基于雨流法的汽車前下控制臂疲勞耐久實驗方法設(shè)計

（南京星喬威泰克汽車零部件有限公司，南京市，210000） 張 虓

（南京理工大學紫金學院，南京市，210000） 黃 田 張子堯

1 控制臂結(jié)構(gòu)與受力

1.1 前下控制臂試驗研究

本文主要研究對象為麥弗遜式懸架。麥弗遜式懸架將減振器作為引導車輪跳動的滑柱，螺旋彈簧與其裝于一體。這種懸架將雙橫臂上臂去掉并以橡膠做支承，允許滑柱上端作少許角位移。內(nèi)側(cè)空間大，有利于發(fā)動機布置，并降低車子的重心。車輪上下運動時，主銷軸線的角度會有變化，這是因為減振器下端支點隨橫擺臂擺動。以上問題可通過調(diào)整桿系設(shè)計布置合理得到解決。

1.2 控制臂受載情況

在對汽車懸架控制臂進行強度分析時，此構(gòu)件比較特殊，在汽車行駛的過程中，汽車懸架控制臂始終繞著與副車架連接的內(nèi)側(cè)鉸點擺動，是一個運動件。汽車懸架控制臂與襯套之間，襯套與螺旋之間為過盈配合，襯套通過芯部的螺旋固定在副車架上。

汽車懸架控制臂中襯套繞螺栓的設(shè)計扭轉(zhuǎn)剛度為7N·m/deg，汽車懸架控制臂的長度為500mm，假設(shè)車輪上跳的最大高度為50mm，則襯套受到的扭矩的大小為50N·m，汽車懸架控制臂受到同樣大小的反扭矩作用，但該扭矩與實際工況下內(nèi)側(cè)鉸點其它各平動方向的載荷相比值極小，故汽車懸架控制臂受力分析時控制臂的轉(zhuǎn)動自由度不受限制。并由工件在實際工況中的失效情況選擇相應(yīng)傳感器的貼片位置。

2 雨流計數(shù)法與循環(huán)載荷的轉(zhuǎn)化

2.1 雨流計數(shù)法

雨流計數(shù)法是在20 世紀50 年代，由Matsuiski和Endo等人考慮材料應(yīng)力-應(yīng)變行為而提出的一種雙參數(shù)計數(shù)方法，計數(shù)結(jié)果用應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值的向量來表示。該算法考慮到應(yīng)力-應(yīng)變間的非線性關(guān)系，認為塑性的存在是疲勞損傷的必要條件，并且其塑性性質(zhì)表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線。同時，應(yīng)力—時間歷程的每一部分都參與計數(shù)，且只計數(shù)一次。

運用雨流計數(shù)法將試驗采集到的路面譜載荷離散化，提出所有的全循環(huán)，在將剩下的半循環(huán)載荷作為一個新的完整的載荷-時間歷程進行下一階段的計數(shù)，并再一次的提出所有的全循環(huán)。計數(shù)循環(huán)的總數(shù)等于2個階段的計數(shù)循環(huán)之和。在試驗過程中，每個全循環(huán)的交變幅值和應(yīng)力均值都會被計數(shù)。最終根據(jù)數(shù)據(jù)可以獲得帶有均值和幅值雙參數(shù)的路譜載荷雨流圖。

2.2 局部應(yīng)力應(yīng)變法

控制臂在外部的不斷受力情況下會產(chǎn)生疲勞受損，直至達到材料的疲勞極限，產(chǎn)生相應(yīng)的裂紋。外部載荷用應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)來代替。此三部分在疲勞損傷總量恒定的情況下相互制約影響。循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力幅值呈反比關(guān)系；當平均應(yīng)力相同時，應(yīng)力幅值增加而循環(huán)次數(shù)減少；在載荷循環(huán)次數(shù)不變的情況下，平均應(yīng)力增加而應(yīng)力幅值減小。

不同材料所反映出的疲勞極限可通過對應(yīng)的應(yīng)變-壽命方程來表示：

其方程可表示為：

考慮到平均應(yīng)力σ0和應(yīng)力均值σa對材料疲勞狀態(tài)的影響，可將材料應(yīng)變-壽命曲線方程表示為：

2.3 Miner準則（疲勞累積損傷理論）

Miner準則形式簡單，使用方便，且在多數(shù)情況下其壽命優(yōu)算與試驗結(jié)果有相當程度的吻合。

通過測量各級應(yīng)力的頻次與零件σ—N曲線上的理論頻次之比的累積值就得到零件的損傷量，如圖3 所示，若試件受到σ1，σ2，…，σn個不同應(yīng)力水平的作用，試樣在各級應(yīng)力水平下的壽命分別是N1，N2…，Nn，而各級應(yīng)力水平下的實際循環(huán)數(shù)為n1，n2，…，nn。

