穩(wěn)定桿疲勞載荷確立及疲勞壽命分析

劉樹輝， 趙建宏

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

隨著車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能要求提升，整車輕量化已是大勢所趨，對底盤零部件輕量化設(shè)計(jì)提出了更高的要求.制定合理的零部件耐久疲勞載荷，驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)零件，已成業(yè)內(nèi)共識.

穩(wěn)定桿是獨(dú)立懸架系統(tǒng)重要安全零部件，車輛在轉(zhuǎn)彎或遇阻力下產(chǎn)生側(cè)傾時(shí)，能夠?yàn)檐囕v快速提供反側(cè)傾力矩，其主要任務(wù)是增加低速敏捷性，提高高速穩(wěn)定性，減小側(cè)傾角，增加舒適性.還可以恰當(dāng)?shù)胤峙淝啊⒑髴壹艿膫?cè)傾角剛度比值，有助于車輛獲得所需的轉(zhuǎn)向不足特性[1].

穩(wěn)定桿橫向布置在車輛底部，桿身中部通過橡膠襯套和支架與副車架總成緊固連接，穩(wěn)定桿兩側(cè)端部分別與穩(wěn)定桿連桿緊固連接，并通過連桿與左右減震器總成連接，其在左右車輪具有垂向相對位移時(shí)，隨車輪上下擺動(dòng).橫向穩(wěn)定桿安裝位置及接口零件示意，見圖1.

圖1 橫向穩(wěn)定桿安裝位置示意圖

1 試車場載荷采集

穩(wěn)定桿連桿與穩(wěn)定桿端頭通過緊固件連接.路面不平度激勵(lì)車輪，載荷沿輪胎、車輪、輪轂軸承、轉(zhuǎn)向節(jié)、減震器、穩(wěn)定桿連桿輸入到穩(wěn)定桿端頭.因此，采用穩(wěn)定桿連桿桿身載荷作為穩(wěn)定桿端頭載荷輸入，其數(shù)據(jù)可靠性和工程經(jīng)濟(jì)性以得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可[2].

1.1 穩(wěn)定桿連桿貼片

采集穩(wěn)定桿連桿載荷.首先，選擇應(yīng)變片測點(diǎn)位置，并進(jìn)行表面打磨、劃線定位、清洗零件表面、風(fēng)干、粘貼應(yīng)變片、膠水固化、貼片質(zhì)量檢查，根據(jù)測量需要組橋、檢查橋路是否平衡并與零件絕緣、涂抹硅膠保護(hù)材料、引出信號線采用單向拉壓應(yīng)變片.測試選擇電阻應(yīng)變片，型號：EA-06-062TZ-350，電阻值為350 Ω，布置方式為沿受力方向?qū)ΨQ布置，組全橋.轉(zhuǎn)向拉桿粘貼應(yīng)變片后狀態(tài)如圖2所示.一般定義應(yīng)變片受拉方向?yàn)檎较?，受壓方向?yàn)樨?fù)方向，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)向拉桿拉應(yīng)力及壓應(yīng)力.

圖2 穩(wěn)定桿連桿貼片位置圖

將粘貼應(yīng)變片的穩(wěn)定桿連桿在標(biāo)定試驗(yàn)機(jī)上載荷和應(yīng)變標(biāo)定，獲得應(yīng)變與載荷之間的對應(yīng)關(guān)系，擬合應(yīng)變-載荷標(biāo)定曲線，確定標(biāo)定系數(shù).

1.2 穩(wěn)定桿連桿載荷采集

試車場道路載荷數(shù)據(jù)采集通常由專業(yè)駕駛員和道路數(shù)據(jù)采集工程師完成，駕駛員根據(jù)試車場規(guī)范執(zhí)行各個(gè)試驗(yàn)路面的行車操作，數(shù)據(jù)采集工程師采集數(shù)據(jù)并在現(xiàn)場初步確認(rèn)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性.

數(shù)據(jù)采集車輛根據(jù)試車場耐久測試規(guī)范進(jìn)行路譜采集.采集使用HBM-SoMat公司的eDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，ADC轉(zhuǎn)換16bit，系統(tǒng)精度≤1%，采樣頻率可達(dá)100 kHz.采譜通道和文件名稱使用規(guī)范名稱，方便大量路譜的處理分析.采譜路面為試車場標(biāo)準(zhǔn)路面，如標(biāo)準(zhǔn)比利時(shí)路面、順時(shí)針、ABS制動(dòng)、長坡橋等路面.

