张岩,王娅,卢生林

(奇瑞汽车股份有限公司,试验和整车工程中心,安徽省汽车NVH与可靠性重点实验室，安徽芜湖 241009)

0 引言

近年来，随着全球特别是中国汽车产业的快速发展，市场竞争愈发激烈，新车型投放愈加密集，产品研发周期越来越短，如何在项目前期或者整车验证阶段中发生失效问题时，利用快速试验验证方法来验证改进方案和提高在整车路试试验中改进零件通过验证的概率，是汽车开发工程师和性能工程师将要面对的巨大挑战。

在新车型研发的过程中，验证车辆耐久性能主要有3种方法：CAE耐久仿真分析、零部件台架耐久试验和整车试验场耐久试验。由于CAE耐久仿真分析和零部件试验具有一定的局限性，不能完全预测试验场路试的所有耐久失效问题。如果考核单一的零部件，试验场道路试验周期长、成本高且重复性较差[1]。所以建立一种与试验场路试关联性较好，又可以快速复现失效模式和验证改进方案的加速耐久台架试验，显得尤为重要。

台架耐久性试验的载荷输入一般分为三类，即随机路谱载荷、等幅载荷和程序块载荷。其中最接近实际工况的是随机路谱载荷加载，但是周期较长、设备要求高，无法适应项目开发进度要求;等幅载荷加载虽然精度没有随机路谱载荷高，但是周期最短，能够快速进行方案验证;程序块载荷介于随机载荷和等幅载荷加载之间[2]。

等幅载荷耐久试验是最简单、最常见也是应用最多的一种零部件试验，常用于产品的达标或合格检验、产品的定型检验等。但等幅载荷耐久试验给出的寿命不能准确描述零部件的工作寿命，即当量里程数[3]，因为一般在开发等幅载荷耐久试验标准时，没有参考用户使用场景或者试验场载荷。文中研究了一种与试验场载荷等效的等幅载荷加载试验方法，并与试验场整车试验取得了较好的相关性。

1 前副车架焊缝失效

在试验场耐久路试中，当试验进行到一个寿命循环的98%时，发现前副车架右控制臂安装点处的焊缝端部发生开裂。开裂位置如图1所示。

图1 前副车架焊缝开裂位置

2 试验场路谱载荷采集

2.1 控制臂上应变片布置方式

焊缝开裂位置附近只有一个受力硬点：控制臂在副车架上的安装点，因此了解控制臂安装点处的试验场载荷尤为重要。为了获得前副车架控制臂安装点处的路谱载荷，首先要获取控制臂上的载荷，通常使用应变片来反映应变与载荷之间的关系。控制臂所受载荷以轴向拉压载荷为主，所以应变片贴于控制臂受力方向的对称面并组成全桥，此种应变片的布置方式可以补偿弯曲载荷，且对拉压载荷敏感，是测量轴向拉压载荷的常用布置方式。应变位置布置方式如图2所示。

图2 控制臂上应变片布置

2.2 左、右控制臂的标定

标定就是获得力和应变之间的关系，是对载荷测量精度影响最为关键的步骤之一，一般只需做线性标定，标定还可以初步检验应变传感器的安装质量。完成控制臂应变片布置后，通过台架上的标准力传感器施加一定范围内的载荷，从而将应变测量转换为载荷的测量。标定过程如图3所示。标定时拉伸为正，压缩为负，左右控制臂的标定结果分别如图4和图5所示。

图3 左右控制臂标定过程

图4 左侧控制臂标定结果

图5 右侧控制臂标定结果

2.3 试验场路谱载荷采集

控制臂的路谱载荷采集，选择与整车耐久路试相同的试验场进行，依据试验场耐久试验规范中包含的特征路面以及规范中通过每个特征路面的速度，对这些特征路面进行路谱载荷采集。试验场特征路一般是实际存在的各种各样的道路经过集中、浓缩、不失真地强化并典型化的道路，主要特征路边包括：比利时路、井盖路、搓衣板路、制动路、共振路、凹坑路，冲击坑路、鹅卵石路，扭曲路，铁路轨道路和砂石路等。在路谱的采集过程中，由于司机操作、路面突变等随机因素的影响，需要对每个特征路面采集三组数据，且三组数据均无明显异常。采集完成后，需要对数据进行前处理，包括：去除毛刺，去除漂移，滤波和修正异常信号等。经过前处理后，每个特征路面下，左右控制臂轴载荷如图6所示。

图6 特征路面下控制臂载荷

3 相关疲劳理论介绍

3.1 S-N曲线介绍

在零件上所施加的载荷，由应力范围Sr或者应力幅Sa确定。应力范围被定义为一个循环中最大应力Smax和最小应力Smin之间的代数差：

Sr=Smax-Smin

(1)

应力幅等于应力范围的1/2：

(2)

通常采用对称的循环交变加载方式进行S-N的疲劳试验。对称循环表示以零平均应力进行交变加载，平均应力Sm被定义为：

(3)

典型的S-N曲线公式为：

(4)

在采用基于应力的方法开展疲劳分析和设计时，这个由双对数S-N曲线图得出表达式是应用最广的方程，被称作巴斯坎(Basquin)方程[4]。

3.2 雨流计数法

将随机载荷处理为一系列不同幅值的全循环需要使用循环计数法，最常用的方法是雨流计数法。雨流计数法通常被认为是预测疲劳寿命的较好方法[5]。这种方法可以识别在复杂载荷序列中与等幅疲劳数据相似的事件。

3.3 线性疲劳损伤累计理论

有限寿命设计法允许构件的应力集中处存在大于疲劳极限的应力，然而当构件承受大于疲劳极限的应力时，会使材料产生一定的损伤，这种损伤能够线性累积，这就是疲劳累积损伤理论[6]。

