基于路譜載荷的副車架加速耐久臺架試驗的開發(fā)與應(yīng)用

張巖,王婭,盧生林

(奇瑞汽車股份有限公司,試驗和整車工程中心,安徽省汽車NVH與可靠性重點實驗室，安徽蕪湖 241009)

0 引言

近年來，隨著全球特別是中國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場競爭愈發(fā)激烈，新車型投放愈加密集，產(chǎn)品研發(fā)周期越來越短，如何在項目前期或者整車驗證階段中發(fā)生失效問題時，利用快速試驗驗證方法來驗證改進方案和提高在整車路試試驗中改進零件通過驗證的概率，是汽車開發(fā)工程師和性能工程師將要面對的巨大挑戰(zhàn)。

在新車型研發(fā)的過程中，驗證車輛耐久性能主要有3種方法：CAE耐久仿真分析、零部件臺架耐久試驗和整車試驗場耐久試驗。由于CAE耐久仿真分析和零部件試驗具有一定的局限性，不能完全預(yù)測試驗場路試的所有耐久失效問題。如果考核單一的零部件，試驗場道路試驗周期長、成本高且重復(fù)性較差[1]。所以建立一種與試驗場路試關(guān)聯(lián)性較好，又可以快速復(fù)現(xiàn)失效模式和驗證改進方案的加速耐久臺架試驗，顯得尤為重要。

臺架耐久性試驗的載荷輸入一般分為三類，即隨機路譜載荷、等幅載荷和程序塊載荷。其中最接近實際工況的是隨機路譜載荷加載，但是周期較長、設(shè)備要求高，無法適應(yīng)項目開發(fā)進度要求;等幅載荷加載雖然精度沒有隨機路譜載荷高，但是周期最短，能夠快速進行方案驗證;程序塊載荷介于隨機載荷和等幅載荷加載之間[2]。

等幅載荷耐久試驗是最簡單、最常見也是應(yīng)用最多的一種零部件試驗，常用于產(chǎn)品的達標(biāo)或合格檢驗、產(chǎn)品的定型檢驗等。但等幅載荷耐久試驗給出的壽命不能準確描述零部件的工作壽命，即當(dāng)量里程數(shù)[3]，因為一般在開發(fā)等幅載荷耐久試驗標(biāo)準時，沒有參考用戶使用場景或者試驗場載荷。文中研究了一種與試驗場載荷等效的等幅載荷加載試驗方法，并與試驗場整車試驗取得了較好的相關(guān)性。

1 前副車架焊縫失效

在試驗場耐久路試中，當(dāng)試驗進行到一個壽命循環(huán)的98%時，發(fā)現(xiàn)前副車架右控制臂安裝點處的焊縫端部發(fā)生開裂。開裂位置如圖1所示。

圖1 前副車架焊縫開裂位置

2 試驗場路譜載荷采集

2.1 控制臂上應(yīng)變片布置方式

焊縫開裂位置附近只有一個受力硬點：控制臂在副車架上的安裝點，因此了解控制臂安裝點處的試驗場載荷尤為重要。為了獲得前副車架控制臂安裝點處的路譜載荷，首先要獲取控制臂上的載荷，通常使用應(yīng)變片來反映應(yīng)變與載荷之間的關(guān)系?？刂票鬯茌d荷以軸向拉壓載荷為主，所以應(yīng)變片貼于控制臂受力方向的對稱面并組成全橋，此種應(yīng)變片的布置方式可以補償彎曲載荷，且對拉壓載荷敏感，是測量軸向拉壓載荷的常用布置方式。應(yīng)變位置布置方式如圖2所示。

圖2 控制臂上應(yīng)變片布置

2.2 左、右控制臂的標(biāo)定

標(biāo)定就是獲得力和應(yīng)變之間的關(guān)系，是對載荷測量精度影響最為關(guān)鍵的步驟之一，一般只需做線性標(biāo)定，標(biāo)定還可以初步檢驗應(yīng)變傳感器的安裝質(zhì)量。完成控制臂應(yīng)變片布置后，通過臺架上的標(biāo)準力傳感器施加一定范圍內(nèi)的載荷，從而將應(yīng)變測量轉(zhuǎn)換為載荷的測量。標(biāo)定過程如圖3所示。標(biāo)定時拉伸為正，壓縮為負，左右控制臂的標(biāo)定結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖3 左右控制臂標(biāo)定過程

