基于載荷譜的穩(wěn)定桿連接桿疲勞試驗方法研究

李功友,程俊東,董遠明,周文件,何鑫齡

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

隨著汽車市場競爭的日漸激烈，對主機廠產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也有了更高的要求。為了對汽車底盤系統(tǒng)結構可靠性進行充分的驗證，同時為了提早發(fā)現(xiàn)問題，便于后續(xù)整改，主機廠主要進行系統(tǒng)臺架耐久試驗以及整車道路耐久試驗。由于道路耐久試驗對整車要求較高，往往在項目后期才能進行，對底盤結構問題的整改及再驗證極為不利。臺架耐久試驗由于驗證時間短，對底盤懸架系統(tǒng)進行前置驗證等優(yōu)勢受到了汽車行業(yè)的廣泛青睞。

針對底盤系統(tǒng)結構驗證的耐久試驗臺主要有四立柱耐久試驗臺、12通道耐久試驗臺、24通道耐久試驗臺，對這些臺架需要進行道路載荷譜迭代試驗。由于道路譜采集需要整車進行，不利于底盤系統(tǒng)結構前置驗證、縮短驗證周期，為了解決此問題，給出了道路虛擬載荷譜。

本文針對某項目12通道底盤懸架系統(tǒng)耐久試驗出現(xiàn)的穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂問題，通過偽損傷等效原則，設計基于虛擬載荷譜的穩(wěn)定桿連接桿疲勞試驗方法，對穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂的問題進行復現(xiàn)驗證，同時對整改方案進行加速驗證，證明整改方案的有效性。

通過對故障件進行分析可知，穩(wěn)定桿連接桿是由于受載荷循環(huán)沖擊作用下，雙向彎曲疲勞斷裂，斷裂起始于球銷頸部應力集中處。由于12通道耐久試驗臺資源緊張，為了加速對整改方案進行驗證，利用虛擬載荷譜，編制生成試驗程序載荷譜，進行穩(wěn)定桿連接桿子系統(tǒng)驗證試驗。結果表明：整改前的方案在進行至0.92倍壽命試驗時，穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂的問題復現(xiàn)。整改后方案在進行至2.4倍壽命試驗時，穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂，整改后穩(wěn)定桿連接桿球銷壽命比整改前提高了2.61倍，證明整改方案有效。

1 穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂問題分析

某項目12通道底盤懸架系統(tǒng)耐久試驗進行至83.55%時，右側穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂，更換樣件后，繼續(xù)試驗。試驗進行至93.67%時，左側穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂，更換樣件后，繼續(xù)試驗，直至試驗完成，未再次出現(xiàn)穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂問題。12通道底盤懸架系統(tǒng)耐久試驗臺架如圖1a所示,右側連接桿球銷斷裂位置如圖1b所示。

圖1 底盤懸架系統(tǒng)試驗臺架及穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂

通過對球銷斷口進行宏觀分析，發(fā)現(xiàn)球銷的斷口裂紋由起始區(qū)、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)組成，其中斷口裂紋的擴展區(qū)紋理較平坦、瞬斷區(qū)紋理較粗糙，呈現(xiàn)雙向彎曲疲勞斷裂特征，球銷的宏觀斷口分析如圖2a所示。對球銷斷口進行微觀分析，裂紋的起始區(qū)可見疲勞臺階，沒有明顯的加工缺陷；擴展區(qū)可見疲勞輝紋，為疲勞斷裂特征；瞬斷區(qū)為韌窩形貌，為瞬間拉斷的斷裂特征，微觀斷口分析如圖2b至圖2d所示。

圖2 連接桿球銷頸部斷裂斷口分析

由圖2可知，穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂起始于球銷頸部應力集中處，斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂。

2 虛擬載荷譜數(shù)據(jù)分析處理

由于12通道底盤系統(tǒng)試驗臺資源緊張，整車道路耐久試驗驗證周期長，不利于整改方案的加速驗證。因此，采用穩(wěn)定桿連接桿子系統(tǒng)臺架試驗進行驗證。由于載荷譜工況較多，且載荷譜迭代試驗周期長，也不利于整改方案的加速驗證;正弦波試驗也無法驗證各種工況對樣件的影響;而程序載荷譜試驗很好地解決驗證周期長、工況少的問題。

通過對12通道底盤懸架系統(tǒng)試驗臺架及載荷譜的分析可知，穩(wěn)定桿連接桿主要承受向的載荷，、向載荷及損傷較小，為加速驗證整改方案的有效性，本文選取穩(wěn)定桿連接桿交界處向位移載荷譜，編制臺架程序載荷譜。