數(shù)據(jù)采集車輛按規(guī)范要求進(jìn)行整車配重，并按照標(biāo)準(zhǔn)胎壓進(jìn)行設(shè)定.對于底盤零部件載荷采集，采樣頻率一般為1 024 Hz.為確保采集數(shù)據(jù)真實(shí)有效且消除主觀因素影響，每個(gè)典型路面需要采集4-6次，并且每1-2次更換一名駕駛員.數(shù)據(jù)采集工程師需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，確認(rèn)無采集錯(cuò)誤、設(shè)備錯(cuò)誤等后，再執(zhí)行下一輪次或路面的采集工作[3].

數(shù)據(jù)采集信號為穩(wěn)定桿連桿的應(yīng)變信號，需要根據(jù)標(biāo)定系數(shù)，將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為載荷信號.試車場扭曲路面采集的穩(wěn)定桿連桿載荷時(shí)域信號如圖3所示.

圖3 扭曲路面載荷信號

2 路譜載荷信號處理及分析

為復(fù)現(xiàn)零部件在整車耐久試驗(yàn)中所有路面載荷，且縮短零部件疲勞試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)間，需對各路面穩(wěn)定桿連桿載荷按照一定循環(huán)次數(shù)進(jìn)行穿級分析和雨流統(tǒng)計(jì)，并按偽損傷等效方法壓縮試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)間.部分典型路面及循環(huán)次數(shù)如表1.

表1 部分典型路面循環(huán)次數(shù)

2.1 路譜載荷信號雨流統(tǒng)計(jì)

試車場采集的載荷譜使用前需要注意信號檢查和預(yù)處理，以剔除異常信號.載荷信號中很多小載荷片段對零件疲勞損傷貢獻(xiàn)很小，也要對其進(jìn)行篩選和剔除，用來縮減仿真計(jì)算和耐久臺(tái)架執(zhí)行時(shí)間.

試車場采集的載荷譜是一種隨機(jī)載荷譜，通常運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法對其進(jìn)行分析與描述.雨流計(jì)數(shù)法是眾多計(jì)數(shù)法中應(yīng)用最廣泛的一種方法，簡稱雨流法.通過雨流計(jì)數(shù)可得到載荷的雨流載荷矩陣，此矩陣包括載荷幅值(Frange)、載荷均值(Fmean)與循環(huán)次數(shù)(Cycle)，其中,block載荷包含多個(gè)cycle，block載荷大小由其對應(yīng)的Frange和Fmean決定，其與載荷極值—極大值Fmax和極小值Fmin關(guān)系如下：

(1)

穩(wěn)定桿連桿載荷雨流統(tǒng)計(jì)直方圖，見圖4.

圖4 連桿載荷雨流統(tǒng)計(jì)直方圖

2.2 虛擬傷計(jì)算及試驗(yàn)載荷制定

試車場穩(wěn)定桿連桿載荷譜雨流計(jì)數(shù)后，得到的試驗(yàn)載荷及對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)均較多，采用Palmgren-Miner線性累積與虛擬損傷等效原則選擇適合的試驗(yàn)載荷，包括試驗(yàn)載荷Block的級數(shù)、大小及對應(yīng)的循環(huán)次數(shù).進(jìn)而縮短試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)間，提高執(zhí)行效率[4].

Palmgren-Miner線性累積損傷計(jì)算方法如下：

(2)

式中：CountsR,M為等效目標(biāo)Block載荷的循環(huán)次數(shù)；DamageR,M為等效目標(biāo)Block載荷的總損傷；∑DamOrigin為需要損傷等效的Block載荷的總損傷；EstCountsR,M為需要損傷等效的Block載荷的總損傷等效為目標(biāo)(試驗(yàn))Block載荷的循環(huán)次數(shù).材料選擇55Cr3.通過雨流計(jì)數(shù)和Palmgren-Miner線性累積損傷計(jì)算方法，連桿試車場載荷虛擬損傷累計(jì)直方圖見圖5.

圖5 虛擬損傷累計(jì)直方圖

通過虛擬損傷等效制定試驗(yàn)載荷時(shí)，需要注意載荷大小和載荷循環(huán)次數(shù)的選擇.文中制定多級載荷譜時(shí)，提出試驗(yàn)載荷最大幅值不超過試車場載荷峰值的5%，其循環(huán)次數(shù)可按照實(shí)際采集次數(shù)的1.5-2倍選取.載荷級數(shù)可以選取3-5級，可在滿足損傷等效的情況下，通過穿級計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)對等效試驗(yàn)載荷和試車場載荷進(jìn)行對比確定.根據(jù)上述原則，制定疲勞試驗(yàn)多級載荷譜,見表2.該表內(nèi)循環(huán)次數(shù)和為1倍壽命.

表2 疲勞試驗(yàn)多級載荷譜

等效試驗(yàn)載荷譜與試車場載荷譜穿級計(jì)數(shù)對比,見圖6.

圖6 穿級計(jì)數(shù)對比

文中等效試驗(yàn)載荷譜虛擬損傷保留為試車場載荷虛擬損傷的2倍,提高疲勞試驗(yàn)虛擬損傷，保留一定的安全裕量.等效試驗(yàn)載荷虛擬損傷直方圖見圖7.

