與試驗(yàn)場(chǎng)相關(guān)的零部件臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范研究

米磊，于翠，李大森

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)是驗(yàn)證整車(chē)及零部件疲勞耐久性不可或缺的方法，如果考核單一的零部件，試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高且重復(fù)性較差[1]。因此，各大汽車(chē)廠(chǎng)商都將大量零部件的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證試驗(yàn)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。然而，零部件臺(tái)架疲勞試驗(yàn)規(guī)范的制定是否合理將直接影響到試驗(yàn)?zāi)M的精確性。目前，通常的做法是以零部件的設(shè)計(jì)載荷或者提取其試驗(yàn)場(chǎng)載荷的峰谷值進(jìn)行單一的恒幅加載試驗(yàn)，保證在最差工況下零部件不發(fā)生失效。然而，該方法并沒(méi)有充分地考慮零部件的使用工況，同時(shí)忽略了加載順序?qū)ζ趬勖挠绊慬2]，偶然的過(guò)載可能會(huì)在高應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致應(yīng)力的重新分配，同時(shí)殘余應(yīng)力也會(huì)影響整個(gè)零部件的疲勞壽命。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，以某 MPV車(chē)型的橫向穩(wěn)定桿連接桿為例，提出基于試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的零部件臺(tái)架疲勞試驗(yàn)規(guī)范的制定方法。該方法依據(jù)線(xiàn)性損傷原理，將試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜等效成用于臺(tái)架模擬的多級(jí)恒幅載荷譜，彌補(bǔ)了單幅加載的局限性，同時(shí)通過(guò)分頻段相對(duì)損傷分析，明確了臺(tái)架試驗(yàn)多級(jí)加載的順序，從而能夠更加真實(shí)地反映零部件的使用特性。

1 試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜的采集與分析

1.1 應(yīng)變片的布置與標(biāo)定

對(duì)于零部件載荷譜的生成，通常是使用應(yīng)變片來(lái)反映應(yīng)變與載荷之間的關(guān)系。本文的研究對(duì)象在整車(chē)中承受的載荷主要表現(xiàn)為軸向的拉壓變形，故在其試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的失效位置附近進(jìn)行應(yīng)變片的貼放。然后，將布置完應(yīng)變片的連桿在臺(tái)架上進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的力傳感器控制對(duì)其施加載荷，從而將應(yīng)變測(cè)量轉(zhuǎn)化為載荷測(cè)量，臺(tái)架標(biāo)定過(guò)程如圖1所示。

圖1 連桿應(yīng)變-載荷的臺(tái)架標(biāo)定

1.2 載荷譜數(shù)據(jù)采集

連桿載荷譜采集選擇在某汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化試驗(yàn)路段，遵循試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)范分別以規(guī)定的車(chē)速通過(guò)各強(qiáng)化路面，并按車(chē)輛空載、半載和滿(mǎn)載采集多次，保證每種承重狀態(tài)下的有效數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于路面突變等不確定因素會(huì)造成數(shù)據(jù)的偏離或異常。因此，數(shù)據(jù)采集完成之后需要對(duì)時(shí)域內(nèi)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行凈化處理，去除異常信號(hào)，利用Glyphworks軟件中的 Spike Detection、Graphical Editor和Butterworth Filter等模塊對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行毛刺清理和均值修正等，處理后連桿載荷的時(shí)域信號(hào)如圖2所示。

圖2 滿(mǎn)載下連桿載荷的時(shí)域信號(hào)（一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)循環(huán)）

