基于道路載荷譜的某副水箱支架振動試驗

楊 軍，肖海明

（1.江鈴汽車股份有限公司 產品開發(fā)中心，江西 南昌 330038； 2.江西省乘用車結構設計工程研究中心，江西 南昌 330038）

隨著汽車產業(yè)的發(fā)展，市場競爭越來越激烈，各整車廠的產品研發(fā)周期縮短。為了在產品研發(fā)前期以及在整車路試失效整改過程中盡快發(fā)現并解決問題，因此，利用加速的臺架驗證能更好地縮短驗證周期。

傳統振動耐久試驗方法存在與路試關聯性差、時間長等不足，為了提高產品耐久性、縮短產品開發(fā)周期和降低成本，通常需要進行臺架加速耐久試驗。工程上傳統的加速耐久試驗方法是將試驗載荷譜加以濃縮或強化，以達到縮短試驗時間的目的，其中存在很多不定因素，比如濃縮導致部分載荷損傷的丟失，強化可能導致異常大的信號、失效模式的改變以及試驗時間無法與試車場關聯。傳統方法都很難做到確定損傷的量化對比。誤差大和不確定性是傳統加速耐久試驗方法的明顯不足。利用沖擊響應譜及疲勞損傷譜的概念將道路載荷譜（Road Load Spectrum, RLS）工況進行合成，并得到驅動功率譜密度（Power Spectral Density, PSD）功率譜進行振動耐久的方法，能實現臺架加速耐久試驗與試車場道路耐久試驗的準確關聯。本文分析了某汽車副水箱支架的臺架振動耐久加速試驗方法，且與整車路試結果關聯性好。

1 路試失效問題

某輕卡副水箱支架在整車結構耐久路試，強化壞路驗證過程進行到61%時，檢查發(fā)現副水箱支架在支架安裝螺栓處鈑金斷裂，如圖1所示。本文針對該失效問題進行加速振動試驗方法研究。

圖1 路試失效圖片

2 道路載荷譜采集

2.1 加速度傳感器安裝

副水箱支架振動來源于支架安裝的車架縱梁，因此，在副水箱支架與車架的安裝螺栓處（路試失效位置附件）安裝三軸加速度傳感器，如圖2所示。采集支架的振動輸入源，同時在支架本體上安裝加速度傳感器，采集支架在路試過程中的振動響應。

圖2 加速度傳感器安裝位置

2.2 整車路試工況采集

按整車路試耐久規(guī)范進行載荷譜采集，為消除駕駛員的駕駛差異和路面等其他隨機因素的影響，每個工況至少采集3個樣本。

3 數據分析

3.1 加速振動試驗數據分析流程

對于整車試驗場采集到的道路載荷譜數據，首先需要去除毛刺、零漂和其他異常信號，并根據整車路試工況將載荷譜按工況進行截取，得到各工況的時域數據，如圖3所示。根據單自由度（Single Degree Of Freedom, SDOF）振動模型[1]，分別計算各工況的的沖擊響應譜（Shock Response Spectrum, SRS）和疲勞損傷譜（Fatigue Damage Spectrum, FDS）。依據整車路試規(guī)范，將各況FDS 累加得到總的路試目標FDS，然后進行合成加速臺架試驗用的FDS并對該驅動譜進行校驗，得到合適的加速后的臺架試驗FDS，以確保臺架與路試之間的關聯性，數據分析流程如圖4所示。

圖3 載荷譜時域信號

圖4 數據分析流程圖

3.2 SRS與FDS計算過程

1.損傷計算及累計損傷

臺架試驗加速的前提是損傷等效，即路試各工況的總損傷與經過壓縮后的臺架試驗損傷一致。本文使用雨流計數統計方法，并引入偽損傷概念，對路試的加速度進行疲勞損傷計算，并根據Miner原則將各工況損傷進行累加，從而得到總損傷。

Miner線性累積損傷理論認為，構件在載荷S作用下，循環(huán)至破壞的壽命為N，則可定義在其經受n次循環(huán)的損傷為

經過時域數據雨流統計分析，計算出每個載荷作用的循環(huán)數，將損傷線性累積得到總損傷，即

式中，m為載荷數。

2.FDS計算

工程中的耐久加速試驗均基于損傷等效原則，因此，首先對采集的道路載荷譜加速度信號進行損傷計算，得出所采集數據的FDS，然后根據路試中的各工況進行損傷累加。FDS計算公式為[2]

式中，T為加速度 PSD 的持續(xù)輸入時間；K為單自由度系統剛度；b和C為S-N曲線疲勞參數；Q為動態(tài)放大因子；fn為固有頻率；f為輸入頻率；YAPSD(fn)為輸入的加速度 PSD，Γ為Gamma函數。

截取出每個工況下，采集到的副水箱支架安裝點的道路載荷譜，分別計算各工況疲勞損傷FDS，圖5為石塊路工況下的疲勞損傷FDS曲線，三條曲線分別代表采集的X、Y和Z向疲勞損傷FDS。

