王海斌+羅宏亮+白玉良+呂永賓

摘 要：為使新能源客車某主要電氣部件滿足現(xiàn)代城市公交路況的發(fā)展要求，解決其減震連接結(jié)構(gòu)在實際運行中出現(xiàn)的失效問題，本文通過對失效狀態(tài)進(jìn)行分析，提出了幾種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案并進(jìn)行了可靠性臺架試驗。最后，對比分析路試結(jié)果并結(jié)合成本要求，選出了最優(yōu)性價比方案。

關(guān)鍵詞：減震連接；新能源；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；可靠性；成本控制

中圖分類號：TG115 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0060-02

1 故障分析

1.1 引言

某新能源客車車載主要電氣設(shè)備框架采用4個圓柱形橡膠減震墊與車身連接，在經(jīng)歷一段時間城市公交工況運行后，出現(xiàn)減震連接端子損壞、歪斜、連接螺桿斷裂、絲扣拉壞等問題，導(dǎo)致多起連接失效和塌陷故障。

1.2 相關(guān)理論

功率譜密度（PSD）可以描述平穩(wěn)過程隨頻率變化的特性，是隨機(jī)過程在頻域內(nèi)的重要數(shù)值特征量，它表征了隨機(jī)過程的能量分布。路面不平度q（t）是一個平穩(wěn)隨即過程，根據(jù)傅里葉理論，平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜密度函數(shù)為自相關(guān)函數(shù)Rq（τ）的傅里葉變換Sq（f），即[1-3]：

以上兩式Sq（f）和Rq（τ）是一對傅里葉變換對。式中自相關(guān)函數(shù)Rq（τ）為：

實際工程應(yīng)用中，f>0，則定義單邊功率譜密度為：

Miner累積損傷理論[4]：假設(shè)試樣所吸收的能量達(dá)到極限值時產(chǎn)生疲勞破壞，從這一假設(shè)出發(fā)，如破壞前可吸收的能量極限值為W，試樣破壞前的總循環(huán)為N，在某一循環(huán)數(shù)n1時試樣吸收的能量為W1，則由于試樣吸收的能量與其循環(huán)數(shù)間存在著正比關(guān)系，即：

若試樣的加載歷史由k個不同的應(yīng)力水平構(gòu)成，各應(yīng)力水平下的疲勞壽命依次為N1，N2，…，Nk，各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)依次為n1，n2，…，nk，則損傷D為：

當(dāng)D=1時，試樣吸收的能量達(dá)到極限值W，試樣發(fā)生疲勞破壞。

1.3 原因分析

目前國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)布了電動汽車電池系統(tǒng)振動試驗標(biāo)準(zhǔn)SAE J2380。此標(biāo)準(zhǔn)用于模擬電動車電池系統(tǒng)長時間處于路面所引起的振動測試程序，以確保電池系統(tǒng)的耐振動能力。通常試驗中按照3個綜合條件（振動、溫度、工況）同時進(jìn)行，測試頻率為10～190Hz隨機(jī)振動，X，Y，Z三個軸，可以選擇正?；蛱娲囼灐１疚牟捎谜Ｔ囼?。

圖1所示，為原連接方案的三向振動PSD曲線。由圖中可以看出在頻率30～60Hz之間，該連接方案在橫向和垂向超出了標(biāo)準(zhǔn)SAE J2380曲線，未滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

原減震連接方案如圖2所示，其主要特點為：該電氣元件與底座剛性連接后，通過圓柱形橡膠減震墊與車身連接。這種連接結(jié)構(gòu)的車輛在運行一段時間后，連續(xù)出現(xiàn)多起連接失效問題。其中，在車輛垂向主要出現(xiàn)減震墊損壞，螺桿絲扣被拉壞等現(xiàn)象；在橫向主要出現(xiàn)減震墊歪斜，螺桿絲扣被拉壞，螺桿斷裂等現(xiàn)象；縱向基本無破壞現(xiàn)象。另外，還出現(xiàn)有減震墊螺桿滑絲的情況。

