商用車擋泥板總成失效分析與試驗規(guī)范制定

張宗陽，王 凱，孫 磊，張海明，劉戰(zhàn)強

（1. 中國重型汽車集團技術(shù)發(fā)展中心，山東濟南250101；

2. 山東大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南250061；

3. 濟南二機床集團有限公司，山東濟南250022）

隨著市場競爭日益加劇，在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，對產(chǎn)品失效作出快速響應(yīng)，準(zhǔn)確地分析、判斷失效原因，并利用科學(xué)、合理的質(zhì)量控制方法控制優(yōu)化產(chǎn)品或新產(chǎn)品的釋放，是企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和提高市場競爭力的關(guān)鍵。眾多學(xué)者對結(jié)構(gòu)件的失效原因和耐久試驗規(guī)范進行了研究，如：賀光宗等［1］對多軸向振動環(huán)境下的結(jié)構(gòu)振動疲勞失效行為進行了試驗研究，并提出了2種多軸隨機振動疲勞試驗試件失效判定方法；王治瑞等［2］采用有限元技術(shù)對某汽車后橋進行了載荷分布分析，確定了應(yīng)變傳感器的布置方案，采集了后橋的應(yīng)變載荷譜，并通過偽損傷分析預(yù)測了后橋失效模式；徐剛等［3］對某款轎車擋泥板安裝端的斷裂情況進行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)斷裂原因為該位置承受了較大的垂向振動慣性載荷，并針對該情況提出了3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；吳波等［4］針對某型柴油機鑄鋁氣缸蓋斷裂問題，基于載荷譜時變規(guī)律分析了失效部位的溫度場和熱機耦合應(yīng)力場；陳德鑫等［5］利用應(yīng)力測試技術(shù)對易產(chǎn)生彎曲疲勞失效的齒輪進行了應(yīng)力測試，從齒根最小曲率半徑和基節(jié)誤差的角度分析了某重型車變速器的失效原因。此外，一些科研機構(gòu)和汽車主機廠［6-9］基于實測載荷譜對汽車結(jié)構(gòu)件耐久試驗規(guī)范制定進行了一定的研究。

針對商用車擋泥板總成失效原因不易獲取、釋放不易控制等問題，筆者提出了一種基于實測載荷譜的單自由度振動系統(tǒng)疲勞失效解決方案，其流程如圖1所示。首先，使用掃描電鏡對擋泥板總成螺栓的斷口進行觀察分析，確定其失效類型，并根據(jù)測試得到的道路載荷譜，分析擋泥板總成的失效原因；然后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，確定擋泥板總成的系統(tǒng)模型；最后，基于沖擊響應(yīng)譜和疲勞損傷譜制定擋泥板總成的耐久試驗規(guī)范，并利用臺架試驗復(fù)現(xiàn)擋泥板總成的失效模式，以驗證耐久試驗規(guī)范的合理性。

圖1 基于實測載荷譜的單自由度振動系統(tǒng)疲勞失效解決方案的流程Fig. 1 Flow of fatigue failure solution for single degree-offreedom vibration system based on measured load spectrum

1 商用車擋泥板總成結(jié)構(gòu)

擋泥板總成由擋泥板支架、固定螺栓、擋泥板及其附件組成，可以減少車輛行駛過程中輪胎帶起的泥漿等飛濺物，同時也是商用車尾燈、牌照板等重要附件的支承，其可靠性是汽車性能的重要指標(biāo)。為了近一步提高擋泥板總成的耐久性和輕量化水平，擋泥板支架的結(jié)構(gòu)形式從漲銷、異形擠壓逐漸演變?yōu)槟Σ梁附印Ｄ成逃密嚀跄喟逯Ъ埽ㄈ鐖D2所示）采用單螺栓孔摩擦焊結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、易安裝、通用性強等特點，且相比于其他支架，其成本較低，具有良好的經(jīng)濟效益。該商用車擋泥板總成的實車安裝情況如圖3所示。

圖2 某商用車擋泥板支架Fig. 2 Mudguard bracket of a commercial vehicle

圖3 某商用車擋泥板總成實車安裝情況Fig. 3 Mudguard assembly installation of a commercial vehicle

2 商用車擋泥板總成失效模式分析

某商用車擋泥板總成在汽車試驗場前期路試時失效，其失效模式為固定螺栓斷裂。使用SUPRA 55掃描電鏡對螺栓斷口進行觀察分析，如圖4所示。由螺栓斷口形貌判定該擋泥板總成的失效類型為疲勞斷裂，斷裂位置位于支架與車架的結(jié)合面。裂紋起始于螺紋根部，存在3個裂紋源區(qū)且分別擴展，下側(cè)2個裂紋源擴展較慢，最終匯集成1個瞬斷區(qū)；斷口擴展區(qū)宏觀弧線可見；瞬斷區(qū)斷面無明顯塑性變形，微觀形貌主要表現(xiàn)為靜載瞬斷特征，呈韌窩狀；斷口形貌符合低名義應(yīng)力單向彎曲疲勞特征。低名義應(yīng)力且多個裂紋源區(qū)說明螺紋根部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象［10-12］。

