基于損傷等效的汽車懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)方法探討

王新偉，周德泉，李開標(biāo)，李航，陳禹

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基于損傷等效的汽車懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)方法探討

王新偉，周德泉，李開標(biāo)，李航，陳禹

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

從汽車懸架系統(tǒng)耐久的基本原理及重要性作為出發(fā)點(diǎn)，首先介紹了目前主流的懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)方法，并從試驗(yàn)準(zhǔn)確性、試驗(yàn)周期等方面進(jìn)行了分析對(duì)比；其次，基于軸耦合試驗(yàn)系統(tǒng)及疲勞耐久損傷相關(guān)理論和技術(shù)，提出了一種基于實(shí)際道路載荷譜損傷等效正弦波的汽車懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)方法；最后，通過理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)證明了該方法的可行性。

損傷等效；正弦波懸架耐久試驗(yàn)方法；主頻；相位關(guān)系

引言

懸架系統(tǒng)的主要作用為承擔(dān)并緩沖車輪傳遞到車身或副車架的力和力矩，是車輛可靠性考核的重要環(huán)節(jié)之一。車輛懸架可靠性試驗(yàn)方法一般分為道路試驗(yàn)和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)兩種。目前的主流方法為試驗(yàn)場(chǎng)的整車可靠性道路試驗(yàn)，其缺點(diǎn)在于周期性長、試驗(yàn)過程中影響因素多、試驗(yàn)結(jié)果離散度大。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)加載可控性較高，但其加載模式與實(shí)際道路試驗(yàn)難以關(guān)聯(lián)[1,2,3]。

本文首先對(duì)懸架可靠性的各種試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析對(duì)比。并基于軸耦合道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)固定反力式約束方式約束懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)位置完成完整的臺(tái)架搭建。其次，基于疲勞損傷等效理論確定輸入目標(biāo)譜的幅值大小，并分析試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)中各個(gè)工況主頻確定懸架耐久試驗(yàn)加載譜頻率，分析特征路面相關(guān)通道間的相位相干性確定加載通道間的相位關(guān)系，制定了與試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)高關(guān)聯(lián)度的臺(tái)架程序加載譜。

1 懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)方法確定

室內(nèi)懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)壳耙话惴椒ㄓ校簡屋S，多軸正弦波，多軸道路模擬等。

單軸加載為單個(gè)作動(dòng)缸進(jìn)行加載，只能對(duì)單一方向進(jìn)行考核，需要對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行多方向考核時(shí)，需要進(jìn)行多次單方向加載；多軸道路模擬試驗(yàn)方式為對(duì)懸架系統(tǒng)施加實(shí)際道路載荷譜，對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行考核，與試驗(yàn)場(chǎng)中道路試驗(yàn)關(guān)聯(lián)度極高，具有極高的準(zhǔn)確性，但其試驗(yàn)周期較長，且其輸入為實(shí)際道路載荷譜，進(jìn)行試驗(yàn)前需先進(jìn)行載荷譜的采集試驗(yàn)；多軸正弦波能對(duì)懸架系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行三個(gè)方向上的考核，更加符合車輛實(shí)際使用情況，且能擺脫道路載荷譜的約束，可直接根據(jù)車輛載荷生成適合的輸入目標(biāo)。基于以上分析，選取多軸正弦波作為懸架耐久試驗(yàn)的程序加載譜。這幾種試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1。

表1 懸架耐久試驗(yàn)方法對(duì)比

2 臺(tái)架搭建

在臺(tái)架上進(jìn)行懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)時(shí)，不同于道路試驗(yàn)或整車結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)，低頻部分不能忽略，因此一般通過約束硬點(diǎn)位置來進(jìn)行試驗(yàn)，目前行業(yè)內(nèi)的約束方法一般分為兩種：1.設(shè)計(jì)一套剛性夾具系統(tǒng)，保證懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)安裝位置，即懸架系統(tǒng)通過與硬點(diǎn)位置與夾具固連；2.懸架系統(tǒng)安裝至白車身上，后對(duì)白車身進(jìn)行焊接加固，然后整體連接至夾具系統(tǒng)，在保證懸架系統(tǒng)相對(duì)于車身的柔性時(shí)提高夾具系統(tǒng)剛度，但該方法對(duì)于焊接工藝要求較高，且當(dāng)車身損壞時(shí)，修補(bǔ)或更換車身困難，成本較高。

