基于前橋動力學(xué)模型的前軸壽命評估方法

摘要：針對車橋等零部件企業(yè)難以獲取零部件耐久性試驗(yàn)規(guī)范的局限，提出一種前橋動力學(xué)模型驅(qū)動載荷構(gòu)建方法，為前軸系統(tǒng)級臺架試驗(yàn)與壽命驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)?；谡噭恿W(xué)模型與實(shí)測道路載荷獲取前軸壽命，以其過程及結(jié)果為參考，進(jìn)行前橋模型驅(qū)動信號迭代。首先，對實(shí)測輪心六分力進(jìn)行頻帶調(diào)整；其次，以前軸在各工況下的損傷/壽命與參考值差值最小為目標(biāo)，結(jié)合響應(yīng)面法與遺傳算法對輪心三向力幅值調(diào)整系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的輪心三向力與其余三向力矩構(gòu)成了前橋模型驅(qū)動信號。仿真結(jié)果表明，采用構(gòu)建的輪心驅(qū)動信號進(jìn)行前橋模型動態(tài)載荷模擬，獲取的前軸壽命、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)失效順序以及各路況對危險(xiǎn)點(diǎn)的損傷貢獻(xiàn)比等都與參考結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了提出方法的有效性，可為系統(tǒng)級臺架耐久性試驗(yàn)的驅(qū)動信號構(gòu)建與零部件壽命評估提供參考。最后，經(jīng)過損傷主導(dǎo)載荷修正后，軸管損傷分布也與參考結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：前橋動力學(xué)模型；前軸壽命；響應(yīng)面法；動態(tài)載荷模擬；臺架試驗(yàn)

中圖分類號：U463. 1 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 002

0 引言

前軸是整車的關(guān)鍵承載部件，所處工況復(fù)雜，承受交變載荷沖擊，易出現(xiàn)疲勞裂紋甚至斷裂現(xiàn)象。前軸可靠性直接關(guān)聯(lián)汽車行駛安全性，對前軸進(jìn)行疲勞分析及壽命評估是十分必要的［1］119-122［2-3］。對汽車零部件進(jìn)行疲勞壽命評估時(shí)，準(zhǔn)確掌握其動態(tài)載荷是關(guān)鍵。對于前軸等零部件，難以直接通過試驗(yàn)測取接附點(diǎn)載荷，往往需借助整車多體動力學(xué)模型進(jìn)行載荷分解來獲得［4-5］。

工程上，主要采用試驗(yàn)場實(shí)車道路測試與CAE技術(shù)相結(jié)合的方法對汽車零部件可靠性進(jìn)行評估［6］。李飛［7］以海南試驗(yàn)場實(shí)測輪心六分力為基礎(chǔ)，結(jié)合整車虛擬樣機(jī)模型，使用約束加載法進(jìn)行整車動態(tài)載荷模擬，計(jì)算出各路況下的轉(zhuǎn)向節(jié)壽命。龍海強(qiáng)等［8］通過虛擬迭代的方法獲取某車身與底盤各連接點(diǎn)的動載荷時(shí)間歷程，結(jié)合白車身有限元模型慣性釋放，預(yù)測了車身設(shè)計(jì)焊點(diǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。ZHOU等［9］聯(lián)合Adams軟件與Matlab軟件構(gòu)建了三維等效容積虛擬路面，基于虛擬道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行了車身疲勞分析，獲得的車身損傷分布結(jié)果與實(shí)測道路載荷作用下的疲勞結(jié)果一致。目前，關(guān)于汽車零部件可靠性分析中載荷分解方法的研究大都基于整車動力學(xué)模型。其中，約束加載法［10］是最為簡單直接的。該方法既不需要通過大量計(jì)算迭代驅(qū)動信號，也不需要建立高度非線性的輪胎模型，但會在一定程度上犧牲結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于該方法的優(yōu)化有待深入研究。

室內(nèi)臺架耐久性試驗(yàn)是另外一種評價(jià)汽車零部件疲勞可靠性的有效手段，該方法具有速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)［11］。根據(jù)試驗(yàn)臺驅(qū)動信號加載方式，臺架試驗(yàn)可分為等幅加載試驗(yàn)、數(shù)據(jù)塊加載試驗(yàn)以及隨機(jī)加載試驗(yàn)。其中，隨機(jī)加載試驗(yàn)可以精確復(fù)現(xiàn)汽車零部件實(shí)際受載狀態(tài)，試驗(yàn)精度最高。HELMUT等［12］以某轎車前懸架系統(tǒng)為研究對象，基于懸架動力學(xué)模型與關(guān)鍵位置的實(shí)測響應(yīng)信號，運(yùn)用虛擬迭代方法反求出試驗(yàn)臺架所需要的驅(qū)動信號，對懸架系統(tǒng)進(jìn)行了臺架耐久性試驗(yàn)。金紅杰等［13］基于道路試驗(yàn)載荷譜進(jìn)行了車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并采用遠(yuǎn)程參數(shù)控制迭代技術(shù)計(jì)算獲得整車臺架試驗(yàn)的驅(qū)動信號，開展實(shí)際樣車的室內(nèi)臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證了車架優(yōu)化后的可靠性。李帥等［14］基于試驗(yàn)場強(qiáng)化道路載荷、車輛與試驗(yàn)臺架構(gòu)成的模擬系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，迭代生成了試驗(yàn)臺架驅(qū)動信號，開展了空載與半載兩種工況下的整車道路模擬強(qiáng)化試驗(yàn)?；趯?shí)測道路載荷開展的室內(nèi)臺架試驗(yàn)可以大大提高研發(fā)效率，但其加載模式與實(shí)際道路試驗(yàn)難以關(guān)聯(lián)，往往需要采用虛擬迭代獲取臺架試驗(yàn)驅(qū)動載荷；且該方法存在迭代流程復(fù)雜、高幅響應(yīng)信號很難迭代收斂等諸多局限，制約了產(chǎn)品開發(fā)周期和質(zhì)量。