式中：NO為疲勞極限對應(yīng)的疲勞壽命

式（1）就是Miner理論的基本表達式，當該表達式值D=1時，試件理論上將被疲勞破壞。

2.4 轉(zhuǎn)化過程

隨機路譜信號計數(shù)完成后，可獲得路譜載荷雨流圖，即一系列的循環(huán)載荷及其應(yīng)力均值和交變幅值。在已知零件所用金屬材料實際應(yīng)力—應(yīng)變情況的下，推算零件受力位置應(yīng)變值，并使用當量應(yīng)力集中系數(shù)kt修正名義應(yīng)變值為實際局部應(yīng)變值。

其中，引入的件當量應(yīng)力集中系數(shù)kt，它可反映出材料對局部應(yīng)力集中和型面缺口影響的敏感度。不同的零件幾何形狀、材料類型、材料厚度、缺口尺寸及外力加載方式等都會影響kt的取值。

3 試驗載荷實例分析與數(shù)據(jù)比較

3.1 試驗設(shè)備和道路載荷譜的采集

在實際工況中，控制臂主要在加速、制動、過坎時承受縱向力，以及在轉(zhuǎn)向時承受側(cè)向力，而對于垂向力前下控制臂只是抵消前后橡膠襯套被扭轉(zhuǎn)變形時產(chǎn)生的一些結(jié)構(gòu)反力垂向力主要由彈簧來承受，這樣作用在控制臂的垂向力在數(shù)量級上遠小于縱向力和側(cè)向力，所以在文中前下控制臂受載分析時忽略垂向力，只考慮側(cè)向力和縱向力。

試驗收集的載荷分別為前下控制臂球頭處的縱向力Fx和側(cè)向力Fy，載荷譜如圖2所示。

圖1 道路載荷譜圖

在道路載荷譜采集過程中，因傳感器實際安裝于車輪輪心和穩(wěn)定桿拉桿處，故獲取的原始信號并不能直接等效為道路耐久受力狀態(tài)，為此采取參數(shù)調(diào)整的方法來確保信號等效精度?；谠撥囆颓皯易酉到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及動力學模型推算出調(diào)整參數(shù)初值，并通過數(shù)次臺架試驗來修正參數(shù)，將輪心和拉桿處的原始信號乘以優(yōu)化調(diào)整參數(shù)并將信號轉(zhuǎn)化為副車架受力時序信號。調(diào)整后的時序道路載荷譜信號還需要經(jīng)過數(shù)據(jù)平穩(wěn)性檢驗、各態(tài)歷經(jīng)性檢驗、正態(tài)分布檢驗和測量精度檢驗等步驟，用以去除奇異項和趨勢項。在保證恒定損傷的前提下，使用雨流法轉(zhuǎn)化經(jīng)預處理后的信號，即將實車采集載荷信號轉(zhuǎn)化為可用于在臺架中使用的循環(huán)載荷和對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

3.2 對比分析

采用美國MTS試驗系統(tǒng)作為動力裝置，在已搭建好的前副車架試驗臺架上，采用左右對稱同相位的加載方式，分別于2個方向（控制臂球頭處的縱向力FX、側(cè)向力FY）如圖2所示。

圖2 試驗臺架搭建圖

輪胎前后11.25 萬+左右11.25 萬回：基準荷重TC前后7.5萬回+左右7.5萬回+1.3倍荷重輪胎前后1.875萬回+左右1.875萬回

輪胎前后22.5 萬回+左右22.5 萬回：基準荷重TC前后7.5萬回+左右7.5萬回+1.3倍荷重輪胎前后3.75萬回+3.75萬回

圖3 試驗結(jié)果圖

圖4 大載荷試驗結(jié)果圖

4 結(jié)論

通過對某車型控制臂受載情況分析設(shè)計相應(yīng)的試驗臺架，基于雨流計數(shù)法，研究了將道路載荷譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為循環(huán)載荷的方法及控制臂各項載荷的模擬試驗方法。根據(jù)累計疲勞損傷，材料應(yīng)力應(yīng)變原理，對實驗數(shù)據(jù)的準確性予以評判。所得實驗結(jié)果在滿足實際工程領(lǐng)域使用的同時，其準確性也得以佐證。

表1 輪胎前后左右耐久數(shù)據(jù)

表2 輪芯前后耐久試驗

表3 大載荷的試驗結(jié)果

但值得探討的是，現(xiàn)在基于有限元分析軟件所得結(jié)果由于其邊界條件和載荷設(shè)置的局限性以及襯套，球鉸的材料和控制臂的本體不同導致實際試驗所得結(jié)果存在一定的差異。同時，試驗所得結(jié)果雖然能較為客觀的體現(xiàn)工件受載情況，但由于試驗人員的隨意態(tài)度導致試驗臺所表達的工況與實際車輛行駛中工況也依然存在一定的差距。設(shè)計試驗時應(yīng)綜合考慮實際工況與仿真結(jié)果，二者相結(jié)合進行分析去獲得嚴謹準確的試驗結(jié)果。