汽車底盤后懸位置零部件臺架試驗方法應(yīng)用研究

朱 平，秦玉彬，吳 頌，滕文文，王 毅

（1.廣西柳工機械股份有限公司 全球研發(fā)中心，廣西 柳州 545005；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州 545005；3.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

汽車零部件的失效問題，主要都是由振動疲勞導(dǎo)致的。因此在新車型開發(fā)過程中，臺架振動可靠性試驗是驗證零部件結(jié)構(gòu)可靠性的首選手段。

臺架可靠性試驗是基于汽車使用工況下的振動特征來開展的，目前汽車底盤零部件常用的臺架可靠性試驗方法依據(jù)日本汽車工業(yè)標準“JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法”[1]進行。應(yīng)用此試驗方法設(shè)定相應(yīng)試驗參數(shù)，在汽車底盤前部的臺架可靠性試驗驗證，完全滿足后期的可靠性試驗及用戶使用要求。然而某汽車后輪擋泥板支架，安裝位置在底盤后懸架中心至車架尾端范圍內(nèi)，按“JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法”做臺架可靠性試驗時，發(fā)現(xiàn)后擋泥板支架雖然通過臺架可靠性試驗，但在道路可靠性試驗中卻頻繁出現(xiàn)斷裂問題。這說明此試驗方法設(shè)定的試驗強度不足以驗證底盤后懸位置零部件的可靠性，要要尋求新的試驗方法及參數(shù)設(shè)定。

本文采用加速疲勞分析方法，基于零部件臺架與道路可靠性試驗累積疲勞損傷等效的原則，將道路試驗采集到車輛零部件關(guān)鍵點的時域載荷信號轉(zhuǎn)化后用于臺架試驗。經(jīng)過多輪的疲勞測試對比分析，驗證出一種強化的臺架試驗方法，以充分驗證汽車后懸位置的零部件可靠性，避免零部件的過度設(shè)計或故障產(chǎn)生。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 試驗方法理論

臺架可靠性試驗基于汽車使用工況下的振動特征來開展。汽車的振動來源主要有2個方面：第1個來源為發(fā)動機、驅(qū)動動力導(dǎo)致的振動，其表現(xiàn)形式為正弦振動；第2個來源為路面輪胎導(dǎo)致的振動，由于路面工況復(fù)雜多樣，振動表現(xiàn)形式多為隨機振動。隨機振動波形比較雜亂，波形隨時間變化，顯示不出一定的規(guī)律特征。但是通過分析，隨機振動也是由正弦振動所組成的，這些頻率不是離散，是連續(xù)分布的[2]。因此我們研究時，通過技術(shù)處理，一般也轉(zhuǎn)化為正弦振動來開展驗證。如圖1所示。

圖1 隨機振動的波形處理為正弦振動波形

“JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法”為典型的正弦振動試驗方法。振動加速度按正弦波振動加速度±a為：

其中，噪=2π2≈19.74；f為振動頻率，Hz；A為全振幅，mm。

簡諧振動中，高次諧波含有率K為：

式中，a1為基本振動波加速度，m/s2；a2，a3，a4……為第二次，第三次，第四次……振動波的振動加速度，m/s2。

1.2 現(xiàn)狀臺架可靠性試驗參數(shù)設(shè)定

依照本試驗方法，底盤零部件的振動試驗，按被安裝的汽車的種類分為第三種貨車系列，按安裝狀態(tài)分為B類車體上，且一般底盤件按階段45，階段70的試驗條件進行試驗，如圖2所示。

圖2 振動加速度階段

綜上，臺架可靠性試驗參數(shù)設(shè)置按表1。

表1 臺架試驗參數(shù)

共振點檢測參數(shù)設(shè)置按表2。

表2 共振點檢測試驗參數(shù)

1.3 目前臺架可靠性試驗參數(shù)與故障位置零件實際振動加速度的對比

為了找出臺架可靠性試驗與道路可靠性試驗加速度的差異，準備一臺車進行道路可靠性試驗加速度數(shù)據(jù)采集，采集位置如圖3所示。

圖3 加速度采集安裝

采集道路包括如下典型路況：鵝卵石路、搓板路、坑洼路等。加速度數(shù)據(jù)采集后，導(dǎo)入matlab等軟件進行處理，加速度數(shù)據(jù)采集結(jié)果見表3。

表3 道路試驗加速度采集結(jié)果

對比結(jié)論：加速度采集點A，X/Y/Z向加速度，與現(xiàn)臺架試驗方法加速度基本一致，說明用現(xiàn)有臺架試驗驗證方法與道路可靠性試驗數(shù)據(jù)是吻合的，驗證汽車底盤前部的零部件無問題。

加速度采集點B，X/Y/Z向加速度較臺架可靠性試驗的大，具體數(shù)值見表4。

表4 加速度采集點B與臺架試驗參數(shù)對比

從表4數(shù)據(jù)可以得出，汽車底盤后懸位置擋泥板支架，臺架可靠性試驗參數(shù)與道路可靠性試驗采集數(shù)據(jù)有如表5的差異。

表5 臺架試驗參數(shù)與道路可靠性試驗差異

上述試驗結(jié)果說明，現(xiàn)狀臺架可靠性試驗方法，按目前臺架試驗參數(shù)，不足以驗證底盤后懸位置零部件的可靠性。

2 優(yōu)化對比

2.1 分析思路

采用加速疲勞分析[3]方法，基于零部件臺架與道路可靠性試驗累積疲勞損傷等效的原則，通過道路試驗采集到車輛零部件關(guān)鍵點的時域載荷信號，再將該信號轉(zhuǎn)化后用于臺架試驗，重新驗證新的臺架試驗參數(shù)。

