郭利敏++袁月

摘 要：汽車后橋作為汽車底盤的關(guān)鍵零部件，承受來自路面和車輛本身的各種沖擊和作用力，其剛度和強(qiáng)度對(duì)于主減速器和差速器齒輪的正常嚙合及半軸的正常工作和后橋各部位軸承的受力及壽命有著重要意義。本文結(jié)合輕型車后橋二維載荷譜的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其疲勞壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究和分析。

關(guān)鍵詞：輕型車后橋；二維載荷譜；疲勞壽命

隨著全球日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)和用戶對(duì)產(chǎn)品的安全性、耐久性及可靠性日趨關(guān)注和重視，對(duì)承載型車輛的質(zhì)量、壽命和可靠性提出了更高的要求。驅(qū)動(dòng)橋作為承載汽車傳動(dòng)系的最后一個(gè)大總成，其主要功能是增大扭矩并將其分配給左右車輪，并通過差速器實(shí)現(xiàn)左右車輪在轉(zhuǎn)彎或不平路面行駛時(shí)所要求的差速功能；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋還承受來自路面和車輛本身的各種沖擊和作用力，其工作環(huán)境極為惡劣。驅(qū)動(dòng)后橋作為主減速器和差速器等的外殼起著支撐車輛荷重和將車輪上的牽引力、制動(dòng)力、垂向力等傳遞給車架的作用。因此后橋的剛度和強(qiáng)度對(duì)于主減速器和差速器齒輪的正常嚙合及半軸的正常工作有著重要意義。

一、二維載荷譜的均值

實(shí)際上零件和構(gòu)件所承受的循環(huán)載荷是一個(gè)連續(xù)的隨機(jī)過程，利用雨流法計(jì)數(shù)結(jié)果，選取幅值和均值作為兩個(gè)隨機(jī)變量，采用二維隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)分析理論對(duì)雙參數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立二維概率密度函數(shù)，從而完成了由實(shí)測(cè)子樣到推斷母體的分布。已知母體分布后，便可求得均值和幅值變化范圍及其取值概率，進(jìn)而得到二維載荷譜。建立二維載荷譜需要得到均值與幅值的全部信息，只有采用雙參數(shù)計(jì)數(shù)法。由于雨流法在計(jì)數(shù)原理上與實(shí)際工作載荷對(duì)金屬零件的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變較相似，有堅(jiān)實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)，在計(jì)數(shù)方法上便于用計(jì)算機(jī)完成，因而得到廣泛的應(yīng)用，近年來被認(rèn)為是最有效的計(jì)數(shù)方法。根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法的結(jié)果可以把載荷時(shí)間歷程處理成為包含幅值和均值全部信息的雨流矩陣。均、幅值矩陣是雨流計(jì)數(shù)法給出的雨流矩陣之一，將該矩陣轉(zhuǎn)換后，得出均值、幅值的邊緣累積頻次分布曲線。

二、道路載荷譜采集分析

載荷譜測(cè)試參數(shù)是臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的載荷控制量，載荷譜測(cè)試參數(shù)可以是試驗(yàn)件關(guān)鍵部位的應(yīng)變，也可以是試驗(yàn)件的輸入工作載荷。通常試驗(yàn)件的應(yīng)變較容易測(cè)試，試驗(yàn)件的輸入載荷控制比關(guān)鍵部位應(yīng)變控制更能全面重現(xiàn)試驗(yàn)件各部位的工作應(yīng)力和應(yīng)變。理想情況下，試驗(yàn)載荷和周期應(yīng)該只依賴于產(chǎn)品的開發(fā)目標(biāo)（公路、越野路或市區(qū)道路行駛等使用條件和壽命里程）。車輪載荷作為汽車車橋及懸架載荷輸入，不僅可重現(xiàn)懸架各組件的工作應(yīng)變循環(huán)，同時(shí)基本上獨(dú)立于任何零件的特定設(shè)計(jì)。試驗(yàn)用車輪載荷的測(cè)試采用了MTS公司生產(chǎn)的車輪6分力傳感器，其可準(zhǔn)確測(cè)試路面對(duì)車輪在3個(gè)坐標(biāo)方向的作用力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz。近年來，大多數(shù)企業(yè)采用關(guān)聯(lián)用戶用途的試車技術(shù)建立了汽車疲勞耐久性道路行駛規(guī)范。該類規(guī)范通過汽車試驗(yàn)場(chǎng)各種典型路面與不同車速行駛和制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等工況下的組合，與關(guān)聯(lián)用戶用途的汽車載荷、行駛道路和路況、車速、操作方法等使用條件相關(guān)聯(lián)，使道路試驗(yàn)與用戶使用損傷情況一致性較好。因此，采用關(guān)聯(lián)用戶用途的汽車耐久性道路行駛規(guī)范，在汽車試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)汽車載荷譜進(jìn)行了測(cè)試。該測(cè)試方法不僅可節(jié)省測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用，同時(shí)也利于臺(tái)架試驗(yàn)載荷的強(qiáng)化。

