器平均壽命僅為7.35萬km，說明在水平力的作用下減振器的耐久壽命受到了較大的影響。減振器的失效形式均為漏油失效，且壽命與前期調(diào)查結(jié)果較為符合，說明本文采用的編譜方法可以較為準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)該地區(qū)該型轎車減振器的工作情況。

表6 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對(duì)某品牌某型轎車(出租車)在某地大量出現(xiàn)減振器漏油失效的現(xiàn)象，對(duì)其失效原因進(jìn)行了分析與研究?；趯?shí)測(cè)用戶道路載荷，提出了基于多軸載荷作用的減振器室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)用載荷譜的編制方法。

采用低頻正弦信號(hào)疊加高頻正弦信號(hào)的方式加載載荷譜，確定了低頻加載頻率、高頻加載頻率及各頻率加載次數(shù)，有效地縮短了試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)實(shí)測(cè)用戶道路載荷，確定水平力加載譜。為驗(yàn)證所采用編譜方法的正確性，對(duì)減振器進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，6組減振器的失效均由漏油引起，且在水平力作用下失效里程與調(diào)查結(jié)果基本吻合，說明采用的編譜方法能較為準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)該型轎車在某地區(qū)的實(shí)際工作情況，且水平力對(duì)減振器的耐久壽命造成了較大影響。

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LoadSpectrumCompilationofDamperDurabilityTestsBasedonMulti-axialLoads

ZHENG Songlin1,2WANG Shuo1FENG Jinzhi1,2CHEN Tie1YU Jiawei1

1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai，200093 2.CMIF Key Lab for Automotive Strength & Reliability Evaluation,Shanghai,200093

Traditional damper durability tests only took the vertical loads into consideration and without unified standard for horizontal force loading, which led to inaccurate results. Given this situation, combined with actual user road load, this paper proposed a new method considering load spectrum with the multi-axial loads. With sine on sine method to compilation the load spectrum in order to analyze the failure reason of damper. The half-power bandwidth method and the maximum line velocity principle were employed to determine the low frequencies and high frequencies respectively, then establish durability bench test with multi-axial loads. The test results show that damper’s failure lifes reduce greatly with the horizontal forces and the failure mileage consisted with survey results. It turns out that the spectrum compilation method may be more accurate to reappear the actual working status, and may provide technical support for the damper designs and improvements.

damper; multi-axial load; load spectrum compilation; durability test

U463.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.005

2016-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375313)；上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13JC1408500)

(編輯盧湘帆)

鄭松林,男,1958年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)檐囕v結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與輕量化設(shè)計(jì)理論。E-mail:songlin_zheng@126.com。王爍,男,1991年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。馮金芝，女，1973年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。陳鐵，男，1988年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。于佳偉，男，1990年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。