圖7 虛擬損傷直方圖

3 疲勞壽命仿真預(yù)測

運(yùn)用HyperMesh軟件進(jìn)行穩(wěn)定桿有限元模型建立，使用Design life進(jìn)行仿真壽命分析[5-6].

建立實(shí)心穩(wěn)定桿數(shù)模，在HyperMesh中進(jìn)行有限元模型的建立.該穩(wěn)定桿為外徑26 mm的實(shí)心桿，材料采用55Cr3高強(qiáng)度彈簧鋼，彈性模量E=2.03×105MPa，抗拉強(qiáng)度σb=1 584 MPa，屈服強(qiáng)度σs=1 488 MPa，泊松比μ=0.3.考慮到表面處理對零件的疲勞壽命有較大影響，材料表面處理選擇噴丸處理，更為真實(shí)地模擬穩(wěn)定桿進(jìn)行噴丸處理后帶來的強(qiáng)化效果.穩(wěn)定桿總成由穩(wěn)定桿、襯套和卡箍組成.

疲勞分析中，固定約束穩(wěn)定桿卡箍，穩(wěn)定桿載荷通過穩(wěn)定桿連桿加載，在穩(wěn)定桿兩端頭處施加反向載荷，按表2載荷順序加載，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測.

使用Ncode Designlife模塊仿真分析獲得穩(wěn)定桿等效累計(jì)壽命分布云圖及疲勞熱點(diǎn)區(qū)域，見圖8.

圖8 穩(wěn)定桿疲勞熱點(diǎn)和壽命云圖

由圖8可知，穩(wěn)定桿的等效累積損傷最大值為0.338，小于1，等效疲勞壽命為2.956倍壽命，滿足設(shè)計(jì)要求.疲勞熱點(diǎn)在穩(wěn)定桿靠近卡箍的大圓弧位置，也是預(yù)測的穩(wěn)定桿危險(xiǎn)截面區(qū)域.疲勞試驗(yàn)中，需要注意該位置易發(fā)生斷裂失效[7].

4 穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)及分析

按照上述穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)制造實(shí)心穩(wěn)定桿，搭建疲勞試驗(yàn)臺(tái)架，穩(wěn)定桿總成固定在疲勞試驗(yàn)臺(tái)架上，兩端端頭通過球鉸與液壓作動(dòng)器連接，按照表2中的多級載荷譜進(jìn)行加載，左右側(cè)載荷等幅反向加載，試驗(yàn)工裝如圖9所示.

圖9 穩(wěn)定桿總成疲勞試驗(yàn)

穩(wěn)定桿總成疲勞試驗(yàn)1倍壽命內(nèi)未出現(xiàn)裂紋或永久變形，直至進(jìn)行到814 258次時(shí),穩(wěn)定桿出現(xiàn)斷裂，其疲勞壽命接近于2.6倍壽命，滿足設(shè)計(jì)要求，斷裂失效件如圖10所示.

圖10 穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)失效位置

試驗(yàn)件壽命為2.6倍壽命，與仿真預(yù)測基本一致.從圖10可知，失效位置為穩(wěn)定桿靠近卡箍的大圓弧位置，疲勞源為大圓弧內(nèi)側(cè)，與CAE分析危險(xiǎn)截面位置和區(qū)域一致，即穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷制定及疲勞損傷分析可有效地預(yù)測穩(wěn)定桿的危險(xiǎn)截面區(qū)域和壽命.因此，在穩(wěn)定桿的前期開發(fā)過程中，可利用上述方法對穩(wěn)定桿的耐久性能進(jìn)行有效評估.

5 結(jié) 論

1)文中介紹了穩(wěn)定桿載荷路譜的采集過程.穩(wěn)定桿連桿路譜信號預(yù)處理后，通過雨流統(tǒng)計(jì)方法對連桿載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.并按照虛擬損傷等效原理，將試車場載荷等效轉(zhuǎn)換為疲勞試驗(yàn)載荷.提出試驗(yàn)載荷最大幅值不超過試車場載荷峰值的5%，其循環(huán)次數(shù)可按照實(shí)際采集次數(shù)的1.5-2倍選取.建議載荷級數(shù)選取3-5級.

2)進(jìn)行穩(wěn)定桿疲勞壽命分析，搭建穩(wěn)定桿耐久疲勞臺(tái)架，按文中方法轉(zhuǎn)換的多級載荷譜進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，斷裂位置與仿真預(yù)測位置一致，疲勞壽命基本一致.證明文中所述的疲勞載荷制定的多級疲勞載荷譜有效，為整車開發(fā)前期的穩(wěn)定桿疲勞壽命評估提供理論基礎(chǔ).