考慮車身特性，設(shè)計(jì)出一套應(yīng)于懸架耐久試驗(yàn)的車身夾具系統(tǒng)——固定反力式車身約束系統(tǒng)。即單獨(dú)設(shè)計(jì)一套夾具系統(tǒng)用于緊固白車身，使車身成為夾具部分，通過懸架安裝點(diǎn)與懸架系統(tǒng)連接，動(dòng)態(tài)模擬車身與懸架系統(tǒng)的約束情況。在保留車身系統(tǒng)柔性時(shí)考慮約束系統(tǒng)的剛性及更換方便性。

3 加載方法確定

本文通過對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際道路載荷譜進(jìn)行雨流頻次統(tǒng)計(jì)后，確定程序譜的幅值分布，然后通過試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)路面主頻分析與特征路面各通道間的相位關(guān)系，確定加載程序譜。

3.1 疲勞損傷等效模型

在循環(huán)載荷交變作用下，零件疲勞損傷隨時(shí)間逐漸累積，直至產(chǎn)生失效。Miner 線形損傷累積理論認(rèn)為每一段循環(huán)載荷都會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的疲勞損失量，并對(duì)最終的疲勞極限有一定影響，也就是說零件在經(jīng)過了一段不同循環(huán)載荷加載后即產(chǎn)生疲勞損傷[4,5]，其表達(dá)式為：

式中，為Miner 系數(shù)，時(shí)預(yù)計(jì)出現(xiàn)失效；n為載荷作用于零件的循環(huán)次數(shù)；N為零件在載荷作用下失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)疲勞理論，疲勞損傷主要由循環(huán)載荷引起。如果輸入載荷相同，那么所引起的疲勞損傷在理論上也應(yīng)相同。關(guān)聯(lián)即通過各個(gè)正弦波數(shù)量，使得其所產(chǎn)生的損傷與試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)中所產(chǎn)生的名義損傷相等；同時(shí)，盡量使二者產(chǎn)生的載荷譜在雨流計(jì)數(shù)具有類似的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[6]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中A為各種路面及事件的比例系數(shù)；[X]為懸架耐久試驗(yàn)中各工況載荷分布；[]為試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)中目標(biāo)載荷分布。

3.2 幅值分布

根據(jù)懸架系統(tǒng)單輪主要受力方向Fx、Fy、Fz進(jìn)行載荷分布分析，關(guān)聯(lián)通道共計(jì)12個(gè)，由雨流頻次統(tǒng)計(jì)分析一般為8級(jí)以上，現(xiàn)取10級(jí)。以左前輪為例。

圖3 Fx方向雨流頻次曲線

圖4 Fy方向雨流頻次曲線

圖5 Fz方向雨流頻次曲線

表2 各工況幅值分布圖

以某SUV車型為例，從試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷頻次分布圖中，得出10種工況幅值分布。然后對(duì)其損傷進(jìn)行計(jì)算，得出十種幅值波形的循環(huán)數(shù)。幅值組合如表2所示。

3.3 實(shí)際載荷譜主頻分析

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際道路載荷譜進(jìn)行頻譜分析，得出主頻，為保證路面損傷形式和等效后的正弦波損傷形式相近，所等效生成的正弦波主頻為目標(biāo)道路載荷譜一致。

如在試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)側(cè)向力貢獻(xiàn)路面中，繞八字貢獻(xiàn)量超過30%，且其側(cè)向力關(guān)聯(lián)特征特別明顯，因此選取繞八字分析其主頻關(guān)系。如圖6、圖7所示。由圖中可以得出，繞八字工況主頻為1Hz，故所等效生成的正弦波主頻應(yīng)為1Hz。

