基于雨流法的汽车底盘件疲劳耐久试验方法研究

汽车技术基于雨流法的汽车底盘件疲劳耐久试验方法研究*【摘要】基于雨流计数统计法，研究了将道路采集时序数据转化为当量伪损伤程度的循环载荷的方法，以及基于副车架各向载荷的模拟试验方法。根据累计疲劳损伤、材料应力-应变迟滞回线等原理，建立了车辆道路载荷谱与室内模拟试验加载谱的相关性转化映射关系。以某车型副车架为例进行了耐久性能试验。结果表明，所提出的转化方法能够在保持载荷累计疲劳损伤的同时，将长时间作用的实际道路谱载荷转化为较短作用时间并易于实现的循环载荷，从而快速、有效地进行室内道路耐久模拟试验。主题词：底盘零部件疲劳耐久试验雨流计数载荷谱中图分类号：U467.4+97文献标识码：A文章编号：１０００－３７０３（２０13）12－００46－０4ResearchonFatigueDurabilityTestMethodforAutomobileChassisComponentsBasedonRain-flowCountingMethodWuWenchao1,FangYibo1,NingQian1,TangYunfeng2（1.PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd;2.ShanghaiGeneralMotorsCo.,Ltd）【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Basedonrainflowcountingmethod,thecyclicloadmethodwhichtransferstimeseriesdataintoequivalentpsudo-damagedegree,andthesimulativetestmethodbasedonsubframeloadwerestudied.Basedonaccumulativefatiguedamage,materialstress-hysteresisstrainlooptheory,thecorrelationconversionmappingbetweenvehicleroadloadspectrumandvehicleinteriorsimulationtestloadingspectrumwasestablished.Durabilityperformancetestwascarriedoutwithavehiclesubframeasresearchobject.Testresultsshowthattheproposedconversionmethodcanmaintainloadaccumulativefatiguedamage,meanwhileitcanconverttherealroadspectrumloadintocyclicload,forrapidandeffectiveindoorroaddurabilitysimulationtest.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Chassiscomponents,Durabilityfatiguetest,Rain-flowcounter,Loadspectrum武文超1方毅博1宁倩1唐云峰2（1.泛亚汽车技术中心有限公司；2.上海通用汽车有限公司）1前言在汽车研发过程中，为提高汽车产品性能及可靠性水平，不仅需要掌握汽车系统及其零部件的疲劳失效情况，取得其实际经验数据，还要进行大量的疲劳耐久模拟试验。道路载荷谱是进行车辆零部件疲劳耐久试验研究的重要依据之一，而掌握载荷谱的内部信息是进行疲劳试验、疲劳寿命估计和疲劳设计的先决条件[1，2]。针对传统的道路耐久试验周期长、响应速度慢且成本高的问题，基于雨流统计计数法，结合材料循环应力应变迟滞曲线和疲劳损伤累积理论，提出了实际道路载荷谱生成当量伪损伤程度的循环载荷的转换方法，并应用于零件台架耐久模拟试验，为实际车辆零部件疲劳耐久模拟试验提供理论依据。