1.3 頻域分析

圖3 連桿試驗(yàn)場(chǎng)路面的頻域相對(duì)損傷分布

為了解連桿在試驗(yàn)場(chǎng)不同路面條件下的受力情況，需要對(duì)其進(jìn)行分頻段的相對(duì)損傷分析。由于車(chē)輛底盤(pán)結(jié)構(gòu)受力能量主要集中在 50Hz以?xún)?nèi)，在該范圍內(nèi)，不同的頻段對(duì)應(yīng)不同的激勵(lì)源或響應(yīng)段。因此，在分析過(guò)程中各頻段定義如下：1、0-0.8Hz，車(chē)輛駕駛操縱響應(yīng)頻段及扭曲路頻段；2、0.8-5Hz，車(chē)身跳動(dòng)響應(yīng)頻段；3、5-8Hz，動(dòng)力總成前2階主要?jiǎng)傮w模態(tài)響應(yīng)頻段；4、8-18Hz，車(chē)輪跳動(dòng)影響頻段；5、18-32Hz，搓板路等特定路面及部分結(jié)構(gòu)件共振頻段。按照上述頻段對(duì)連桿進(jìn)行相對(duì)損傷分析，結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出，連桿最大損傷頻段集中在了第1頻段，意味著車(chē)輛轉(zhuǎn)向及扭曲路路段給予了連桿主要的損傷，其他工況及路段對(duì)連桿造成的損傷相對(duì)較少。

2 試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜的外推

對(duì)于采集到的短期的載荷時(shí)間數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行外推處理來(lái)預(yù)測(cè)更長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)的載荷分布。在時(shí)域范圍內(nèi)，受行駛工況等因素的影響對(duì)載荷的分散性進(jìn)行量化一般是不可行的，因此通常是在雨流循環(huán)域內(nèi)完成的。對(duì)于一個(gè)完整試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)范的載荷譜是由短期測(cè)量的時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)雨流計(jì)數(shù)后，再進(jìn)行外推，然后進(jìn)行疊加組合而成的[3]。因此，首先將連桿在車(chē)輛不同承重狀態(tài)下一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)循環(huán)的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雨流矩陣，再分別乘以外推系數(shù)（試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)規(guī)范中車(chē)輛空載、半載和滿(mǎn)載所占里程比例分別為20%、60%和20%），然后疊加形成完整的試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜，由于試驗(yàn)場(chǎng)各強(qiáng)化路段較短，在外推過(guò)程中不進(jìn)行載荷極大值的推斷，認(rèn)為實(shí)際測(cè)量獲取的最大值即是最大外推載荷，外推后試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜的雨流分布如圖4所示。

圖4 外推后連桿試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜的雨流分布

3 臺(tái)架疲勞試驗(yàn)規(guī)范的建立

3.1 開(kāi)發(fā)依據(jù)

將連桿載荷譜外推后的雨流分布圖轉(zhuǎn)化為累計(jì)超過(guò)數(shù)分布圖，其中縱坐標(biāo)為載荷范圍，橫坐標(biāo)為等于或大于規(guī)定載荷范圍的循環(huán)累計(jì)數(shù)。為了方便在臺(tái)架試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)載荷仿真，將累計(jì)超過(guò)數(shù)分布圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)相對(duì)損傷分析的結(jié)果，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)各強(qiáng)化路段的排列分布，將試驗(yàn)場(chǎng)載荷按臺(tái)架模擬加載的順序分解成三段階梯狀載荷，如圖 5所示。這段載荷分布圖的開(kāi)發(fā)依據(jù)是，在臺(tái)架試驗(yàn)條件下對(duì)零部件造成的總損傷應(yīng)與試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下所造成的損傷相同。此外，為加速試驗(yàn)進(jìn)程還需要將不會(huì)對(duì)連桿造成損傷的大量的低幅值載荷去掉，可以將最大載荷范圍的15%選作忽略非損傷循環(huán)的截止載荷門(mén)檻[4]，即1.04kN是非損傷循環(huán)數(shù)忽略區(qū)的截止值，小于這個(gè)值的所有載荷范圍都要被剔除掉。