3 商用車擋泥板總成的道路載荷譜采集

采集某商用車擋泥板總成的道路載荷譜，以分析其失效原因并確定其系統(tǒng)模型。

擋泥板支架為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在其受力較大的根部位置處設(shè)置應(yīng)變片。應(yīng)變片粘貼時需避開摩擦焊熱影響區(qū)，置于距離摩擦焊縫5 mm處?？紤]到支架為彎管結(jié)構(gòu)，測點位置除受垂向彎曲載荷影響外，可能還會受扭轉(zhuǎn)載荷影響，為準(zhǔn)確計算測點處主應(yīng)力的大小和方向，在擋泥板支架截面圓周上、下、左、右間隔90°各布置1個直角應(yīng)變花，如圖5所示。

圖4 某商用車擋泥板總成螺栓斷口形貌Fig. 4 Fracture morphology of bolt in mudguard assembly of a commercial vehicle

圖5 擋泥板支架上直角應(yīng)變花布置示意圖Fig. 5 Layout diagram of right-angle strain gauges on mudguard bracket

在擋泥板總成的道路載荷傳遞路徑上設(shè)置加速度傳感器，在車輛后軸軸頭、車架（擋泥板總成安裝位置）和擋泥板支架尾端處各布置1個三向加速度傳感器。擋泥板總成道路載荷譜測點位置如圖6所示，部分傳感器現(xiàn)場安裝圖如圖7所示。

圖6 擋泥板總成道路載荷譜測點位置Fig. 6 Road load spectrum measuring point position of mudguard assembly

圖7 部分傳感器現(xiàn)場安裝圖Fig. 7 Installation diagram of some sensors on site

用于擋泥板總成道路載荷譜采集的設(shè)備和傳感器如表1所示。

表1 用于擋泥板總成道路載荷譜采集的設(shè)備和傳感器Table 1 Equipment and sensors for mudguard assembly road load spectrum acquisition

采集前，調(diào)整輪胎為標(biāo)準(zhǔn)胎壓，載荷均布。根據(jù)現(xiàn)行的可靠性行車規(guī)范，在汽車試驗場強化路面上（塊石路、砂石路、顛簸路、比利時路等）進行試驗并采集擋泥板總成的道路載荷譜，采樣頻率為1 000 Hz，截止頻率為150 Hz，確保采集到3組有效數(shù)據(jù)。

4 商用車擋泥板總成失效原因分析

對采集得到的商用車擋泥板總成的原始道路載荷譜進行預(yù)處理，去除趨勢項等非真實信號，進行50 Hz低通濾波。圖8為擋泥板總成關(guān)鍵點（支架截面圓周上部）的應(yīng)力時域歷程。

圖8 擋泥板總成關(guān)鍵點的應(yīng)力時域歷程Fig. 8 Stress time domain history of key point of mudguard bracket

4.1 擋泥板支架上載荷的測定

使用nCode glyphworks 對載荷數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)擋泥板支架各測點處0°，45°和90°方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，利用式（1）、（2）計算得到支架各測點處的最大主應(yīng)變的大小和方向：

式中：εmax為擋泥板支架其測點處的最大主應(yīng)變；ε0°為測點0°方向的應(yīng)變；ε45°為45°方向的應(yīng)變；ε90°為90°方向的應(yīng)變；α0為最大主應(yīng)變方向。

通過測量擋泥板支架材料的彈性模量E來計算其最大主應(yīng)力。對擋泥板支架材料進行制樣，測量材料的基本力學(xué)性能、彈性模量和泊松比，確保測得3組有效數(shù)據(jù)，取平均值。擋泥板支架彈性模量測量結(jié)果如表2所示。

表2 擋泥板支架彈性模量測量結(jié)果Table 2 Test results of elasticity modulus of mudguard bracket

計算得到擋泥板支架各測點處的最大主應(yīng)力，結(jié)果如圖9所示。由圖可知支架上側(cè)的最大主應(yīng)力最大，為349.4 MPa，支架左側(cè)和右側(cè)的最大主應(yīng)力明顯小于其上側(cè)和下側(cè)。