2雨流计数法在行驶过程中，在道路和发动机振动等激励作用下汽车处于随机振动状态，其零部件承受着随机变化的应力，由传感器采集的道路载荷谱属于随机载荷-时间历程。为进行零件疲劳寿命预测及确定疲劳耐久试验载荷，需要对随机载荷-时间历程进行数据的预处理和分析，获取其内部有效信息，即采用统计计数法得到相应载荷幅值和循环次数。对于同一载荷-时间历程采用不同的计数法进行计数时，所得结果可能相差很大，按照这些数据进行寿命预测和模拟试验也会得到不同的结果。实际经验表明，影响零件疲劳损伤程度的不仅是载荷幅值和循环次数，载荷波动的顺序也会影响零件的疲劳寿命。为更好地保留载荷波动顺序，并从道路载荷谱中提取出应力均值和交变幅值二维序列，采用了双参数计数法———雨流计数法[3，4]。2.1雨流计数法原理雨流计数法是通过将载荷-时间历程信号转过90°，形成如图1所示的形似屋顶雨流的曲线[5]。·试验测试·汽车技术—46—46——２０13年第12期图1载荷-时间历程的雨流计数法原理雨流计数法算法步骤如下。a.假想雨流依次从载荷-时间历程波峰或波谷位置的内侧沿斜坡向下流淌。b.起始于波谷的雨流遇到比它更低的谷值便停止；起始于波峰的雨流遇到比它更高的峰值便停止。c.当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时就停止流动，并构成了一个循环圈。d.根据雨滴流动的起点和终点绘出各循环，将所有循环逐一记录下来，并记录其峰谷值。e.每一雨流的水平长度可作为该循环的幅值。假定疲劳损伤不受应力-应变迟滞回线顺序的影响，可将构成小的闭合应力-应变迟滞回线的雨流线循环a-b-a′、d-e-d′、g-h-g′从整个载荷-时间历程中提取出来，经过第1阶段计数后，载荷-时间全历程转化为一系列的雨流全循环和半循环的组合。2.2计数过程采用雨流计数法将采集到的路谱载荷离散化，并提取出所有全循环后，再将载荷全历程中余下的半循环载荷视为一个新的完整的载荷-时间历程进行第2阶段计数，并提取出所有全循环。计数循环的总数等于2个阶段的计数循环之和。每个全循环的交变幅值和应力均值都会被计数，最终得到带有均值和幅值双参数的路谱载荷雨流图，见图2。图2道路载荷雨流图3循环载荷的转化在整车道路耐久试验中，需要考察整车在不同路况下的耐久性能，而传感器采集到的路谱载荷是随机时域信号，为实现在短周期内模拟底盘零件的疲劳过程，获得循环载荷和次数，需要对采集到的各通道加速度信号和应变信号进行转化，分离出有效信息。3.1材料的应变-寿命曲线零件在外部载荷的重复作用下会产生疲劳损伤，直至达到材料疲劳极限而产生裂纹。外部载荷通过应力幅值、平均应力和循环次数来表示。这3个因素在疲劳损伤量恒定的前提下相互影响，循环次数随应力幅值的增加而减少；当平均应力相同时，应力幅值增加而循环次数减少；在载荷循环次数不变的情况下，平均应力增加而应力幅值减小。不同材料所反映出的疲劳极限可通过对应的应变-寿命曲线来表示，其方程[6]为：着a=驻着2=驻着e2+驻着p2=滓′fE（2N）b+着′f（2N）c（1）式中，着a=驻着2为全部应变幅值；驻着e2为弹性应变幅值；驻着p2为塑性应变幅值；滓′f为疲劳强度系数；b为弹性应变曲线斜率；E为材料弹性模量系数；着′f为疲劳韧性系数；c为塑性应变曲线斜率；2N为达到破环的应变反复次数。考虑到平均应力滓o和应力均值滓a对材料疲劳状态的影响，可将材料应变-寿命曲线方程表示为：着a=11+滓o滓a（滓′f）2E（2N）b+着′f（2N）c（2）3.2损伤累积理论在循环载荷交变作用下，零件疲劳损伤随时间逐渐累积，直至产生失效。Miner线形损伤累积理论认为每一段循环载荷都会产生对应的疲劳损失量，并对最终的疲劳极限有一定影响，也就是说零件在经过了一段不同循环载荷加载后即产生疲劳损伤，其表达式为：D=li=1移niNi（3）式中，D为Miner系数，D=1时预计出现失效；ni为载Saa′cbegg′d′dhTO-5050510152.0×1071.5×1071.0×1075.0×106051015-5052.0×1071.5×1071.0×1075.0×1060应力均值/kN（y）交变幅值/kN（x）循环次数（z）应力均值/kN（y）交变幅值/kN（x）循环次数（z）·试验测试·—47—２０13年第12期47——汽车技术荷i作用于零件的循环次数；Ni为零件在载荷i作用下失效时的循环次数。