2.2 理論依據(jù)

由疲勞損傷理論[4]可知，零件在外部載荷的重復(fù)作用下會產(chǎn)生疲勞損傷，直至達到材料疲勞極限而損壞，將材料的疲勞性能用疲勞強度與疲勞壽命之間的關(guān)系來描述，記得S-N曲線，如圖4所示。

圖4 S-N曲線示意圖

在循環(huán)載荷交變作用下，零件疲勞損傷隨時間逐漸積累，直至產(chǎn)生失效，根據(jù)邁因納（Miner）線性損傷累積理論，零件在經(jīng)過不同循環(huán)載荷產(chǎn)生疲勞累積損傷，其表達式為：

式中，D為累積疲勞損傷，當D=1時零部件預(yù)計出現(xiàn)試銷；ni為第i個載荷作用與零件的循環(huán)次數(shù)；Ni為零件在第i個載荷作用下失效時的循環(huán)次數(shù)。

道路-臺架試驗載荷原理為將車輛零部件在道路行駛環(huán)境下的載荷作為目標，講該測量點在試驗臺架上的程序加載作為源，根據(jù)材料的S-N曲線計算疲勞損傷，則累積疲勞損傷矩陣為：

根據(jù)線性損傷累積理論，則用噪種程序加載方式混合得到的源的總損傷矩陣為：

式中，Ah為試驗臺架加載程序的加權(quán)系數(shù)；h為試驗臺架第h次加載(從第1次到第噪次）。

疲勞壽命相等則認為具有相等的疲勞損傷，為了等效目標疲勞損傷，則D=d。

2.3 道路和臺架試驗疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)采集

基于上述理論及方法，對某汽車擋泥板支架的臺架及道路試驗疲勞應(yīng)力進行采集，分析流程如圖5所示。

圖5 加速疲勞分析流程

將應(yīng)變片安裝在擋泥板支架的故障發(fā)生位置，將加速度傳感器安裝在車架尾端，分別按現(xiàn)試驗方法開展疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)采集及道路試驗加速度采集，如圖6所示。

圖6 道路和臺架試驗數(shù)據(jù)采集

電測時的數(shù)據(jù)信號會存在異常情況，應(yīng)用matlab軟件，對采集數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的出現(xiàn)短數(shù)據(jù)、干擾信號、信號漂移等情況進行分析及處理。如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)信號處理

2.4 加速疲勞分析及優(yōu)化

（1）對采集的疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)處理。將擋泥板支架的臺架試驗和道路試驗的應(yīng)力累積損傷進行對比，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)狀臺架試驗和道路試驗的應(yīng)力累積損傷對比

對比結(jié)論：臺架試驗損傷包絡(luò)線與道路試驗損傷包絡(luò)線相差很大，且在其內(nèi)部，說明臺架試驗的累積損傷遠小于道路試驗的累積損傷水平。

（2）臺架試驗加速度優(yōu)化。基于疲勞損傷等效原則，對原有臺架試驗參數(shù)進行優(yōu)化，如表6所示。

表6 臺架試驗參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化后臺架試驗與道路試驗應(yīng)力累積損傷對比如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后臺架試驗和道路試驗的應(yīng)力累積損傷對比

對比結(jié)論：優(yōu)化后的臺架試驗損傷包絡(luò)線與道路試驗損傷包絡(luò)線基本一致，說明臺架試驗的累積損傷與道路試驗的累積損傷處于同一水平。

3 臺架試驗參數(shù)的進一步優(yōu)化

由于臺架試驗時間27 h較長，從臺架的經(jīng)濟性考慮，再次對臺架試驗參數(shù)進行優(yōu)化。最終確定臺架試驗參數(shù)如表7所示，試驗時間18.5 h。后期再次開展臺架可靠性試驗驗證，以滿足要求。

表7 最終臺架試驗參數(shù)優(yōu)化

最終優(yōu)化后臺架試驗與道路試驗應(yīng)力累積損傷對比如圖10所示。

圖10 最終優(yōu)化后臺架試驗和道路試驗的應(yīng)力累積損傷對比

4 結(jié)語

現(xiàn)有臺架可靠性試驗方法，完全滿足裝配在汽車底盤前部位置的汽車零部件驗證。

裝配在汽車底盤后懸架中心至車架尾端范圍內(nèi)的零部件，例如：后輪擋泥板總成、尾燈總成、后置蓄電池框總成、儲氣筒總成等。振動來源主要受輪胎的激勵，影響因素較多，采用《JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法》開展臺架可靠性試驗時，臺架試驗參數(shù)建議進行適應(yīng)性的加強，便于驗證底盤后懸位置零部件的可靠性。

基于臺架與道路可靠性試驗累積疲勞損傷等效的原則優(yōu)化的臺架試驗參數(shù)，經(jīng)過多輪的疲勞測試，試驗結(jié)果表明可充分驗證汽車后懸位置零部件可靠性，可以幫助研發(fā)部門及時發(fā)現(xiàn)問題并改進設(shè)計，避免零件的過度設(shè)計或缺陷產(chǎn)生，有效縮短零部件的開發(fā)周期，提升經(jīng)濟效益。