圖9 擋泥板支架各測點處的最大主應(yīng)力Fig. 9 Maximum principal stress at each measuring point of mudguard bracket

擋泥板支架各測點處最大主應(yīng)力的幅值和方向如圖10所示。由圖可知：擋泥板支架上側(cè)和下側(cè)的應(yīng)力較大，且基本接近0°方向（即支架軸向），說明支架主要承受上下彎曲載荷；支架彎管結(jié)構(gòu)附加的扭轉(zhuǎn)載荷只在支架右側(cè)產(chǎn)生局部影響，導(dǎo)致該處的主應(yīng)力方向不明確，且數(shù)值較小。

由圖11所示的擋泥板支架尾端處的三向加速度功率譜密度可以看出，Z向加速度功率譜密度為單峰且峰值遠大于X向和Y向，說明擋泥板支架主要承受Z向載荷。

由上述分析可知，該擋泥板總成可簡化為單自由度振動系統(tǒng)，其等效剛度為固定螺栓和支架的串聯(lián)剛度。擋泥板總成固定螺栓失效可視為單軸疲勞失效，這與通過螺栓斷口形貌分析得到的結(jié)果一致。

圖10 擋泥板支架各測點處最大主應(yīng)力的幅值和方向Fig. 10 Amplitude and direction of maximum principal stress at each measuring point of mudguard bracket

圖11 擋泥板支架尾端處的三向加速度功率譜密度Fig. 11 Three-direction acceleration power spectral density at the end of mudguard bracket

4.2 車架與擋泥板總成間的載荷傳遞

擋泥板總成所受載荷來源于車架，通過計算得到車架上擋泥板總成安裝位置和支架尾端處Z向加速度頻響函數(shù)，確定車架與擋泥板總成間的載荷傳遞關(guān)系。圖12為車架上擋泥板總成安裝位置和支架尾端處Z向加速度功率譜密度以及兩者之間的頻響函數(shù)和相干系數(shù)。由圖可知，當(dāng)頻率f =22 Hz時，擋泥板總成的響應(yīng)最大，車架的Z向加速度功率譜密度很小且兩者之間的相干系數(shù)僅為0.6，說明擋泥板總成失效主要是因為其自身的某階模態(tài)被激勵，屬振動疲勞范疇。

圖12 擋泥板總成安裝位置和支架尾端處Z 向加速度功率譜密度以及兩者之間的頻響函數(shù)和相干系數(shù)Fig. 12 Z-direction acceleration power spectral density at the installation position of mudguard assembly and the end of bracket, and the frequency response function and coherence coefficient between them

為更深入地研究擋泥板總成的失效原因，對其工作模態(tài)進行分析。考慮到總成各部件質(zhì)量和螺栓連接剛度會影響分析精度，利用各部件質(zhì)量和螺栓預(yù)緊力的實測數(shù)據(jù)分析擋泥板總成的前4階模態(tài)振型及對應(yīng)頻率，結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，擋泥板總成的第1階、第2階模態(tài)振型為反相位、同相位翻轉(zhuǎn)，在加速、制動等工況下該模態(tài)振型易被激勵；擋泥板總成的第3階、第4階模態(tài)振型為反相位、同相位上下擺動，其中第4階模態(tài)振型在長、短波路和搓板路等工況下易被激勵，多數(shù)路面工況下第3階模態(tài)為主要工作模態(tài)。擋泥板總成的前4階模態(tài)頻率計算值與測試分析結(jié)果一致。

圖13 擋泥板總成的前4階模態(tài)振型及對應(yīng)頻率Fig. 13 The first four order mode shapes and corresponding frequencies of mudguard assembly

由上述分析可知，在車輛行駛過程中，擋泥板總成的響應(yīng)主要來源于自身的Z向振動，則可將它視為單自由度振動系統(tǒng)。一般情況下，路面激勵頻率小于50 Hz，當(dāng)路面激勵頻率與擋泥板總成的第3 階模態(tài)頻率一致或相近時，會引起擋泥板總成共振。在共振條件下，相同的激勵會產(chǎn)生更大的響應(yīng)，擋泥板總成固定螺栓受到強烈的上下往復(fù)彎曲載荷的作用，加上螺紋根部存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致固定螺栓疲勞斷裂，屬單軸振動疲勞失效范疇［13-14］。

5 商用車擋泥板總成耐久試驗規(guī)范制定

為了合理把控改進后產(chǎn)品的快速釋放，縮短后續(xù)新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低路試成本，基于沖擊響應(yīng)譜和疲勞損傷譜制定了適用于某商用車擋泥板總成的耐久試驗規(guī)范，并在振動試驗臺架上模擬試驗場復(fù)雜多變的振動沖擊環(huán)境，使得臺架上試件的振動環(huán)境與試驗場相當(dāng)。商用車擋泥板總成耐久試驗規(guī)范的制定流程如圖14所示。

