扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)可靠度與載荷譜的相關(guān)性研究

韋仲寧，萬(wàn)茂林

(廣州小鵬汽車(chē)科技有限公司汽車(chē)技術(shù)中心，廣東廣州 510640)

0 引言

扭轉(zhuǎn)梁式后橋具有構(gòu)造零件數(shù)量少、制造工藝較簡(jiǎn)單且成本較低等優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)型乘用車(chē)、新能源車(chē)中應(yīng)用廣泛。扭轉(zhuǎn)梁式后橋由一根V形或U形鋼板橫梁作為主體，焊接有縱臂、輪轂支架等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。供應(yīng)商會(huì)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求說(shuō)明書(shū)(Specification of Requirements,SOR)設(shè)計(jì)、制造扭轉(zhuǎn)梁，在不了解可靠度、置信度要求且未有載荷譜的條件下，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段進(jìn)行樣本量不小于5件的零部件試驗(yàn)，在產(chǎn)品驗(yàn)證階段進(jìn)行樣本量不小于5件的零部件試驗(yàn)，且系統(tǒng)壽命要滿足整車(chē)設(shè)計(jì)里程的可靠性要求。

圖1 扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)示意

新車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)梁SOR與DVP(Design Verification Plan)試驗(yàn)規(guī)范，主要是根據(jù)以往的平臺(tái)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)或其他廠家數(shù)據(jù)編制制定，無(wú)該款車(chē)型整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致整車(chē)道路試驗(yàn)與室內(nèi)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)論不同、試驗(yàn)場(chǎng)故障與臺(tái)架試驗(yàn)故障不一致。因此，采集試驗(yàn)場(chǎng)的道路載荷譜、六分力等相關(guān)數(shù)據(jù)，研究扭轉(zhuǎn)梁載荷譜與可靠度相關(guān)性，保證系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)與整車(chē)道路試驗(yàn)匹配，做到校正零部件、系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架規(guī)范，對(duì)扭轉(zhuǎn)梁的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證具有重要的意義。

本文作者根據(jù)整車(chē)可靠性目標(biāo)，基于各系統(tǒng)零件數(shù)量、安全件數(shù)量分解可靠性目標(biāo)至系統(tǒng)總成上；再通過(guò)采集車(chē)輪六分力與扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)變敏感部位來(lái)進(jìn)行偽損傷分析,獲取扭轉(zhuǎn)梁損傷較大的主要工況,累計(jì)所有主要工況的損傷值。再根據(jù)威布爾理論進(jìn)行分析，編制出達(dá)到系統(tǒng)可靠度目標(biāo)的扭轉(zhuǎn)梁DVP臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范。

1 可靠性理論

1.1 系統(tǒng)可靠度

汽車(chē)是由成千上萬(wàn)個(gè)零件組成的交通運(yùn)輸工具，也是一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品。由零件按照其作用分別裝配在一起，各自具有一定的功能，相互間有一定的配合關(guān)系。將所有的裝配單位有機(jī)地組合起來(lái)，就組成了完整的汽車(chē)。

一個(gè)系統(tǒng)是由一組零件(元件)、部件、子系統(tǒng)或裝配件(統(tǒng)稱(chēng)為單元)構(gòu)成的，完成期望的功能，并具有可接受的性能和可靠性水平的一種特定設(shè)計(jì)。

1.2 整車(chē)可靠性分解方法

汽車(chē)各系統(tǒng)中，選擇關(guān)鍵單元，先分解系統(tǒng)，再組合計(jì)算。

各串聯(lián)子系統(tǒng)的如圖2所示，可靠性最差的單元對(duì)系統(tǒng)的可靠性影響最大，且系統(tǒng)內(nèi)組件增加，可靠性水平降低可靠度計(jì)算方法：R1=RA1·RB1·RC1。

各并聯(lián)子系統(tǒng)如圖3所示，并聯(lián)條件下，隨著組件數(shù)增加，系統(tǒng)可靠度對(duì)組件的可靠度依賴(lài)越來(lái)越小，可靠度計(jì)算方法：R2=1-(1-RA2)·(1-RB2)·(1-RC2)。

