寧欣,姚建國(guó),王治瑞,鄭松林

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.上海匯眾汽車有限公司,上海201805；3.上海理工大學(xué),上海200093）

轎車擺臂設(shè)計(jì)載荷譜的確定

寧欣1,3,姚建國(guó)1,王治瑞2,鄭松林3

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.上海匯眾汽車有限公司,上海201805；3.上海理工大學(xué),上海200093）

通過(guò)實(shí)測(cè)轎車擺臂試車場(chǎng)道路載荷譜,對(duì)擺臂目標(biāo)測(cè)點(diǎn)載荷進(jìn)行采集.在原有載荷譜統(tǒng)計(jì)分析原理的基礎(chǔ)上,依據(jù)結(jié)構(gòu)的低載強(qiáng)化特性,確定出了擺臂結(jié)構(gòu)的八級(jí)載荷譜.為進(jìn)一步計(jì)算不同效果載荷（強(qiáng)化、損傷、無(wú)效載荷）的概率、研究零件靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律、總結(jié)可靠性設(shè)計(jì)中的載荷利用方法提供一定理論基礎(chǔ).

擺臂；載荷譜；低載強(qiáng)化

傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)通常把應(yīng)力和強(qiáng)度看做一個(gè)固定不變的服從特定分布規(guī)律的隨機(jī)變量,采用的是載荷的平均值,沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)的分散性.實(shí)際上,汽車、飛機(jī)等交通運(yùn)輸類產(chǎn)品大多在隨機(jī)變化的載荷作用下工作,在載荷的作用下零件的強(qiáng)度不是固定不變的,而是隨著載荷應(yīng)力的大小和作用次數(shù)不斷變化的.對(duì)汽車載荷特性的深入了解、掌握、積累和分析是進(jìn)行整車開發(fā)、零部件可靠性試驗(yàn)研究的必備條件.

本文以轎車擺臂為載體,采集試驗(yàn)場(chǎng)典型道路載荷,運(yùn)用載荷的統(tǒng)計(jì)與分析原理,根據(jù)載荷的低載強(qiáng)化特性,對(duì)實(shí)測(cè)載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定最佳的載荷分布.

1 載荷譜的統(tǒng)計(jì)分析原理

由于轎車擺臂載荷具有隨機(jī)性、可統(tǒng)計(jì)性、可擴(kuò)展性[1],把汽車行駛過(guò)程中的載荷實(shí)況記錄下來(lái),經(jīng)專用數(shù)據(jù)處理軟硬件處理后,編制出能夠模擬汽車實(shí)際使用情況,得到具有代表性的載荷譜,是汽車零部件進(jìn)行疲勞壽命分析和全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)[2].積累載荷特性的數(shù)據(jù),并建立這些特性的分析方法,是實(shí)現(xiàn)汽車先進(jìn)開發(fā)的必備條件.載荷譜的基本獲取過(guò)程如圖1所示.

圖1 載荷譜的制取流程Fig.1 Preparation processes of load spectrum

1.1 雨流計(jì)數(shù)法

隨機(jī)載荷的統(tǒng)計(jì)分析方法主要有兩類：計(jì)數(shù)法和功率譜法.計(jì)數(shù)法是從載荷—時(shí)間歷程確定出不同載荷參量值及其出現(xiàn)次數(shù)的方法,它是將載荷—時(shí)間歷程處理為一系列全循環(huán)或半循環(huán)的過(guò)程.目前的計(jì)數(shù)法可分為單參數(shù)計(jì)數(shù)法和雙參數(shù)計(jì)數(shù)法.單參數(shù)計(jì)數(shù)法只記錄載荷譜中的一個(gè)參量,如峰值或范圍,不能給出循環(huán)的全部信息,有較大的缺陷；雙參數(shù)計(jì)數(shù)法可以記錄載荷循環(huán)的全部信息,是比較好的計(jì)數(shù)法,如雨流計(jì)數(shù)法、跑道計(jì)數(shù)法等.雨流法基于材料的應(yīng)力—應(yīng)變循環(huán)特性和記憶特性,具有一定的力學(xué)依據(jù)和較高的精確性.因此,本文中采用雨流計(jì)數(shù)法.如圖2所示.