圖5 疲勞損傷FDS曲線

3.SRS的計算

輸入的時域加速度信號經過SDOF系統傳遞函數過濾后，得到最大響應加速度，一個頻率接著一個頻率重復過濾操作，得到每個頻率的最大響應加速度，對這些最大響應加速度值做包絡線[3]，即為SRS。

截取每個工況下，采集到副水箱支架安裝點的道路載荷譜計算SRS，計算結果SRS曲線如圖6所示。

圖6 SRS結果曲線

3.3 合成PSD及校驗

計算得到路試各工況的FDS并按路試規(guī)范損傷累加得到總的FDS后，根據疲勞損傷等效原則合成臺架試驗的驅動PSD譜和加速振動試驗時間，可基于以下公式計算得到加速后的臺架試驗的PSD譜[4]。

式中，∑FDS為疲勞總損傷譜；K為安全系數；Teq為加速試驗時間。

副水箱支架最后合成三個方向的振動試驗PSD譜如圖7所示。實線為X向PSD曲線，虛線為Y向PSD曲線，點線為Z向PSD曲線。

圖7 合成三向PSD譜

調整試驗加速時間可以得到不同臺架試驗的PSD譜，加速振動臺架試驗必須滿足以下要求[5-6]：

1）加速后的試驗失效模式應與實際使用的失效模式一致；2）加速后的試驗譜不應出現不切實際、異常高的載荷；3）在合理加速的前提下盡可能縮短試驗時間。

為滿足以上要求，且避免過度加速，需要對合成后的PSD譜進行檢驗。檢驗過程是將各工況的SRS做最大值的包絡計算，得到最大值的SRS，同時將合成的臺架PSD譜進行極值響應譜ERS計算，得到頻域PSD信號在SDOF系統中最大響應加速度譜，將此加速度譜與最大值包絡的SRS譜進行比較。合理的加速臺架試驗PSD譜的ERS不應大于最大值包絡的沖擊響應譜SRS的1.5倍，圖8、圖9、圖10為X、Y和Z向合成臺架PSD譜的ERS與所采集道路載荷譜的SRS的對比圖。從對比圖中分別讀取到ERS和SRS的最大值，分別計算三個方向ERS與SRS最大值的比值，X向為22.29/19.18=1.16；Y向為25.82/19.3=1.34；Z向為25.43/20.12=1.26。

圖8 X向對比

圖9 Y向對比

圖10 Z向對比

三個方向的ERS與SRS最大值的比值都小于1.5，因此，合成臺架PSD是合適的。實際操作過程中通過不斷調整加速試驗時間，得到不同的ERS值進行對比計算，最后得到合適的ERS與SRS比值，在此比值時設置的試驗時間和轉換得到的PSD譜為振動試驗輸入。

該支架臺架試驗合成的PSD譜對應的加速臺架試驗時間為12 h，將加速臺架振動試驗分為4個小循環(huán)，單個循環(huán)時間如表1所示。

表1 臺架振動試驗循環(huán)表

4 試驗結果對比

某副水箱支架安裝在整車車架縱梁上，故取一段車架縱梁作為臺架約束工裝，將副水箱支架安裝在縱梁上，并將縱梁完全約束后固定在振動試驗臺臺面上。按臺架振動試驗循環(huán)表要求，分別進行X、Y、Z三個方向的振動試驗，振動臺架照片如圖11—圖13所示。

圖11 Y向試驗臺架

圖12 X向試驗臺架

圖13 Z向試驗臺架

原狀態(tài)支架在X向試驗進行6 h、Z向試驗進行6 h、Y向試驗進行4.6 h后，發(fā)現安裝螺栓處鈑 金有較大裂紋。臺架與路試試驗結果對比如表2所示。

表2 臺架與路試結果對比

從臺架試驗結果來看，臺架試驗與整車路試失效位置、失效模式一致，且試驗時間大幅度縮減。

本文研究所得到的臺架振動PSD譜是合適的，臺架與路試的關聯性好，該振動PSD譜可運用于后續(xù)優(yōu)化樣件的臺架再驗證。

支架設計部門對支架進行設計優(yōu)化后，再繼續(xù)運用該方法進行臺架振動試驗驗證，并通過臺架試驗驗證，節(jié)省大量后續(xù)整車驗證的時間。

5 結論

通過對比試驗結果可以得出，基于整車路試載荷譜進行合成加速振動試驗PSD譜的振動試驗方法與整車路試的關聯性好，臺架失效位置、失效模式和失效壽命與整車路試結果一致，且臺架驗證時間較整車路試驗證時間大幅縮短，能有效減少產品開發(fā)周期。

基于整車路試載荷譜的加速振動試驗方法不僅可以用于路試故障臺架復現，還可以用來對設計優(yōu)化產品進行再驗證，并可運用于整車其他類似支架類零件的臺架驗證。