汽车行驶在实际路面上时，路面特征对于底盘悬架和车身结构产生激励，会使底盘和车身结构产生交变循环应力，在这个过程中，疲劳损伤逐渐累积，当总损伤超过临界值时，疲劳破坏则会发生。疲劳过程也可以理解为损伤达到一个临界值的累积过程，也是消耗材料固有寿命的过程。当零件的应力水平高于对应材料的疲劳极限时，一个循环下造成的损伤是1/N,则n次恒幅载荷下所造成的损伤为n/N。变幅载荷下的计算疲劳损伤累计的公式为：

(5)

式中：i为变幅载荷的应力水平级数，ni为第i级载荷的循环次数，Ni为第i级载荷下的疲劳寿命。

当总损伤值累积到临界值D=1时，疲劳破坏产生[7]。

4 加速耐久台架试验规范建立

4.1 路谱载荷的雨流计数统计

可以认为控制臂上的载荷是非周期性的随机载荷谱，这种真实的载荷由于其不确定性，不能直接加以利用，经过雨流计数后，就可以得到一系列幅值和循环次数确定的载荷。分别对左右控制臂上的载荷进行雨流计数统计，雨流直方图如图7所示。两个横坐标分别为平均应力和应力幅值，纵坐标为循环次数。

图7 路谱载荷雨流计数直方图

4.2 计算伪损伤和等幅载荷的幅值

在计算零件的损伤或寿命时，采用的是零件真实的应力应变，根据零件材料真实的S-N曲线，计算出真实的损伤值。而在实际的工程实践中，从能量的角度出发，对各种信号，无论是力，力矩还是位移、加速度、应力、应变都可认为是“广义应力”，通过预先设定的虚拟的S-N曲线，即可求得伪损伤[8]。

定义一条虚拟的S-N曲线：

(6)

由损伤等效原理，路谱载荷下的总损伤DRLD与等幅载荷下的总损伤Dconstant相等，即：

DRLD=Dconstant=529.06

(7)

定义Nconstant=170 000次为等幅载荷的循环次数。

由式(4)和(5)可得公式：

(8)

Nconstant=170 000代入公式(8)中，可得：

其中Sconstant为需要求得的等幅载荷的幅值[9]。

4.3 加速耐久台架试验规范

车辆在静止时，测得控制臂上的静态力为500 N，此力值作为试验加载的预载。最终等幅载荷试验加载波形图，如图8所示。

图8 等幅载荷试验加载波形

等幅幅值Sconstant=7 300 N，加载目标循环次数Nconstant=170 000次，均值Sm=500 N，加载频率为5 Hz。副车架加速耐久台架试验加载示意图如图9所示。

图9 副车架加载示意

5 加速耐久台架试验验证

5.1 加速耐久台架搭建

约束副车架与车身的4个安装点，采用单轴作动缸加载，并用激光测距仪检测加载点处的位移，目的是为了监测副车架开裂失效的时间点，可以更准确地确定失效时的循环次数。加速耐久台架搭建如图10所示。

图10 加速耐久台架搭建

5.2 加速耐久台架试验结果

在完成183 000次加载(108%)后，发现前副车架右控制臂安装点处的焊缝发生了开裂，与试验场路试中前副车架焊缝的开裂失效模式和失效寿命基本一致。加速耐久台架试验中副车架焊缝开裂如图11所示。

图11 加速耐久台架试验中副车架焊缝

关于台架试验与路试试验的失效模式、失效位置、失效寿命和验证时间的对比结果见表1。

表1 台架试验结果与路试试验结果对比

从台架试验结果与路试试验结果的对比可以发现，试验场副车架焊缝的失效模式、失效寿命与台架试验结果基本一致，台架试验的失效验证时间仅为试验场试验的1.4%。

5.3 改进方案的验证

底盘设计人员对焊缝端部进行了延长和优化，此改进方案经过340 000次加载(两倍寿命)的台架试验验证后，并无开裂发生。后期改进后的副车架搭载在整车试验场整车路试中，也通过了试验场路试验证，未发现开裂。加速耐久台架试验验证流程图如图12所示。

图12 耐久失效问题台架验证及改进流程

6 结论

(1)基于损伤等效、疲劳累计损伤，雨流计数法，S-N疲劳分析和伪损伤等理论和分析方法，将试验场路谱载荷等效为等幅载荷，经过试验验证后，发现施加等幅载荷的加速耐久台架试验的失效模式、失效寿命与试验场试验基本一致，相关性较好。

(2)台架试验的失效验证时间仅为试验场试验的1.4%，加速耐久台架试验，可以大幅减少改进方案的验证时间，增加了改进后零件通过试验场整车试验的通过率。

(3)文中以副车架为研究对象，进行了副车架加速耐久试验的开发与应用，其他底盘零部件，例如控制臂、转向节、转向拉杆等部件，都可以应用文中方法开发相应的加速耐久台架试验。

(4)基于损伤等效的加速耐久台架试验方法，不仅可以在耐久路试出现问题后，应用于改进方案的快速验证；也可以在项目开发前期，仅有底盘系统的物理样件阶段，利用骡车、平台载荷谱或者VPG技术，获得各个底盘零部件的路谱载荷，尤其是利用多体动力学模型以及VPG技术的使用，可以大大减少物理样车在试验场采集路谱的时间[10]。

(5)利用文中的研究思路，可进行推广，建立早期的零部件级或者系统级别的设计验证方案，这样不但可以在早期规避结构耐久风险，也可以降低研发成本，缩短产品开发周期。