李功友 程俊東 董遠(yuǎn)明 周兆耀

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

減振器作為改善汽車乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性的重要零部件，其疲勞耐久性能受到客戶及汽車研發(fā)人員的廣泛關(guān)注[1]。目前市場上減振器類型主要分為主動減振器和液壓減振器。主動減振器能夠根據(jù)行駛工況自動調(diào)節(jié)減振阻尼，具有更好的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性，但其成本較高。液壓減振器不具備主動調(diào)節(jié)減振阻尼的功能，由于成本低，目前仍然具有較大的市場。為考核減振器的疲勞耐久性能，主機(jī)廠主要進(jìn)行整車道路耐久試驗(yàn)、12通道軸耦合懸架系統(tǒng)試驗(yàn)、四立柱耐久試驗(yàn)。

本文針對某項(xiàng)目12通道軸耦合懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的液壓減振器支架斷裂問題，通過偽損傷等效原則，編制程序載荷譜，進(jìn)行減振器支架加速試驗(yàn)方法研究。復(fù)現(xiàn)了減振器支架斷裂的問題，優(yōu)化后的減振器支架疲勞壽命明顯改善。

2 減振器支架斷裂問題分析

某項(xiàng)目12通道軸耦合懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)進(jìn)行至9.86%時，右側(cè)減振器與穩(wěn)定桿連桿連接支架斷裂，更減振器后，繼續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行至16.62%時，左側(cè)減振器與穩(wěn)定桿連桿連接支架斷裂，如圖1所示。通過增加翻邊，加固減振器支架，如圖2所示，繼續(xù)試驗(yàn)，直至試驗(yàn)完成，未再次出現(xiàn)減振器支架斷裂問題。

圖1 左側(cè)減振器支架斷裂

圖2 減振器支架加固方案

通過對減振器支架宏觀斷口進(jìn)行分析可知，斷口由裂紋起始區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，為多源疲勞斷裂特征。對減振器支架斷口進(jìn)行微觀分析可知，裂紋源處磨損嚴(yán)重，未見明顯加工缺陷，如圖3所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)可見疲勞斷裂特征，如圖4所示。瞬斷區(qū)可見明顯韌窩，如圖5所示[2]。結(jié)論：減振器支架斷裂性質(zhì)為多源疲勞斷裂特征，裂紋源未見明顯加工缺陷。減振器支架圓角處存在應(yīng)力集中，支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

圖3 裂紋起始區(qū)微觀斷口分析

圖4 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀斷口分析

圖5 瞬斷區(qū)微觀斷口分析

3 載荷譜數(shù)據(jù)分析處理

目前常見的載荷加載方式：道路載荷譜迭代、等幅加載、程序載荷譜。道路載荷譜迭代耐久試驗(yàn)更接近用戶實(shí)際使用工況，考核精度更高。但由于其試驗(yàn)周期較長、成本高，不利于樣件的快速高效的驗(yàn)證。等幅加載耐久試驗(yàn)快速、簡單、成本低，但沒有考慮不同級別載荷對樣件的疲勞壽命的影響。程序載荷譜耐久試驗(yàn)是通過將道路載荷譜轉(zhuǎn)化的程序載荷，更能真實(shí)的反映樣件在路試中的受載情況和樣件的疲勞特性，具有試驗(yàn)精度高、數(shù)據(jù)可靠、周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。本文采用程序載荷譜進(jìn)行減振器支架結(jié)構(gòu)的加速試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 載荷譜偽損傷分析

減振器支架通過穩(wěn)定桿連桿傳遞載荷，計(jì)算穩(wěn)定桿連桿在各個工況下承受的載荷偽損傷，乘以各個工況的循環(huán)次數(shù)，得到穩(wěn)定桿連桿承受載荷的總偽損傷1.13E+16。各個工況的總循環(huán)偽損傷，如表1所示。

表1 各工況偽損傷

將各個工況載荷譜時域信號轉(zhuǎn)化為雨流矩陣，添加各個工況的循環(huán)次數(shù)，轉(zhuǎn)化為總循環(huán)雨流矩陣。From-To總循環(huán)雨流矩陣如圖6所示，Range-Mean總循環(huán)雨流矩陣如圖7所示。

圖6 From-To總循環(huán)雨流矩陣

圖7 Range-Mean總循環(huán)雨流矩陣

3.2 程序載荷譜編制

根據(jù)等效偽損傷原則，將總循環(huán)雨流矩陣轉(zhuǎn)化對應(yīng)損傷分布矩陣，生成程序載荷譜，如表2所示。

表2 程序載荷譜

生成程序載荷譜的的偽損傷為1.17E+16，與道路載荷譜偽損傷基本相當(dāng)。為充分驗(yàn)證不同級別載荷對減振器支架疲勞壽命的影響，將程序載荷譜劃分為5個循環(huán)，如圖8所示。

圖8 程序載荷譜循環(huán)

為驗(yàn)證程序載荷譜在頻數(shù)及幅值范圍方面與道路載荷譜的覆蓋關(guān)系，進(jìn)行累計(jì)頻數(shù)曲線、穿級計(jì)算曲線對比，對比結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 累計(jì)頻數(shù)曲線對比

圖10 穿級計(jì)算曲線對比

通過圖9、圖10累計(jì)頻數(shù)曲線、穿級計(jì)算曲線對比可知，程序載荷譜對道路載荷譜的累計(jì)頻數(shù)及幅值范圍覆蓋效果良好。

4 減振器支架程序載荷譜臺架試驗(yàn)

4.1 減振器支架臺架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證程序載荷譜試驗(yàn)方案及減振器支架優(yōu)化方案的有效性，對優(yōu)化前及優(yōu)化后的減振器支架進(jìn)行對比試驗(yàn)。根據(jù)減振器支架和穩(wěn)定桿連桿在底盤懸架系統(tǒng)中的安裝狀態(tài)，搭建減振器支架試驗(yàn)臺架，確保安裝狀態(tài)一致，臺架搭建方案如圖11所示。通過增加翻邊，優(yōu)化減振器支架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后支架結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11 減振器支架臺架試驗(yàn)方案

圖12 優(yōu)化后的減振器支架結(jié)構(gòu)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

優(yōu)化前的減振器支架，在臺架試驗(yàn)運(yùn)行至程序載荷譜總循環(huán)的16.3%時，減振器支架斷裂，如圖13所示。斷裂位置同12通道軸耦合懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)一致，且斷裂時循環(huán)百分比大體相同，證明了程序載荷譜試驗(yàn)方案有效。方案優(yōu)化后的減振器支架，3個樣本運(yùn)行到200%時均未開裂，如圖14所示，證明減振器支架增加翻邊的優(yōu)化方案有效。

圖13 優(yōu)化前減振器支架斷裂位置

圖14 優(yōu)化試驗(yàn)后減振器支架

5 結(jié)語

本文通過偽損傷等效原則，介紹了程序載荷譜的編制及評定方法。通過減振器支架優(yōu)化前后的臺架對比試驗(yàn)，證明了程序載荷譜試驗(yàn)方案及減振器支架優(yōu)化方案的有效性，完成了減振器支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的加速驗(yàn)證，對后續(xù)系統(tǒng)及零部件的臺架加速試驗(yàn)具有重要的參考意義。