圖2 串聯(lián)系統(tǒng) 圖3 并聯(lián)系統(tǒng)

基于以上串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算方法，分解某車(chē)型的在8年或16×104km的可靠性如表1所示，其中整車(chē)統(tǒng)一設(shè)置置信度為C50，扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)可靠度為R97C50。

表1 整車(chē)系統(tǒng)可靠性分解

2 載荷數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 應(yīng)變片傳感器

箔式電阻應(yīng)變片是一種基于應(yīng)變-電阻效應(yīng)制成的，用金屬箔作為敏感柵的，能把被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件，可參考圖4。

圖4 電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是用來(lái)測(cè)量物體受力變形產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器，可以用來(lái)測(cè)試不同零部件的應(yīng)變、力、扭矩等信號(hào)，其基本原理可簡(jiǎn)述為：將應(yīng)變片固定粘貼在測(cè)試件上，使其隨測(cè)試件一起受到載荷作用，其中的金屬箔材會(huì)隨著測(cè)試件的形變而伸長(zhǎng)或縮短。應(yīng)變片所選用的金屬材料，如金屬箔材，在一定范圍內(nèi)，機(jī)械伸長(zhǎng)或縮短時(shí)其電阻也會(huì)隨之成正比變化：

ΔR/R=Kε

(1)

式中：R為應(yīng)變片原電阻值；ΔR為伸長(zhǎng)或壓縮引起的電阻變化；K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，一般為2.08±1%；ε為應(yīng)變。

通過(guò)測(cè)量電阻的變化，就可以對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而可轉(zhuǎn)化為測(cè)定力、力矩等。箔式電阻應(yīng)變片具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 應(yīng)變片選擇

箔式電阻應(yīng)變片按照應(yīng)變片的形狀可以分為單片、應(yīng)變花、剪切應(yīng)變片，T形應(yīng)變片等，具體如圖5所示。

圖5 不同類(lèi)型的應(yīng)變片

根據(jù)需要的應(yīng)變信號(hào)和試件結(jié)構(gòu)來(lái)選擇應(yīng)變片型號(hào)，具體可參照表2。

表2 應(yīng)變片的選擇

2.3 確定測(cè)量點(diǎn)位置

測(cè)點(diǎn)的選擇和布置對(duì)能否正確了解結(jié)構(gòu)的受力情況和實(shí)際正確的測(cè)量有很大的影響。一般應(yīng)以最小的測(cè)點(diǎn)達(dá)到足夠反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為原則。為此，一般應(yīng)考慮：

(1)預(yù)先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大致的受力分析，預(yù)測(cè)其變形形式和危險(xiǎn)面，根據(jù)受力分析和測(cè)試要求，結(jié)合有限元分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)最終確定測(cè)點(diǎn)。

(2)在截面尺寸急劇變化的部位或因孔、槽導(dǎo)致應(yīng)力集中的部位，應(yīng)適當(dāng)多布置一些測(cè)點(diǎn)，以便了解這些區(qū)域的應(yīng)力梯度情況。

(3)根據(jù)扭轉(zhuǎn)梁有限元CAE分析結(jié)果、扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的要求，確定采集的應(yīng)力位置。

扭轉(zhuǎn)梁關(guān)鍵位置應(yīng)變信號(hào)，具體見(jiàn)圖6和表3。

圖6 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)測(cè)量載荷位置

表3 采集通道名稱(chēng)和位置描述

2.4 數(shù)據(jù)采集

此次測(cè)試采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)采集，共30個(gè)信號(hào)通道。按照滿載的條件對(duì)前懸軸荷、后懸軸荷分配進(jìn)行均勻配重，標(biāo)準(zhǔn)胎壓，然后在車(chē)輛靜態(tài)情況下對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行歸零處理，試跑2圈后，檢查信號(hào)無(wú)誤，開(kāi)始試驗(yàn)。