圖5 連桿載荷累計(jì)超過(guò)數(shù)分布圖的簡(jiǎn)化

3.2 損傷等效

在眾多描述漸進(jìn)和累積損傷的數(shù)學(xué)模型中，線(xiàn)性損傷原理因其簡(jiǎn)單而被工程技術(shù)人員廣為接受，線(xiàn)性損傷原理假設(shè)損傷是累積相加的，并定義失效發(fā)生的條件為[5]：

式中D——總損傷；

di——某一載荷的單獨(dú)損傷；

ni——某一載荷的循環(huán)次數(shù)；

Ni——某一載荷下零件的疲勞壽命。

因此，將連桿在外推后試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜條件下的損傷作為目標(biāo)損傷，在GlyphWorks軟件中通過(guò)設(shè)定的S-N曲線(xiàn)進(jìn)行損傷計(jì)算，從而得到不同加載幅值下達(dá)到目標(biāo)損傷所需要的累積循環(huán)數(shù)，損傷計(jì)算過(guò)程如圖6所示。因此，通過(guò)等損傷轉(zhuǎn)換后得到了與試驗(yàn)場(chǎng)相關(guān)的連桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)規(guī)范，加載幅值、循環(huán)數(shù)及加載順序見(jiàn)表1。

圖6 損傷計(jì)算流程

表1 幅值對(duì)應(yīng)循環(huán)數(shù)表

3.3 連桿臺(tái)架試驗(yàn)

依照表1中建立的疲勞試驗(yàn)規(guī)范對(duì)連桿樣本進(jìn)行多級(jí)恒幅載荷加載試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架的搭建如圖7所示。試驗(yàn)總共進(jìn)行了2個(gè)樣本，樣本1和樣本2分別在試驗(yàn)進(jìn)行至272000次循環(huán)和305000次循環(huán)時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂后的外觀如圖8所示。連桿在試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)的實(shí)際平均失效里程為12000km，分別計(jì)算其在臺(tái)架試驗(yàn)及試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)失效時(shí)的累積損傷，如表2所示。從表中可以看出，連桿在試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)及臺(tái)架試驗(yàn)失效時(shí)的累積損傷大致相同（相對(duì)誤差分別為6.4%和13.1%），且兩種試驗(yàn)條件下的失效模式和失效位置基本一致，表明該規(guī)范下的臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫氐刃M試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖7 連桿樣本臺(tái)架疲勞試驗(yàn)

圖8 連桿樣本臺(tái)架試驗(yàn)失效圖

表2 試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)的失效損傷對(duì)比

4 結(jié)論

基于疲勞線(xiàn)性累積損傷理論和雨流計(jì)數(shù)，詳細(xì)研究了和試驗(yàn)場(chǎng)相關(guān)的零部件臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范的制定方法。該方法依據(jù)等效損傷原理，將試驗(yàn)場(chǎng)載荷簡(jiǎn)化成一系列恒幅載荷，得到了能夠模擬試驗(yàn)場(chǎng)載荷的零部件臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范。應(yīng)用結(jié)果表明，該規(guī)范能快速精準(zhǔn)地反映出零部件在試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障模式及故障里程，驗(yàn)證了該種零部件臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范制定方法的可行性與有效性。

[1] 胡玉梅,陶麗芳,鄧兆祥.車(chē)身臺(tái)架疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方案研究[J].汽車(chē)工程,2006,28(3):300-301.

[2] 門(mén)玉琢,李顯生,于海波.與用戶(hù)相關(guān)的汽車(chē)可靠性試驗(yàn)新方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(2):223-224.

[3] 李唐,李國(guó)峰,于翠,李釗.基于后橋的耐久試驗(yàn)和用戶(hù)的相關(guān)性研究[J].汽車(chē)工程師,2013(6):49-51.

[4] Yung-Li Lee, Jwo Pan, Richard B. Hathaway, Mark E. Barkey. Fati-gue Testing and Analysis Theory and Practice [M]. 2005: 250-257.

[5] 陳傳堯.疲勞與斷裂(第一版)[M].華中科技大學(xué)出版社,2002:32-37.