結(jié)合上述分析結(jié)果，可以得出破壞現(xiàn)象主要由以下三種原因造成：

（1）連接元件缺陷。經(jīng)抽樣檢測，樣車第一個到第四個安裝腳的扭矩分別為59N·m、50N·m、45N·m、40N·m；參考標(biāo)準(zhǔn)QC/T518-1999《汽車用螺栓緊固件擰緊扭矩規(guī)范》8.8級的螺栓，螺紋直徑為10mm，螺距為1.5mm，擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)值為59N·m。說明圓柱形減震墊螺栓的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)不到8.8級，不符合要求。在長期運行的振動影響下，減震墊容易松動、損壞。（2）車輛振動。減震墊螺桿斷裂、螺桿歪斜和螺桿絲扣損壞主要由車輛橫向和垂向的振動引起；減震墊橡膠部分損壞主要由車輛垂向振動引起，占故障的比例很小；在城市公交路況下，車輛在縱向的振動量相比垂向和橫向來說較小，且縱向振動次數(shù)也較少。（3）連接結(jié)構(gòu)缺陷。由于減震墊直接安裝在車架的4mm厚埋鐵上，攻絲深度太小，減震墊與埋鐵僅有2～3個絲扣聯(lián)接，極容易滑絲。

2 優(yōu)化方案

針對故障產(chǎn)生原因，可從支撐方式、連接元件和連接強(qiáng)度等方向進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。提出以下幾種優(yōu)化方案。

2.1 連接方式優(yōu)化

兩種優(yōu)化方案：一為在引起故障的主要方向（橫向）增加兩點支撐，如圖3（a）所示；二為舍棄原連接結(jié)構(gòu)，改為由兩條橫向平行的厚橡膠條支撐結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。

2.2 連接元件優(yōu)化

三種優(yōu)化方案：一為用可靠性更好的六棱柱形減震墊連接，如圖3（c）所示，六棱柱形減震墊可以更加方便和準(zhǔn)確的施加符合標(biāo)準(zhǔn)的緊固扭矩；橡膠條采用減震性能和抗老化性能更好的合成橡膠材料；三為直接采用剛性連接，如圖3（d）所示。

2.3 連接目標(biāo)優(yōu)化

由埋鐵厚度不足引起的連接絲扣數(shù)量過少問題，可通過在連接位置的埋鐵上加焊厚鋼片，提高攻絲深度，從而提高連接絲扣的數(shù)量。

3 試驗驗證

3.1 實況路試

本次測試采用交叉對比的方式進(jìn)行。選定長沙501路公交路線作為測試路線，3臺測試客車配置完整、各部件工作正常，按實際運營公交路線和駕駛習(xí)慣行駛一個公交周期。

3臺測試客車的測點布置分別如圖4所示。

3.2 路試結(jié)果

分別測得各種改進(jìn)方案的三向振動峰值（圖5所示）。

由圖5可知：對于縱向，剛性連接方案振動最大值大于其它方案，對于橫向和垂向方向，改裝前的振動最大值大于其他方案，但都在標(biāo)準(zhǔn)SAE J2464所規(guī)定的半正弦沖擊加速度（25g）之內(nèi)，振動最大值為改裝前方案，達(dá)到119m/s2。

3.3 成本控制

對六棱柱形減震墊連接結(jié)構(gòu)和剛性連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案進(jìn)行了的改裝成本預(yù)算如表1所示。

剛性連接在可靠性與經(jīng)濟(jì)性方面都有很大優(yōu)勢，最終確定采用改性連接方案。

4 結(jié)語

減震連接失效問題主要由車輛振動和結(jié)構(gòu)缺陷兩方面因素引起。車輛振動因素主要為橫向和垂向振動；結(jié)構(gòu)缺陷因素主要為預(yù)緊力矩不足和連接絲扣過少。本文針對具體故障設(shè)計了優(yōu)化方案，試驗結(jié)果符合預(yù)期效果，滿足新能源客車運行要求。其它幾種優(yōu)化設(shè)計方案分別在不同振動方向上具有良好的效果。實際運用過程中可根據(jù)不同路況和不同車型進(jìn)行選擇。

參考文獻(xiàn)

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