三、結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

（一）常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法

常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法也稱為名義應(yīng)力法，它以名義應(yīng)力為設(shè)計(jì)參量來估算結(jié)構(gòu)的疲勞全壽命。該方法是最早使用的抗疲勞設(shè)計(jì)方法，以積累了大量的材料數(shù)據(jù)和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是目前工程上常用的較可靠的抗疲勞設(shè)計(jì)方法。名義應(yīng)力法從材料的 S-N 曲線出發(fā)，考慮各種影響構(gòu)件疲勞壽命的因素對(duì)材料 S-N 曲線進(jìn)行修正，進(jìn)一步得到構(gòu)件的 S-N 曲線。S-N曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中為分段直線。其中無限壽命設(shè)計(jì)法使用的是 S-N 曲線的水平部分，即疲勞極限；而有限壽命設(shè)計(jì)法使用的是 S-N 曲線的斜線部分。對(duì)于變幅應(yīng)力下的疲勞壽命估算，則需對(duì)應(yīng)力-時(shí)間歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，再結(jié)合 Miner 法則等損傷累積理論進(jìn)行壽命估計(jì)。

（二）局部應(yīng)力應(yīng)變法

局部應(yīng)力應(yīng)變法一般用于應(yīng)力水平較高的低周疲勞問題，它的設(shè)計(jì)思路是，構(gòu)件的疲勞破壞都是從應(yīng)變集中部位的最大應(yīng)變處起始，并且零構(gòu)件的整體疲勞性能取決于最危險(xiǎn)區(qū)域的局部應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。用彈塑性有限元法或修正 Neuber 法等獲得缺口處的局部應(yīng)變-時(shí)間歷程，經(jīng)雨流計(jì)數(shù)法等計(jì)數(shù)處理，結(jié)合應(yīng)變-壽命曲線和疲勞損傷累積理論即可估算裂紋萌生壽命。用局部應(yīng)力應(yīng)變法估算出裂紋萌生壽命以后，再用斷裂力學(xué)方法估算出裂紋擴(kuò)展壽命，兩階段壽命之和就是構(gòu)件的總壽命。

（三）損傷容限設(shè)計(jì)

損傷容限設(shè)計(jì)就是以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以無損檢驗(yàn)技術(shù)和斷裂韌度的測(cè)定技術(shù)為手段，以有初始缺陷或裂紋構(gòu)件的剩余壽命估算為中心，以斷裂控制為保證，確保構(gòu)件在使用期內(nèi)能夠安全使用的一種抗疲勞設(shè)計(jì)方法。損傷容限設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，是正確估算裂紋擴(kuò)展壽命。裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)后橋在臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行中，其失效一般表現(xiàn)為低應(yīng)力高周疲勞，因此本文選用名義應(yīng)力法進(jìn)行后橋總壽命的預(yù)測(cè)。對(duì)于名義應(yīng)力法，后橋強(qiáng)度有限元分析獲得的彈性應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)即可滿足需求。

四、結(jié)束語

由于車輛實(shí)際工作中后橋承受的應(yīng)力水平低于后橋材料的疲勞極限，后橋的疲勞屬于高周疲勞問題，利用nSoft 軟件的應(yīng)力疲勞分析模塊，導(dǎo)入各測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)值最大主應(yīng)力-時(shí)間歷程，并結(jié)合構(gòu)件 S-N 曲線和 Miner 累積損傷理論即可估算后橋的疲勞壽命。選用 BS7608 標(biāo)準(zhǔn)中 F 級(jí)標(biāo)準(zhǔn) S-N 曲線，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)加載情況施加載荷-時(shí)間歷程。在后橋疲勞壽命計(jì)算的過程中，考慮了平均應(yīng)力的影響，應(yīng)用 Goodman 公式進(jìn)行了修正，最后計(jì)算得到的焊縫疲勞壽命分布。從而得出，后橋壽命的薄弱位置，以及脈動(dòng)循環(huán)載荷的承受拉應(yīng)力和疲勞損傷程度。

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