汽車零部件可靠性測評技術(shù)的發(fā)展與應用

寧世儒，張冠勇，龐方超

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

前言

近年來，國內(nèi)汽車市場結(jié)束了連續(xù)29年的增長奇跡，市場對于汽車產(chǎn)品的可靠性和安全性提出越來越高的標準和要求[1-2]。因此在整車研發(fā)周期中，零部件產(chǎn)品的可靠性驗證至關(guān)重要[3]。目前主流的測試方法有三種：實車道路試驗、室內(nèi)臺架試驗以及虛擬仿真技術(shù)。因?qū)嵻嚨缆吩囼炛芷陂L，成本高，需要耗費大量人力與物力，以加速和強化思想為核心的汽車零部件耐久性臺架試驗和虛擬仿真技術(shù)已成為縮短整車產(chǎn)品研發(fā)周期與提高可靠性的重要手段。

汽車行業(yè)中通用的零部件產(chǎn)品疲勞設計理念[4]如圖1所示，其中疲勞模擬臺架測試主要利用工裝模塊和設備將待測零部件或組成系統(tǒng)按照實車道路運行工況固定起來，依據(jù)相應試驗標準對其進行一定強度、頻率和次數(shù)的測試，待試驗結(jié)束后檢查被測零件是否滿足設計要求[5]。而虛擬仿真技術(shù)則是利用相關(guān)疲勞失效分析軟件，將采集到的實車道路載荷譜數(shù)據(jù)、應力失效模型以及相關(guān)零件材料屬性輸入到多體動力學仿真模型中，最后輸出疲勞耐久仿真分析結(jié)果。最終將兩者的試驗結(jié)果相互印證，實現(xiàn)汽車零部件產(chǎn)品的研發(fā)設計及優(yōu)化。

圖1 汽車零部件疲勞耐久設計理念示意圖[4]

目前國內(nèi)外高校學者與工程師已對汽車零部件疲勞耐久性試驗方法與策略進行深入研究，大幅縮短新車研發(fā)周期，滿足整車開發(fā)需求。本文主要對汽車零部件可靠性測評技術(shù)研究現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢進行論述。

1 汽車零部件試驗載荷譜編輯方法

汽車零部件疲勞耐久性臺架試驗中輸入載荷是保證試驗結(jié)果準確的重要環(huán)節(jié)，但完整地施加實際道路載荷時間歷程，將會耗費大量時間以及試驗成本。因此對所采集到的實際道路工況載荷譜進行加速編輯，以保證在載荷加載效果相同的前提下，得到時間歷程更短的載荷譜，這對于零部件疲勞耐久性試驗研究至關(guān)重要。大多數(shù)學者與工程師對實際道路載荷-時間歷程的加速編輯進行研究[6]，采用帶通濾波預處理方法后，后續(xù)在壓縮載荷-時間歷程方面，主要有以下兩種經(jīng)典方法[7]：

（1）在時域方面，主要是基于損傷保留原理去除掉原始載荷譜中存在不產(chǎn)生損傷或產(chǎn)生損傷較小的小幅值載荷。國內(nèi)外比較典型的研究有：上官文斌教授[8]采用基于損傷保留的編輯方法證明編輯載荷譜用于懸置耐久性試驗研究的可行性，大大縮短了試驗時間。Kadhim N.A.等[9]利用基于損傷保留的編輯方法對某汽車下擺臂的應變-時間信號進行編輯，相應的編輯過程與結(jié)果如圖2所示，對比原始載荷與編輯后載荷歷程，結(jié)果表明載荷編輯會大幅縮短作用時間，提高計算效率。Mattetti等[10]采用損傷保留編輯法對位移-時間信號進行加速編輯，最終保證損傷保留量為99%的同時，信號時間縮短了45%，加速效果明顯。錢立軍、吳俊道等[11]利用基于載荷譜損傷與功率譜密度的編輯方法對載荷譜進行編輯，結(jié)果表明該方法有利于實現(xiàn)迭代和大幅縮短試驗時間。鄭松林等[12]提出了一種考慮偽損傷保留量的道路載荷譜編輯方法，具體編輯加速譜的流程如圖3所示。最終使位移信號既滿足了載荷信號編輯前后偽損傷保留量的要求，又縮短了載荷信號的時間長度，減少試驗時間。

