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
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。
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
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。
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
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。
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)
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
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。