韋仲寧，萬茂林

(廣州小鵬汽車科技有限公司汽車技術(shù)中心，廣東廣州 510640)

0 引言

扭轉(zhuǎn)梁式后橋具有構(gòu)造零件數(shù)量少、制造工藝較簡單且成本較低等優(yōu)勢，在經(jīng)濟型乘用車、新能源車中應(yīng)用廣泛。扭轉(zhuǎn)梁式后橋由一根V形或U形鋼板橫梁作為主體，焊接有縱臂、輪轂支架等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。供應(yīng)商會根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求說明書(Specification of Requirements,SOR)設(shè)計、制造扭轉(zhuǎn)梁，在不了解可靠度、置信度要求且未有載荷譜的條件下，在設(shè)計驗證階段進行樣本量不小于5件的零部件試驗，在產(chǎn)品驗證階段進行樣本量不小于5件的零部件試驗，且系統(tǒng)壽命要滿足整車設(shè)計里程的可靠性要求。

圖1 扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)示意

新車型開發(fā)過程中，扭轉(zhuǎn)梁SOR與DVP(Design Verification Plan)試驗規(guī)范，主要是根據(jù)以往的平臺項目經(jīng)驗或其他廠家數(shù)據(jù)編制制定，無該款車型整車試驗場的相關(guān)數(shù)據(jù)，導致整車道路試驗與室內(nèi)系統(tǒng)臺架試驗結(jié)論不同、試驗場故障與臺架試驗故障不一致。因此，采集試驗場的道路載荷譜、六分力等相關(guān)數(shù)據(jù)，研究扭轉(zhuǎn)梁載荷譜與可靠度相關(guān)性，保證系統(tǒng)臺架試驗與整車道路試驗匹配，做到校正零部件、系統(tǒng)試驗臺架規(guī)范，對扭轉(zhuǎn)梁的開發(fā)與驗證具有重要的意義。

本文作者根據(jù)整車可靠性目標，基于各系統(tǒng)零件數(shù)量、安全件數(shù)量分解可靠性目標至系統(tǒng)總成上；再通過采集車輪六分力與扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)變敏感部位來進行偽損傷分析,獲取扭轉(zhuǎn)梁損傷較大的主要工況,累計所有主要工況的損傷值。再根據(jù)威布爾理論進行分析，編制出達到系統(tǒng)可靠度目標的扭轉(zhuǎn)梁DVP臺架試驗規(guī)范。

1 可靠性理論

1.1 系統(tǒng)可靠度

汽車是由成千上萬個零件組成的交通運輸工具，也是一種結(jié)構(gòu)較為復雜的機電產(chǎn)品。由零件按照其作用分別裝配在一起，各自具有一定的功能，相互間有一定的配合關(guān)系。將所有的裝配單位有機地組合起來，就組成了完整的汽車。

一個系統(tǒng)是由一組零件(元件)、部件、子系統(tǒng)或裝配件(統(tǒng)稱為單元)構(gòu)成的，完成期望的功能，并具有可接受的性能和可靠性水平的一種特定設(shè)計。

1.2 整車可靠性分解方法

汽車各系統(tǒng)中，選擇關(guān)鍵單元，先分解系統(tǒng)，再組合計算。

各串聯(lián)子系統(tǒng)的如圖2所示，可靠性最差的單元對系統(tǒng)的可靠性影響最大，且系統(tǒng)內(nèi)組件增加，可靠性水平降低可靠度計算方法：R1=RA1·RB1·RC1。

各并聯(lián)子系統(tǒng)如圖3所示，并聯(lián)條件下，隨著組件數(shù)增加，系統(tǒng)可靠度對組件的可靠度依賴越來越小，可靠度計算方法：R2=1-(1-RA2)·(1-RB2)·(1-RC2)。

圖2 串聯(lián)系統(tǒng) 圖3 并聯(lián)系統(tǒng)

基于以上串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)計算方法，分解某車型的在8年或16×104km的可靠性如表1所示，其中整車統(tǒng)一設(shè)置置信度為C50，扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)可靠度為R97C50。

表1 整車系統(tǒng)可靠性分解

2 載荷數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 應(yīng)變片傳感器

箔式電阻應(yīng)變片是一種基于應(yīng)變-電阻效應(yīng)制成的，用金屬箔作為敏感柵的，能把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件，可參考圖4。

圖4 電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是用來測量物體受力變形產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器，可以用來測試不同零部件的應(yīng)變、力、扭矩等信號，其基本原理可簡述為：將應(yīng)變片固定粘貼在測試件上，使其隨測試件一起受到載荷作用，其中的金屬箔材會隨著測試件的形變而伸長或縮短。應(yīng)變片所選用的金屬材料，如金屬箔材，在一定范圍內(nèi)，機械伸長或縮短時其電阻也會隨之成正比變化：