圖2 道路應變-時間信號編輯過程與結(jié)果[9]

圖3 考慮偽損傷保留量的加速譜編制流程圖[12]

（2）在頻域方面，主要采用頻率變換方法對原始載荷譜進行編輯，保證編輯前后的損傷保留量在規(guī)定范圍內(nèi)，同時使載荷譜的統(tǒng)計參量（均值、方均根及峰度系數(shù)）以及頻域信息保持一致，進一步提升試驗結(jié)果的精確性。較為典型的研究成果如下：Abdullah S等[13]首次利用短時傅里葉變換對某汽車左下懸掛應變-時間信號載荷譜進行時頻分析，得出應變信號的能量分布，刪掉其中能量小的片段，之后利用累積功率譜密度識別并提取損傷貢獻量大的信號片段，拼接成縮減應變信號，保證信號編輯后的統(tǒng)計參數(shù)變化量控制在10%之內(nèi)，信號時間壓縮至原先的84.67%[14]。除此之外，國內(nèi)外學者還研究了基于小波變化的載荷編輯方法，上官文斌、鄭國峰等[15]對某乘用車動力總成懸置的載荷-時間歷程進行小波變換，對不同小波參數(shù)下的高頻分量進行閾值劃分。選取出高于閾值的小波分量所對應的信號時間點，最后利用包絡線法識別并提取這些信號時間點鄰近的對損傷貢獻量較大的信號片段，拼接得到縮減信號。圖4對比了基于損傷保留編輯與小波變換編輯載荷譜后的功率譜密度圖，從中可以看出基于小波變換編輯方法可將載荷譜時間縮短更多，為汽車零部件的多軸載荷譜的加速編輯提供了一種新方法。Abdullah S.等[16]通過小波分量識別信號中的“Bump”信號，定位“Bump”信號的時間軸，提取損傷貢獻量大的載荷循環(huán)，實現(xiàn)載荷譜的縮減，并以載荷譜信號的統(tǒng)計參數(shù)（方均根及峰度系數(shù)）為約束條件，很好地保證了編輯前后信號的統(tǒng)計特征一致。

圖4 懸置總成載荷譜編輯前后功率譜密度圖[15]

2 汽車零部件疲勞耐久性臺架試驗概況

汽車零部件疲勞耐久性臺架試驗是考慮零件自由度、頻率等因素選定好合適的臺架試驗方案，通過特定的試驗設備以及工裝夾具將零件連接到試驗臺架上，模擬汽車零部件在實際道路工況下的疲勞耐久性情況[17]。

現(xiàn)有的零部件臺架試驗設計主要有兩種方式：一種為改進性設計，既在已有的標準實驗臺架上通過改裝夾具和連接件來滿足不同試驗要求[18-19]。林先松等人[20]利用多軸振動臺架（MAST）進行汽車零部件道路載荷模擬試驗，通過作動器施加激勵控制平臺的六自由度變化，很好地重現(xiàn)道路載荷，結(jié)果表明多軸振動臺架可以代替道路耐久試驗，為新車型開發(fā)提供可靠的試驗方法。

對于非標準件以及新研發(fā)的零部件臺架試驗方案需要進行開發(fā)性設計，根據(jù)零部件實際道路運行工況以及易失穩(wěn)點，綜合考慮臺架控制系統(tǒng)、模具設計等各方面因素自主搭建相應的試驗臺架。如王靈龍等[21]利用線性作動器、方箱、鹽霧盒搭建一個單軸耦合的試驗平臺，如圖5所示，將采集到的室內(nèi)整車道路模擬輸出轉(zhuǎn)換為軸向力施加到控制臂上，利用鹽霧盒來模擬鹽霧腐蝕條件下的汽車控制臂耐久性試驗，較好地復現(xiàn)了控制臂在整車上的工況，與樣品失效情況基本一致。于佳偉等人[22]通過搭建雙通道的車輛前副車架服役載荷模擬試驗臺架將實際道路載荷譜施加到車架的穩(wěn)定桿兩端，實現(xiàn)某轎車前副車架的加速耐久性試驗并發(fā)現(xiàn)加速譜偽損傷保留比例會對于試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖5 鹽霧腐蝕條件下的汽車控制臂耐久性試驗[21]