此次試驗(yàn)具體工況如下：外環(huán)1、外環(huán)2；內(nèi)環(huán)1、內(nèi)環(huán)2；方坑1 & 2、方坑3；搓板路制動(dòng)、中制動(dòng)、全制動(dòng)；陡坡路(山路)、城市路工況；13°倒坡、16°倒坡；High-G、L-轉(zhuǎn)向、直角轉(zhuǎn)向。

2.5 檢查數(shù)據(jù)

查看數(shù)據(jù)是否存在奇異點(diǎn)、漂移等，主要是異常峰值點(diǎn)、趨勢(shì)項(xiàng)等，如確實(shí)存在，可通過(guò)濾波、平衡偏斜法等方法來(lái)消除奇異點(diǎn)和趨勢(shì)項(xiàng)。一般通過(guò)Crest因子大小來(lái)檢查是否已經(jīng)去除奇異點(diǎn)，Crest因子αCrest為

(2)

當(dāng)Crest因子在1～8之間時(shí)，可認(rèn)為該數(shù)據(jù)質(zhì)量好，已消除奇異點(diǎn)。

2.6 某車(chē)型扭轉(zhuǎn)梁載荷數(shù)據(jù)分析

2.6.1 濾波

一般濾波過(guò)程采用巴特沃思濾波器進(jìn)行低通濾波，路面的激勵(lì)信號(hào)頻率一般在50 Hz以下，將高于50 Hz以上的信號(hào)濾掉即可，具體可通過(guò)頻域分析處理(PSD，自功率譜密度)來(lái)觀察信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，從圖7可以看出信號(hào)頻率成分主要集中在30 Hz以下。

圖7 各通道信號(hào)自功率譜密度曲線

2.6.2 信號(hào)時(shí)域的處理

在山丘路況采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)域一致性處理，結(jié)果如圖8所示。

圖8 山丘信號(hào)

3 累積損傷分析

3.1 車(chē)輪六分力損傷分析

通過(guò)LMS Tec-Ware模塊分析車(chē)輪輪心力在各工況的“累積損傷”，從而判斷各個(gè)工況對(duì)Fx、Fy、Fz的影響，具體如圖9和表4所示。

從圖9中可以看出：輪心力Fx在搓板路甲、方坑工況中受影響比較明顯，輪心力Fy在轉(zhuǎn)向角度較大的直角轉(zhuǎn)向、High-G、L-轉(zhuǎn)向中受影響比較明顯，輪心力Fz在內(nèi)環(huán)1、方坑、石塊路甲、搓板路甲、石塊路丙、石塊路乙中比較明顯。

圖9 輪心力在各工況的“累積損傷”

表4 各工況對(duì)Fx、Fy、Fz的影響

3.2 后扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)變損傷分析

后扭轉(zhuǎn)梁的激勵(lì)響應(yīng)主要由地面?zhèn)鬟f到車(chē)輪，車(chē)輪再傳遞到后扭轉(zhuǎn)梁，因此車(chē)輪與后扭轉(zhuǎn)梁的激勵(lì)響應(yīng)是一致的，這點(diǎn)可從“累積損傷”的趨勢(shì)波動(dòng)看出來(lái)，波動(dòng)程度越大，代表?yè)p傷程度越高，具體案例分析如圖10所示?？梢钥闯觯篟L-2很明顯直接受Fx的影響，RL-3&4主要在扭曲路乙受Fz的影響。

通過(guò)分析后扭轉(zhuǎn)梁上的應(yīng)變?cè)诟鞴r的“累積損傷”，比較分析在試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)工況對(duì)應(yīng)變的影響。以應(yīng)變花8、9、10在各工況的“累積損傷”為例，具體如圖11所示。

從圖11中可以看出各工況對(duì)應(yīng)變的影響，結(jié)合前面所述的各工況對(duì)車(chē)輪輪心力的影響，并考慮到“累積損傷”影響的大小，有些工況對(duì)輪心力影響有限，可以忽略。因此可以得出車(chē)輪輪心力與后扭轉(zhuǎn)梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的主要損傷體現(xiàn)，具體如表5所示。

圖10 輪心力與應(yīng)變“累積損傷”波動(dòng)趨勢(shì)

圖11 應(yīng)變花8/9/10在某工況下的“累積損傷”