ΔR/R=Kε

(1)

式中：R為應(yīng)變片原電阻值；ΔR為伸長或壓縮引起的電阻變化；K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，一般為2.08±1%；ε為應(yīng)變。

通過測量電阻的變化，就可以對應(yīng)變進行測定，進而可轉(zhuǎn)化為測定力、力矩等。箔式電阻應(yīng)變片具有體積小、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、使用簡便等優(yōu)點。

2.2 應(yīng)變片選擇

箔式電阻應(yīng)變片按照應(yīng)變片的形狀可以分為單片、應(yīng)變花、剪切應(yīng)變片，T形應(yīng)變片等，具體如圖5所示。

圖5 不同類型的應(yīng)變片

根據(jù)需要的應(yīng)變信號和試件結(jié)構(gòu)來選擇應(yīng)變片型號，具體可參照表2。

表2 應(yīng)變片的選擇

2.3 確定測量點位置

測點的選擇和布置對能否正確了解結(jié)構(gòu)的受力情況和實際正確的測量有很大的影響。一般應(yīng)以最小的測點達到足夠反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為原則。為此，一般應(yīng)考慮：

(1)預先對結(jié)構(gòu)進行大致的受力分析，預測其變形形式和危險面，根據(jù)受力分析和測試要求，結(jié)合有限元分析和實踐經(jīng)驗最終確定測點。

(2)在截面尺寸急劇變化的部位或因孔、槽導致應(yīng)力集中的部位，應(yīng)適當多布置一些測點，以便了解這些區(qū)域的應(yīng)力梯度情況。

(3)根據(jù)扭轉(zhuǎn)梁有限元CAE分析結(jié)果、扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)臺架試驗的要求，確定采集的應(yīng)力位置。

扭轉(zhuǎn)梁關(guān)鍵位置應(yīng)變信號，具體見圖6和表3。

圖6 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)測量載荷位置

表3 采集通道名稱和位置描述

2.4 數(shù)據(jù)采集

此次測試采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在試驗場進行信號采集，共30個信號通道。按照滿載的條件對前懸軸荷、后懸軸荷分配進行均勻配重，標準胎壓，然后在車輛靜態(tài)情況下對采集信號進行歸零處理，試跑2圈后，檢查信號無誤，開始試驗。

此次試驗具體工況如下：外環(huán)1、外環(huán)2；內(nèi)環(huán)1、內(nèi)環(huán)2；方坑1 & 2、方坑3；搓板路制動、中制動、全制動；陡坡路(山路)、城市路工況；13°倒坡、16°倒坡；High-G、L-轉(zhuǎn)向、直角轉(zhuǎn)向。

2.5 檢查數(shù)據(jù)

查看數(shù)據(jù)是否存在奇異點、漂移等，主要是異常峰值點、趨勢項等，如確實存在，可通過濾波、平衡偏斜法等方法來消除奇異點和趨勢項。一般通過Crest因子大小來檢查是否已經(jīng)去除奇異點，Crest因子αCrest為

(2)

當Crest因子在1～8之間時，可認為該數(shù)據(jù)質(zhì)量好，已消除奇異點。

2.6 某車型扭轉(zhuǎn)梁載荷數(shù)據(jù)分析

2.6.1 濾波

一般濾波過程采用巴特沃思濾波器進行低通濾波，路面的激勵信號頻率一般在50 Hz以下，將高于50 Hz以上的信號濾掉即可，具體可通過頻域分析處理(PSD，自功率譜密度)來觀察信號的頻率結(jié)構(gòu)，從圖7可以看出信號頻率成分主要集中在30 Hz以下。

圖7 各通道信號自功率譜密度曲線

2.6.2 信號時域的處理

在山丘路況采集數(shù)據(jù)，進行時域一致性處理，結(jié)果如圖8所示。

圖8 山丘信號

3 累積損傷分析

3.1 車輪六分力損傷分析

通過LMS Tec-Ware模塊分析車輪輪心力在各工況的“累積損傷”，從而判斷各個工況對Fx、Fy、Fz的影響，具體如圖9和表4所示。

從圖9中可以看出：輪心力Fx在搓板路甲、方坑工況中受影響比較明顯，輪心力Fy在轉(zhuǎn)向角度較大的直角轉(zhuǎn)向、High-G、L-轉(zhuǎn)向中受影響比較明顯，輪心力Fz在內(nèi)環(huán)1、方坑、石塊路甲、搓板路甲、石塊路丙、石塊路乙中比較明顯。

圖9 輪心力在各工況的“累積損傷”