基于材料应变寿命曲线与Miner理论，可得出雨流法计数的各循环载荷所产生的疲劳损伤分布图，如图3所示。图3道路载荷谱疲劳损伤分布图3.3转化过程由于汽车底盘件存在型面不连续和局部刚度的差异，所以当零件受到外力时局部位置会产生应力集中现象，而应力集中区域即是疲劳裂纹产生的位置。虽然在已知材料应力-应变曲线和零件所受应力的条件下可推算出零件应变，但却不能体现出预计出现疲劳失效的应力集中位置的实际应变，故引入构件当量应力集中系数Kt，它可反映出材料对局部应力集中和型面缺口影响的敏感度。不同的零件几何形状、材料类型、材料厚度、缺口尺寸及外力加载方式等都会影响Kt的取值。随机路谱信号计数完成后，可获得路谱载荷雨流图，即一系列的循环载荷及其应力均值和交变幅值，在已知零件所用金属材料实际应力—应变曲线（图4）的条件下，推算零件受力位置应变值，并使用当量应力集中系数Kt修正名义应变值为实际局部应变值。图4材料实际应力—应变曲线最后基于材料对应的应变-寿命曲线和Miner定理，累计所有循环载荷产生的损伤。在保证加速损伤总量与实际损伤恒定的前提下，通过计算机迭代，将道路采集时序信号转化为能够在相对较短时间内复现耐久疲劳并易于台架搭建的循环载荷值和对应的循环次数序列。通过以上转化过程可知，影响车辆零部件疲劳寿命或损伤的主要因素为应力或应变范围、组件的几何形状、材料性质和循环载荷加载顺序等，所以在进行路谱载荷转化前需要已知实际道路载荷时域载荷谱、零件几何参数（型面缺口参数，应力集中区域参数、集中系数）、零件在工作状态下的受力情况、零件材料参数（材料应变寿命曲线、材料应力—应变Neuber曲线）等。其中，零件几何参数和材料参数需要根据零件设计状态进行主观选择，为此已针对多种典型零件进行了研究验证，通过不断优化参数，已初步建立了典型试验参数数据库来支持转化参数的选择。4实例分析和数据比较4.1试验设备和道路载荷谱的采集选取某平台车型的前副车架为研究对象，在室内搭建的台架上验证其疲劳性能和耐久寿命，并与整车道路试验结果进行对比分析。图5为前副车架耐久模拟试验流程。图5前副车架耐久模拟试验流程采集的三向载荷力分别为控制臂球头处的纵向力FX和侧向力FY以及稳定杆卡箍处的垂向力FZ。图6为垂向力FZ的部分道路载荷谱时间历程原始信号。图6垂向力FZ道路载荷谱在道路载荷谱采集过程中，因传感器实际安装于车轮轮心和稳定杆拉杆处，故获取的原始信号并不能直接等效为副车架道路耐久受力状态，为此采取参数调整的方法来确保信号等效精度。基于该车型前悬子系统结构及动力学模型推算出调整参数初值，并通过多次台架试验来修正参数，将轮心和拉杆-5050510150.0250.0200.0150.0100.005051015-505应力均值/kN（y）交变幅值/kN（x）0.0250.0200.0150.0100.0050交变幅值/kN（x）损伤量（z）应力均值/kN（y）损伤量（z）0应变应力材料实际应力—应变曲线Neuber双曲线用直线近似产品设计道路载荷谱循环载荷模拟试验反馈优化路谱转化参数匹配相关性研究0246810121416时间/×104s1050-5-10Fx/kN·试验测试·汽车技术—48—48——２０13年第12期处的原始信号乘以最优调整参数并将其转化为副车架受力时序信号。调整后的时序道路载荷谱信号还需要进行数据平稳性检验、各态历经性检验、正态分布检验和测量精度检验等，以剔除奇异项和消除趋势项。在保证损伤恒定的前提下，使用雨流法转化经预处理后的信号，即将实车采集载荷信号转化为易于在台架中使用的循环载荷和对应的循环次数。4.2对比分析采用美国MTS试验系统作为动力装置，在已搭建好的前副车架试验台架上，采用左右对称同相位的加载方式，分别于3个方向（控制臂球头处的纵向