Ledesma R.等人[23]研究了商用車懸架系統(tǒng)的多軸加速耐久性性能，搭建了一個多軸耦合試驗臺架，如圖6所示，利用MTS的RPC軟件實現(xiàn)懸架系統(tǒng)的多軸迭代試驗。結(jié)果表明懸架系統(tǒng)的耐久性臺架試驗結(jié)果與實際使用的結(jié)果相吻合。

圖6 懸架系統(tǒng)多軸耐久性性能臺架試驗[23]

3 虛擬仿真技術(shù)在汽車零部件可靠性測評中的應用

近年來虛擬仿真技術(shù)憑借其較小的試驗周期，低廉的研發(fā)成本，逐步由試驗場道路試驗的輔助驗證角色成為受車輛生產(chǎn)廠家和研究高校青睞的車輛可靠性測評方法。該方法通過在整車或者零部件的多體動力模型上施加與其工作環(huán)境相同的載荷，依據(jù)相應疲勞失效準則進行應力仿真分析，得出產(chǎn)品失效時間預測結(jié)果，找出潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化設計以提高產(chǎn)品可靠性[2]。

王霄鋒等[24]搭建轎車前懸架多軸向加載模擬疲勞試驗系統(tǒng)，可向前懸架施加垂向力、側(cè)向力、縱向力和制動力作用，隨后分別向轎車前懸架臺架模型加載高速公路、石塊路等路面的實測載荷譜，得出與實車道路試驗類似的試驗結(jié)果。王長明等[25]搭建多連桿后懸架系統(tǒng)多體動力學虛擬臺架模型，如圖7所示，分別進行垂向、縱向和多軸向方向加載試驗，結(jié)果表明虛擬試驗模型具有較好的精度，其分析結(jié)果可為懸架系統(tǒng)疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。董智超等[26]建立微型客車懸架系統(tǒng)多軸向加載的動態(tài)有限元模型，可施加垂直側(cè)向縱向和制動4軸向載荷，通過有限元仿真計算出整個懸架總成系統(tǒng)脆弱部位的疲勞損傷，對其疲勞危險點的具體位置進行標定預警，大幅縮減了研發(fā)周期。曹正林等[27]運用虛擬仿真技術(shù)建立整車試車場柔性仿真模型，施加轎車試車場強化路面試驗條件下的道路載荷譜，與實車道路測試結(jié)果相對比證明虛擬試車場技術(shù)可有效地仿真多種路面工況下轎車懸架系統(tǒng)的應力-時間響應。

圖7 后懸架總成虛擬臺架模型[25]

4 結(jié)論與展望

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，汽車零部件可靠性測評技術(shù)正不斷深化。國內(nèi)外學者與工程師從實地道路譜載荷的加速編輯到室內(nèi)疲勞耐久性試驗臺架設計以及虛擬仿真技術(shù)等多個方面對汽車零部件可靠性測評技術(shù)進行深入研究。從目前所述的研究現(xiàn)狀來看，未來汽車零部件可靠性測評技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾點：

（1）進一步優(yōu)化實際工況下的道路載荷譜加速編輯方法。耦合多種優(yōu)化算法對載荷譜進行定量、定性編輯，在保證精度的同時，將原始載荷-時間歷程壓縮的更多,最終開發(fā)出一套基于最優(yōu)編輯法的汽車零部件疲勞耐久性載荷譜處理軟件，提高編輯效率，降低成本。

（2）推進一體化的疲勞耐久性設計理念，研發(fā)出將汽車零部件耐久性臺架試驗與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的一體化疲勞耐久性分析方法，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約時間和成本，提高企業(yè)效益。

（3）隨著車輛電動化、智能化方向發(fā)展迅猛，針對新形勢下的汽車電子電器零部件失效問題的檢測與相應法規(guī)的完善將成為新的研究方向。車輛零部件可靠性的研究重點應逐漸由硬件可靠性設計與檢驗轉(zhuǎn)移到電子器件的可靠性上來。