圖4 左側(cè)控制臂標(biāo)定結(jié)果

圖5 右側(cè)控制臂標(biāo)定結(jié)果

2.3 試驗場路譜載荷采集

控制臂的路譜載荷采集，選擇與整車耐久路試相同的試驗場進行，依據(jù)試驗場耐久試驗規(guī)范中包含的特征路面以及規(guī)范中通過每個特征路面的速度，對這些特征路面進行路譜載荷采集。試驗場特征路一般是實際存在的各種各樣的道路經(jīng)過集中、濃縮、不失真地強化并典型化的道路，主要特征路邊包括：比利時路、井蓋路、搓衣板路、制動路、共振路、凹坑路，沖擊坑路、鵝卵石路，扭曲路，鐵路軌道路和砂石路等。在路譜的采集過程中，由于司機操作、路面突變等隨機因素的影響，需要對每個特征路面采集三組數(shù)據(jù)，且三組數(shù)據(jù)均無明顯異常。采集完成后，需要對數(shù)據(jù)進行前處理，包括：去除毛刺，去除漂移，濾波和修正異常信號等。經(jīng)過前處理后，每個特征路面下，左右控制臂軸載荷如圖6所示。

圖6 特征路面下控制臂載荷

3 相關(guān)疲勞理論介紹

3.1 S-N曲線介紹

在零件上所施加的載荷，由應(yīng)力范圍Sr或者應(yīng)力幅Sa確定。應(yīng)力范圍被定義為一個循環(huán)中最大應(yīng)力Smax和最小應(yīng)力Smin之間的代數(shù)差：

Sr=Smax-Smin

(1)

應(yīng)力幅等于應(yīng)力范圍的1/2：

(2)

通常采用對稱的循環(huán)交變加載方式進行S-N的疲勞試驗。對稱循環(huán)表示以零平均應(yīng)力進行交變加載，平均應(yīng)力Sm被定義為：

(3)

典型的S-N曲線公式為：

(4)

在采用基于應(yīng)力的方法開展疲勞分析和設(shè)計時，這個由雙對數(shù)S-N曲線圖得出表達式是應(yīng)用最廣的方程，被稱作巴斯坎(Basquin)方程[4]。

3.2 雨流計數(shù)法

將隨機載荷處理為一系列不同幅值的全循環(huán)需要使用循環(huán)計數(shù)法，最常用的方法是雨流計數(shù)法。雨流計數(shù)法通常被認為是預(yù)測疲勞壽命的較好方法[5]。這種方法可以識別在復(fù)雜載荷序列中與等幅疲勞數(shù)據(jù)相似的事件。

3.3 線性疲勞損傷累計理論

有限壽命設(shè)計法允許構(gòu)件的應(yīng)力集中處存在大于疲勞極限的應(yīng)力，然而當(dāng)構(gòu)件承受大于疲勞極限的應(yīng)力時，會使材料產(chǎn)生一定的損傷，這種損傷能夠線性累積，這就是疲勞累積損傷理論[6]。

汽車行駛在實際路面上時，路面特征對于底盤懸架和車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激勵，會使底盤和車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交變循環(huán)應(yīng)力，在這個過程中，疲勞損傷逐漸累積，當(dāng)總損傷超過臨界值時，疲勞破壞則會發(fā)生。疲勞過程也可以理解為損傷達到一個臨界值的累積過程，也是消耗材料固有壽命的過程。當(dāng)零件的應(yīng)力水平高于對應(yīng)材料的疲勞極限時，一個循環(huán)下造成的損傷是1/N,則n次恒幅載荷下所造成的損傷為n/N。變幅載荷下的計算疲勞損傷累計的公式為：

(5)

式中：i為變幅載荷的應(yīng)力水平級數(shù)，ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級載荷下的疲勞壽命。

當(dāng)總損傷值累積到臨界值D=1時，疲勞破壞產(chǎn)生[7]。

4 加速耐久臺架試驗規(guī)范建立

4.1 路譜載荷的雨流計數(shù)統(tǒng)計

可以認為控制臂上的載荷是非周期性的隨機載荷譜，這種真實的載荷由于其不確定性，不能直接加以利用，經(jīng)過雨流計數(shù)后，就可以得到一系列幅值和循環(huán)次數(shù)確定的載荷。分別對左右控制臂上的載荷進行雨流計數(shù)統(tǒng)計，雨流直方圖如圖7所示。兩個橫坐標(biāo)分別為平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，縱坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)。

圖7 路譜載荷雨流計數(shù)直方圖

4.2 計算偽損傷和等幅載荷的幅值

在計算零件的損傷或壽命時，采用的是零件真實的應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)零件材料真實的S-N曲線，計算出真實的損傷值。而在實際的工程實踐中，從能量的角度出發(fā)，對各種信號，無論是力，力矩還是位移、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變都可認為是“廣義應(yīng)力”，通過預(yù)先設(shè)定的虛擬的S-N曲線，即可求得偽損傷[8]。