圖14 商用車擋泥板總成耐久試驗規(guī)范制定流程Fig. 14 Development flow of endurance test specification for mudguard assembly of commercial vehicles

沖擊響應(yīng)譜通常又稱“沖擊譜”，是指將沖擊激勵施加到一系列線性、單自由度彈簧或質(zhì)量系統(tǒng)時，各單自由度系統(tǒng)的最大響應(yīng)值與系統(tǒng)固有頻率之間的函數(shù)關(guān)系曲線。它用沖擊載荷作用在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的效果即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對沖擊載荷的響應(yīng)，來描述沖擊［15-16］。

由4.1節(jié)可知，擋泥板總成可簡化為單自由度振動系統(tǒng)，如圖15所示。

圖15 擋泥板總成系統(tǒng)模型示意圖Fig. 15 Schematic diagram of mudguard assembly system model

擋泥板總成的質(zhì)量為M，剛度為K，阻尼為C，則該系統(tǒng)在車架加速度激勵下的運動方程為［15］：

其中：

式中：δ(t)是擋泥板總成相對于車架的位移；u(t)為車架的絕對位移；x(t)為擋泥板總成的絕對位移；ωn為單自由度振動系統(tǒng)的固有頻率；ζ為單自由度振動系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

在初始條件下，擋泥板總成對車架輸入激勵的相對位移響應(yīng)為：

對于待分析的沖擊加速度時間歷程u¨ (t)，當(dāng)給定一個ωn時，可計算出其響應(yīng)δ(t)，并得到其最大值δmax；當(dāng)ωn在給定的頻率范圍內(nèi)變化時，重復(fù)上述計算過程就可以得到δmax（ωn），即沖擊加速度時間歷程(t)的相對位移沖擊響應(yīng)譜［15-16］。

通過nCode軟件的AcceleratedTesting 模塊來制定擋泥板總成耐久試驗規(guī)范。計算相對損傷譜（relative damage spectrum，RDS），以確定擋泥板總成主要的損傷頻段；定義頻率間隔，計算每個頻率點下?lián)跄喟蹇偝傻臎_擊響應(yīng)譜；通過雨流計數(shù)，得到每個頻率點對應(yīng)的疲勞損傷，即疲勞損傷譜；定義掃頻率，由疲勞損傷譜反求臺架每個頻率點對應(yīng)的正弦掃頻循環(huán)數(shù)，即耐久試驗規(guī)范［17］。

疲勞損傷譜是基于沖擊響應(yīng)的疲勞損傷的包絡(luò)，能夠等效反映擋泥板總成的疲勞損傷。獲取沖擊響應(yīng)譜時，應(yīng)重點關(guān)注其品質(zhì)因素Q（Q 反映了系統(tǒng)響應(yīng)的放大程度）［18］，根據(jù)擋泥板總成安裝位置和支架尾端處Z向加速度的頻響函數(shù)確定Q的值，避免制定的試驗規(guī)范過于苛刻。

擋泥板總成耐久試驗規(guī)范驗證現(xiàn)場如圖16 所示，驗證時確保擋泥板總成的失效模式與實際一致。結(jié)果表明該試驗規(guī)范可合理地將試驗時間壓縮至30 h，大幅縮短了擋泥板總成的開發(fā)周期，實現(xiàn)了對改進后擋泥板總成和后續(xù)新?lián)跄喟蹇偝傻目焖籴尫拧：罄m(xù)試驗跟蹤顯示，改進后擋泥板總成的失效率大幅降低，售后反饋良好。

6 結(jié) 論

1）使用掃描電鏡對擋泥板總成的失效斷口形貌進行觀察分析，判定其失效類型為疲勞斷裂。

2）通過分析擋泥板總成的道路載荷譜、載荷傳遞關(guān)系和工作模態(tài)仿真結(jié)果，得出其疲勞失效的主要原因是自身的第3階模態(tài)被激勵，導(dǎo)致總成固定螺栓受到強烈的上下往復(fù)彎曲載荷的作用，發(fā)生疲勞斷裂。

3）制定了擋泥板總成的耐久試驗規(guī)范，實現(xiàn)了改進后擋泥板總成的快速釋放，大幅縮短了開發(fā)周期；后續(xù)試驗跟蹤顯示，改進后擋泥板總成的失效率大幅降低，售后反饋良好。

圖16 擋泥板總成耐久試驗規(guī)范驗證現(xiàn)場Fig. 16 Test field of the mudguard assembly endurance test specification