圖2 雨流計(jì)數(shù)Fig.2 Schematic diagram of rain flow counting

雨流計(jì)數(shù)法取一垂直向下的坐標(biāo)表示時(shí)間,橫坐標(biāo)表示載荷,其計(jì)數(shù)規(guī)則如下：

（1）雨流依次從每個(gè)峰值的內(nèi)側(cè)開始,順著斜坡往下流,在下一個(gè)峰值落下,直到對(duì)面有一個(gè)比開始點(diǎn)更大的峰值時(shí)為止（谷值以絕對(duì)值計(jì)）；（2）當(dāng)雨流遇到來(lái)自上層斜面落下的雨流時(shí)就截止；（3）按上述規(guī)定取出所有的全循環(huán),并記下各自的變程.直到剩下的載荷時(shí)間歷程成為發(fā)散收斂型為止；

（4）將剩下的發(fā)散收斂型載荷時(shí)間歷程,改成等效的收斂發(fā)散型,再進(jìn)行第二階段計(jì)數(shù).總數(shù)應(yīng)等于兩個(gè)階段計(jì)數(shù)之和.

1.2 S-N曲線

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者一直注重對(duì)載荷特性進(jìn)行研究,通常用S-N曲線來(lái)描述,如圖3所示.S-N曲線表示應(yīng)力振幅或最大應(yīng)力與疲勞壽命之間關(guān)系,它主要反映了試驗(yàn)載荷下的過(guò)載壽命特征[3].當(dāng)N＜5×104次為低壽命,N＜106次為中壽命,N＜107次為高壽命.

圖3 對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的S-N曲線Fig.3 S-N curves of logarithm coordinates

在工程上,有限壽命設(shè)計(jì)常常使用結(jié)構(gòu)件的中壽命段.然而部分小載荷的強(qiáng)化特性卻很少有人知曉,特別是疲勞極限以下一定范圍的載荷能夠顯著提高零件的強(qiáng)度[4-8],被稱為低載強(qiáng)化,結(jié)構(gòu)在適當(dāng)?shù)牡头d荷下經(jīng)受適當(dāng)次數(shù)的鍛煉后,結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得到提高,在同樣載荷下,疲勞壽命延長(zhǎng),S-N曲線的水平段提高.但S-N曲線的斜率基本不變,如圖4所示為低載強(qiáng)化的力學(xué)模型.

圖4 低載強(qiáng)化的力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of low load strengthening

[4-15]中對(duì)低載強(qiáng)化規(guī)律的研究,不同強(qiáng)度的鋼材料和汽車結(jié)構(gòu)件都具有低載強(qiáng)化特性,有強(qiáng)化效果的載荷確實(shí)存在一個(gè)區(qū)間,如圖5所示,橫坐標(biāo)表示使用載荷的區(qū)間,縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)在不同使用載荷作用一定循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度的變化.

圖5 低幅載荷強(qiáng)化效果曲線Fig.5 Mechanical model of low load strengthening

很明顯,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨使用載荷增加先提高后降低,中間一段載荷區(qū)間對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有強(qiáng)化效果,不同載荷強(qiáng)化效果也不同,曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)載荷為最佳強(qiáng)化載荷,有強(qiáng)化效果的應(yīng)力約在0.65～0.95 σ-1范圍內(nèi).對(duì)汽車前橋,汽車變速器齒輪等,進(jìn)一步驗(yàn)證了低載強(qiáng)化特性的存在,如圖6所示.

圖6 低幅載荷等級(jí)對(duì)疲勞強(qiáng)度強(qiáng)化的影響Fig.6 Effect of low amplitude loading level on the fatigue strength of reinforcement

2 道路載荷的試驗(yàn)

2.1 試車道路簡(jiǎn)介

試驗(yàn)在某試車場(chǎng)強(qiáng)化耐久試驗(yàn)道路上進(jìn)行,每8圈為一個(gè)循環(huán),每圈2.6 km,共16.8 km.選擇15種路面：混凝土駝峰路、拱形不平整路、比利時(shí)路、搓板路、斜向坑洼路、鐵路道口、橫置枕木、轉(zhuǎn)向器測(cè)試彎道、薄餅路、坡道、坑洼路、駝背彎道,并將其特征按一定比例放大,使試車場(chǎng)道路相對(duì)于普通路面起到加速作用,具體見表1所示.

表1 車場(chǎng)道路組成和車速Tab.1 Station road and vehicle speed

2.2 應(yīng)變片的布置

擺臂由鋼板焊接而成,零件的厚度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于另外兩個(gè)方向的尺寸,因此可以近似的看成薄管和薄板.根據(jù)零件在模擬工況下的受力狀況,利用有限元方法考慮4種典型工況下即啟動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、垂向沖擊下的應(yīng)力分布情況,確定危險(xiǎn)點(diǎn)和危險(xiǎn)截面.除此之外,總結(jié)以往道路載荷測(cè)量試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),并通過(guò)由用戶反饋的實(shí)際使用情況對(duì)測(cè)點(diǎn)位置的選擇不斷進(jìn)行修正,如圖7所示為貼片后的擺臂.