定義一條虛擬的S-N曲線：

(6)

由損傷等效原理，路譜載荷下的總損傷DRLD與等幅載荷下的總損傷Dconstant相等，即：

DRLD=Dconstant=529.06

(7)

定義Nconstant=170 000次為等幅載荷的循環(huán)次數(shù)。

由式(4)和(5)可得公式：

(8)

Nconstant=170 000代入公式(8)中，可得：

其中Sconstant為需要求得的等幅載荷的幅值[9]。

4.3 加速耐久臺架試驗規(guī)范

車輛在靜止時，測得控制臂上的靜態(tài)力為500 N，此力值作為試驗加載的預(yù)載。最終等幅載荷試驗加載波形圖，如圖8所示。

圖8 等幅載荷試驗加載波形

等幅幅值Sconstant=7 300 N，加載目標(biāo)循環(huán)次數(shù)Nconstant=170 000次，均值Sm=500 N，加載頻率為5 Hz。副車架加速耐久臺架試驗加載示意圖如圖9所示。

圖9 副車架加載示意

5 加速耐久臺架試驗驗證

5.1 加速耐久臺架搭建

約束副車架與車身的4個安裝點，采用單軸作動缸加載，并用激光測距儀檢測加載點處的位移，目的是為了監(jiān)測副車架開裂失效的時間點，可以更準確地確定失效時的循環(huán)次數(shù)。加速耐久臺架搭建如圖10所示。

圖10 加速耐久臺架搭建

5.2 加速耐久臺架試驗結(jié)果

在完成183 000次加載(108%)后，發(fā)現(xiàn)前副車架右控制臂安裝點處的焊縫發(fā)生了開裂，與試驗場路試中前副車架焊縫的開裂失效模式和失效壽命基本一致。加速耐久臺架試驗中副車架焊縫開裂如圖11所示。

圖11 加速耐久臺架試驗中副車架焊縫

關(guān)于臺架試驗與路試試驗的失效模式、失效位置、失效壽命和驗證時間的對比結(jié)果見表1。

表1 臺架試驗結(jié)果與路試試驗結(jié)果對比

從臺架試驗結(jié)果與路試試驗結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，試驗場副車架焊縫的失效模式、失效壽命與臺架試驗結(jié)果基本一致，臺架試驗的失效驗證時間僅為試驗場試驗的1.4%。

5.3 改進方案的驗證

底盤設(shè)計人員對焊縫端部進行了延長和優(yōu)化，此改進方案經(jīng)過340 000次加載(兩倍壽命)的臺架試驗驗證后，并無開裂發(fā)生。后期改進后的副車架搭載在整車試驗場整車路試中，也通過了試驗場路試驗證，未發(fā)現(xiàn)開裂。加速耐久臺架試驗驗證流程圖如圖12所示。

圖12 耐久失效問題臺架驗證及改進流程

6 結(jié)論

(1)基于損傷等效、疲勞累計損傷，雨流計數(shù)法，S-N疲勞分析和偽損傷等理論和分析方法，將試驗場路譜載荷等效為等幅載荷，經(jīng)過試驗驗證后，發(fā)現(xiàn)施加等幅載荷的加速耐久臺架試驗的失效模式、失效壽命與試驗場試驗基本一致，相關(guān)性較好。

(2)臺架試驗的失效驗證時間僅為試驗場試驗的1.4%，加速耐久臺架試驗，可以大幅減少改進方案的驗證時間，增加了改進后零件通過試驗場整車試驗的通過率。

(3)文中以副車架為研究對象，進行了副車架加速耐久試驗的開發(fā)與應(yīng)用，其他底盤零部件，例如控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿等部件，都可以應(yīng)用文中方法開發(fā)相應(yīng)的加速耐久臺架試驗。

(4)基于損傷等效的加速耐久臺架試驗方法，不僅可以在耐久路試出現(xiàn)問題后，應(yīng)用于改進方案的快速驗證；也可以在項目開發(fā)前期，僅有底盤系統(tǒng)的物理樣件階段，利用騾車、平臺載荷譜或者VPG技術(shù)，獲得各個底盤零部件的路譜載荷，尤其是利用多體動力學(xué)模型以及VPG技術(shù)的使用，可以大大減少物理樣車在試驗場采集路譜的時間[10]。

(5)利用文中的研究思路，可進行推廣，建立早期的零部件級或者系統(tǒng)級別的設(shè)計驗證方案，這樣不但可以在早期規(guī)避結(jié)構(gòu)耐久風(fēng)險，也可以降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。