圖6 側(cè)向力損傷占比

圖7 繞八字工況主頻

3.4 主要特征路面相位確定

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)典型路面相位相關(guān)性進(jìn)行分析，確定各通道同一路面下的相關(guān)相位關(guān)系。如繞八字工況對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)主要損傷貢獻(xiàn)為Fy方向，其垂向與縱向損傷貢獻(xiàn)量均小于1%，因此主要考察其側(cè)向力之間的相位關(guān)系，通過相關(guān)性計(jì)算其左右側(cè)Fy方向路譜，在主頻上，其相關(guān)性為0.92，相位關(guān)系為-180°，即繞八字工況中，其左右兩側(cè)側(cè)向力相位關(guān)系為-180度°。繞八字工況的相位相干性如圖8所示。

圖8 繞八字工況前懸側(cè)向力相位相關(guān)性

3.5 求解

懸架耐久試驗(yàn)與試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)損傷關(guān)聯(lián)方程為：

式中 [D]為正弦波關(guān)聯(lián)信號(hào)損傷矩陣；[A]為正弦波工況系數(shù)矩陣；[T]為試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)路面總損傷矩陣（列向量）。通過方程求解：

通過關(guān)聯(lián)求解，求出其滿足約束條件下的最小值及對(duì)應(yīng)的Aj。

得出所需載荷條件下的循環(huán)數(shù)。

圖9 關(guān)聯(lián)求解

3.6 正弦波載荷譜修正

由上述流程求解后，對(duì)結(jié)果Aj進(jìn)行圓整處理，使試驗(yàn)按照程序譜的方式進(jìn)行，避免單工況試驗(yàn)與實(shí)際載荷不符，優(yōu)化圓整后的循環(huán)數(shù)間具一定大小的公約數(shù)，則載荷循環(huán)數(shù)如表3所示。

表3 正弦波加載幅值相位及頻率、循環(huán)數(shù)

4 方法驗(yàn)證

驗(yàn)證可分為數(shù)據(jù)驗(yàn)證與試驗(yàn)，本文從驗(yàn)證通道損傷角度對(duì)關(guān)聯(lián)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如表4所示。在進(jìn)行了多臺(tái)次懸架系統(tǒng)臺(tái)架耐久試驗(yàn)后，驗(yàn)證了該方法的有效性。由此可知，關(guān)聯(lián)效果良好。

5 結(jié)論

基于疲勞累積損傷理論，研究了等名義損傷下路面關(guān)聯(lián)的基本原理。根據(jù)關(guān)聯(lián)原理，得出了試驗(yàn)效率更高的多軸加載的懸架耐久試驗(yàn)方法，該方法兼顧了實(shí)際道路中的幅值、損傷主方向、特征路面通道的相位相干性。最后，通過對(duì)車輪三向力損傷對(duì)比并進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的可行性。

表4 正弦波等效后損傷對(duì)比

注：表中B表示懸架耐久總損傷，A表示試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)總損傷。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:汽車工業(yè)出版社,2000.

[2] 伊斯武,張繼偉.軸耦合道路模擬在懸架可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車,2011.04.

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Discussed the suspension system durability test method based on the theory of damage equivalent

Wang Xinwei, Zhou Dequan, Li Kaibiao, Li Hang, Chen Yu

（Automobile Engineering Research Institute, Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434）

Fundamentals of the principle and importance of the suspension system durability, this paper introduces the current mainstream test method of suspension system, analyzed and compared the accuracy and test time. Further, put forward a sine wave road suspension system durability test method based of the actual load spectrum damage equivalent；Last, through the theoretical calculation and practical test proves the feasibility of this method.

Damage equivalent; Sine wave road suspension system durability test method; Main frequency; Phase relationship

U463

A

1671-7988(2019)07-70-04

王新偉，碩士，就職于廣州汽車工業(yè)集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事汽車結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)技術(shù)、整車道路模擬試驗(yàn)技術(shù)研究工作。

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1671-7988(2019)07-70-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.023