圖7 貼片后的擺臂Fig.7 Swing arm patch

2.3 原始載荷的采集

道路試驗(yàn)采集到的是模擬信號(hào),為了便于計(jì)算機(jī)處理,首先要通過(guò)信號(hào)處理軟件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),采樣頻率500 Hz,并保存成ASCII數(shù)據(jù)格式.疲勞分析軟件能夠讀取ASCII數(shù)據(jù)格式文件,從而對(duì)其進(jìn)行編輯整理得到各測(cè)點(diǎn)的載荷—時(shí)間序列,通過(guò)分析處理,得到信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征及時(shí)域、頻域和幅值域特征.

為了能獲得可用的臺(tái)架目標(biāo)信號(hào)譜,需要將試車場(chǎng)測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并對(duì)比選擇出最好的信號(hào),制成目標(biāo)信號(hào)譜.通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件LMS TecWare來(lái)完成的.共分5個(gè)步驟：①信號(hào)修正；②信號(hào)剪切；③損傷比較；④信號(hào)連接；⑤重新采樣.

表2列出了各個(gè)測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)比較結(jié)果,包括最大值、最小值、最大變程、均方根值RMS、均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等.表2中各參數(shù)值單位均為με.

表2 擺臂各通道載荷的統(tǒng)計(jì)Tab.2 Swing arms each channel load

3 載荷譜的確定

根據(jù)相關(guān)低載強(qiáng)化規(guī)律的研究[4-15],刪除載荷譜中較高級(jí)別的小載荷,會(huì)使零件壽命降低,而適當(dāng)高的低幅小載荷（如0.65～0.95σe）連續(xù)作用的確能使零件靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度得到不同程度的提高.因此,不僅要依據(jù)載荷是否造成損傷來(lái)判斷載荷的有效性,還應(yīng)考慮載荷是否造成強(qiáng)化.同時(shí),載荷的交互效應(yīng)、載荷譜長(zhǎng)度、高低載荷的次序和比例等對(duì)載荷譜的損傷效果也有一定的影響,處理時(shí)都應(yīng)予以考慮.載荷譜分區(qū)見圖8,綜合考慮低載強(qiáng)化理論,刪除無(wú)效載荷,最終八級(jí)載荷譜見表3.

圖8 載荷譜的分區(qū)Fig.8 Load spectrum partition

表3 八級(jí)載荷譜Tab.3 Eight level load spectrum

4 結(jié)論

本文以轎車擺臂為載體,對(duì)不同工況下的實(shí)測(cè)載荷進(jìn)行了采集,對(duì)載荷譜進(jìn)行了分析,結(jié)合結(jié)構(gòu)的低載強(qiáng)化特性確定了擺臂的強(qiáng)化載荷,刪除了對(duì)疲勞損傷無(wú)貢獻(xiàn)的小載荷級(jí),確定出擺臂結(jié)構(gòu)的八級(jí)載荷譜.為進(jìn)一步計(jì)算不同效果載荷（強(qiáng)化、損傷、無(wú)效載荷）的概率、研究零件靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律、總結(jié)可靠性設(shè)計(jì)中的載荷利用方法提供一定理論基礎(chǔ).

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Research on car's swing arm design spectrum

Ning Xin1,3,Yao Jianguo1,Wang Zhirui2,Zheng Songlin3
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Shanghai Volkswagen Automotive Company L td.,Shanghai 201805,China；3.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

Collection and statistical analysis for road load spectrum of swing arm of a car under proving ground are performed.On the basis of original load spectrum statistical analysis principle,according to the characteristics of lowloading strengthening for the structure of swing arm,identify the tenth level load spectrum of swing arm structure.To calculate the probability of the effect of different load（reinforcement,injury,invalid load）,study the growth regularity of static strength and fatigue strength,conclusion load using the method of reliability design to provide a theoretical basis.

swing arm；load spectrum；strengthening under low amplitude load

U461.7

A

1008-7516（2013）06-0065-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.06.016

2013-10-20

寧欣（1976-）,女,河南長(zhǎng)垣人,博士研究生,副教授.主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與工藝控制教學(xué)與科研.