2.1 虛擬載荷譜偽損傷分析

通過計算虛擬載荷譜各個工況下(如搓衣板路、比利時路、坑洼路等)穩(wěn)定桿連接桿交界處向位移的偽損傷，乘以各個工況的循環(huán)次數(shù)，最后進行相加得到向位移的總偽損傷值為1328×10。表1列出了幾個典型工況的單循環(huán)損傷值，偽損傷流程如圖3所示。

表1 典型工況的單循環(huán)損傷值

圖3 偽損傷流程

通過雨流計數(shù)模塊將各個工況下的載荷譜轉(zhuǎn)化為雨流矩陣;再根據(jù)各個工況的循環(huán)次數(shù)，創(chuàng)建全壽命循環(huán)矩陣，如圖4所示。

圖4 全壽命循環(huán)矩陣

2.2 穩(wěn)定桿連接桿程序載荷譜編制

為加速臺架耐久試驗驗證，根據(jù)全壽命循環(huán)矩陣及偽損傷等效原則，生成六級程序載荷譜，詳細見表2。

表2 六級程序載荷譜

將程序載荷譜分為10個大循環(huán)，每個循環(huán)載荷從小到大依次進行排列，如圖5所示。計算穩(wěn)定桿連接桿六級程序載荷譜的偽損傷值為1.331×10，是虛擬載荷譜偽損傷的1.002倍，六級程序載荷譜與虛擬載荷譜的偽損傷相當。

圖5 六級程序載荷譜循環(huán)

為驗證六級載荷譜在頻數(shù)及幅值范圍方面對虛擬載荷譜的覆蓋關系，進行累計頻數(shù)曲線和穿級計算曲線對比，結果如圖6和圖7所示。

圖6 累計頻數(shù)曲線對比

圖7 穿級計算曲線對比

通過對虛擬載荷譜和六級程序載荷譜的偽損傷、累計頻數(shù)曲線、穿級計算曲線對比可知，程序載荷譜偽損傷為虛擬載荷譜偽損傷的1.002倍，損傷相當。六級程序載荷譜對虛擬載荷譜的累計頻數(shù)及幅值范圍覆蓋效果良好。

3 穩(wěn)定桿連接桿程序載荷譜試驗

3.1 穩(wěn)定桿連接桿子系統(tǒng)臺架試驗

為了驗證程序載荷譜試驗方案及穩(wěn)定桿連接桿整改方案的有效性，對整改前后的穩(wěn)定桿連接桿進行對比試驗。根據(jù)穩(wěn)定桿及連接桿在底盤懸架系統(tǒng)中的安裝狀態(tài)，搭建穩(wěn)定桿連接桿子系統(tǒng)試驗臺架，確保安裝狀態(tài)一致，其臺架試驗如圖8所示。在試驗設備上，按照編制的六級程序載荷譜，設置試驗運行程序。在試驗運行過程中，對穩(wěn)定桿支架襯套進行風冷冷卻。

圖8 穩(wěn)定桿連接桿子系統(tǒng)臺架試驗

3.2 試驗結果分析

方案整改前的穩(wěn)定桿連接桿球銷，在試驗運行至程序載荷譜總循環(huán)的92%時，連接桿球銷斷裂。斷裂位置同12通道底盤懸架系統(tǒng)耐久試驗一致，且斷裂時循環(huán)百分比大體相同，證明了程序載荷譜試驗方法有效。方案整改后的穩(wěn)定桿連接桿球銷，在試驗運行至程序載荷譜總循環(huán)的2.40倍時，穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂，斷裂位置同整改前方案斷裂位置一致，整改后穩(wěn)定桿連接桿球銷壽命比整改前提高了2.61倍，證明連接桿球銷整改方案有效。穩(wěn)定桿連接桿球銷壽命試驗結果對比見表3，其斷裂位置如圖9所示。

表3 穩(wěn)定桿連接桿球銷壽命試驗結果對比

圖9 穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂位置

4 結論

(1)根據(jù)偽損傷等效原則，編制程序載荷譜，并進行了方案整改前后的對比試驗，穩(wěn)定桿連接桿球銷斷裂位置同12通道底盤懸架系統(tǒng)耐久試驗一致，且斷裂時循環(huán)百分比大體相同，表明程序載荷譜加速試驗方案有效。

(2)通過穩(wěn)定桿連接桿整改方案前后的程序載荷譜對比試驗，發(fā)現(xiàn)整改后的疲勞壽命明顯大于整改前，加速臺架驗證方案下，整改后的穩(wěn)定桿連接桿疲勞壽命提高了2.61倍，證明整改方案有效。

(3)通過穩(wěn)定桿連接桿疲勞試驗方法的研究，為后續(xù)臺架加速試驗提供了理論及實踐依據(jù)，具有重要的參考意義。