表5 各工況對(duì)應(yīng)變的影響

3.3 損傷累積計(jì)算

基于某車(chē)企耐久規(guī)范，循環(huán)總數(shù)6 922次等效8年或16×104km里程進(jìn)行分析。

根據(jù)表6中得出，等效8年或16×104km的損傷累計(jì)0.268，損傷累計(jì)達(dá)到1.0時(shí)失效。安全系數(shù)K=1.2，即損傷值為：0.268×K=0.321 6，即求出在試驗(yàn)臺(tái)架可以完成1/0.321 6≈3.1倍壽命加載扭轉(zhuǎn)梁不失效、不開(kāi)裂。

表6 常規(guī)耐久試驗(yàn)損傷分析

3.4 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)可靠度

試驗(yàn)的可靠度由試驗(yàn)樣品數(shù)及采用的置信度水平?jīng)Q定，其關(guān)系由

R=(1-C)1/N

(3)

或者可以變化為

(4)

式中：R為要求達(dá)到的試驗(yàn)可靠度；C為置信水平；N為試驗(yàn)樣本數(shù)。

基于扭轉(zhuǎn)梁試驗(yàn)臺(tái)架可以達(dá)成3.1倍壽命加載不失效、不開(kāi)裂，利用Minitab 軟件計(jì)算扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)為達(dá)到R97C50的指標(biāo)要求需要的試驗(yàn)樣本數(shù)量關(guān)系，如表7所示。

(1)基于累計(jì)損傷，對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)損傷，計(jì)算出扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)在試驗(yàn)臺(tái)架上等效道路試驗(yàn)8年或16×104km的最大循環(huán)次數(shù)為46 300次，即單個(gè)樣本量在試驗(yàn)臺(tái)架上最大可加載143 968次循環(huán)。由表7可知，在R97C50指標(biāo)要求下，2個(gè)樣本量至少要3.37倍壽命加載才能達(dá)到指標(biāo)要求，超過(guò)扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)樣本所能承受的3.1倍壽命加載。

由表7可知：3個(gè)扭轉(zhuǎn)梁試驗(yàn)樣本，最大可靠度為R97.6C50；4個(gè)樣本最高可靠度為R98.2C50。

表7 威布爾回歸模型需要的樣本量估算

4 臺(tái)架驗(yàn)證

扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架如圖12所示。在扭轉(zhuǎn)梁關(guān)鍵部位噴上白漆, 以便觀察裂紋。輸入127 365次循環(huán)驅(qū)動(dòng)譜, 每隔3萬(wàn)次加載循環(huán)后，停止臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行檢查。當(dāng)加載至145 000次循環(huán)后扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂。通過(guò)室內(nèi)道路模擬耐久試驗(yàn)結(jié)果與路試結(jié)果的對(duì)比表明, 兩種試驗(yàn)出現(xiàn)的故障類(lèi)似，如圖13所示。

綜合試驗(yàn)臺(tái)架與道路試驗(yàn)進(jìn)行分析，在整車(chē)分解要求達(dá)到R97C50要求，臺(tái)架試驗(yàn)僅需要3個(gè)樣本，每個(gè)樣本加載127 365次循環(huán)載荷；整車(chē)需要23部樣車(chē)進(jìn)行耐久試驗(yàn)，所有試驗(yàn)車(chē)輛均無(wú)扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)問(wèn)題，才可滿足R97C50要求。

圖12 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

圖13 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)開(kāi)裂失效位置對(duì)比

5 結(jié)論

根據(jù)整車(chē)可靠度目標(biāo)，分解到扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)上的要求是R97C50，通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜采集與“累計(jì)損傷”的理論分析，計(jì)算出臺(tái)架需要加載循環(huán)次數(shù)。同時(shí)運(yùn)用威布爾理論計(jì)算分析獲取最優(yōu)樣本量及加載循環(huán)數(shù)，從而以最優(yōu)樣本量、加載循環(huán)次數(shù)達(dá)成整車(chē)系統(tǒng)可靠度分解要求，節(jié)約整車(chē)試驗(yàn)成本與開(kāi)發(fā)周期。