表4 各工況對Fx、Fy、Fz的影響

3.2 后扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)變損傷分析

后扭轉(zhuǎn)梁的激勵響應(yīng)主要由地面?zhèn)鬟f到車輪，車輪再傳遞到后扭轉(zhuǎn)梁，因此車輪與后扭轉(zhuǎn)梁的激勵響應(yīng)是一致的，這點可從“累積損傷”的趨勢波動看出來，波動程度越大，代表損傷程度越高，具體案例分析如圖10所示?？梢钥闯觯篟L-2很明顯直接受Fx的影響，RL-3&4主要在扭曲路乙受Fz的影響。

通過分析后扭轉(zhuǎn)梁上的應(yīng)變在各工況的“累積損傷”，比較分析在試驗過程中各個工況對應(yīng)變的影響。以應(yīng)變花8、9、10在各工況的“累積損傷”為例，具體如圖11所示。

從圖11中可以看出各工況對應(yīng)變的影響，結(jié)合前面所述的各工況對車輪輪心力的影響，并考慮到“累積損傷”影響的大小，有些工況對輪心力影響有限，可以忽略。因此可以得出車輪輪心力與后扭轉(zhuǎn)梁測點應(yīng)變的主要損傷體現(xiàn)，具體如表5所示。

圖10 輪心力與應(yīng)變“累積損傷”波動趨勢

圖11 應(yīng)變花8/9/10在某工況下的“累積損傷”

表5 各工況對應(yīng)變的影響

3.3 損傷累積計算

基于某車企耐久規(guī)范，循環(huán)總數(shù)6 922次等效8年或16×104km里程進行分析。

根據(jù)表6中得出，等效8年或16×104km的損傷累計0.268，損傷累計達到1.0時失效。安全系數(shù)K=1.2，即損傷值為：0.268×K=0.321 6，即求出在試驗臺架可以完成1/0.321 6≈3.1倍壽命加載扭轉(zhuǎn)梁不失效、不開裂。

表6 常規(guī)耐久試驗損傷分析

3.4 試驗樣品與試驗可靠度

試驗的可靠度由試驗樣品數(shù)及采用的置信度水平?jīng)Q定，其關(guān)系由

R=(1-C)1/N

(3)

或者可以變化為

(4)

式中：R為要求達到的試驗可靠度；C為置信水平；N為試驗樣本數(shù)。

基于扭轉(zhuǎn)梁試驗臺架可以達成3.1倍壽命加載不失效、不開裂，利用Minitab 軟件計算扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)為達到R97C50的指標要求需要的試驗樣本數(shù)量關(guān)系，如表7所示。

(1)基于累計損傷，對比臺架試驗損傷，計算出扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)在試驗臺架上等效道路試驗8年或16×104km的最大循環(huán)次數(shù)為46 300次，即單個樣本量在試驗臺架上最大可加載143 968次循環(huán)。由表7可知，在R97C50指標要求下，2個樣本量至少要3.37倍壽命加載才能達到指標要求，超過扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)樣本所能承受的3.1倍壽命加載。

由表7可知：3個扭轉(zhuǎn)梁試驗樣本，最大可靠度為R97.6C50；4個樣本最高可靠度為R98.2C50。

表7 威布爾回歸模型需要的樣本量估算

4 臺架驗證

扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗臺架如圖12所示。在扭轉(zhuǎn)梁關(guān)鍵部位噴上白漆, 以便觀察裂紋。輸入127 365次循環(huán)驅(qū)動譜, 每隔3萬次加載循環(huán)后，停止臺架試驗進行檢查。當加載至145 000次循環(huán)后扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂。通過室內(nèi)道路模擬耐久試驗結(jié)果與路試結(jié)果的對比表明, 兩種試驗出現(xiàn)的故障類似，如圖13所示。

綜合試驗臺架與道路試驗進行分析，在整車分解要求達到R97C50要求，臺架試驗僅需要3個樣本，每個樣本加載127 365次循環(huán)載荷；整車需要23部樣車進行耐久試驗，所有試驗車輛均無扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)問題，才可滿足R97C50要求。

圖12 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗臺架

圖13 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)開裂失效位置對比

5 結(jié)論

根據(jù)整車可靠度目標，分解到扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)上的要求是R97C50，通過試驗場道路載荷譜采集與“累計損傷”的理論分析，計算出臺架需要加載循環(huán)次數(shù)。同時運用威布爾理論計算分析獲取最優(yōu)樣本量及加載循環(huán)數(shù)，從而以最優(yōu)樣本量、加載循環(huán)次數(shù)達成整車系統(tǒng)可靠度分解要求，節(jié)約整車試驗成本與開發(fā)周期。