摘要：基于線性疲勞累積損傷理，通過采集試驗(yàn)場道路載荷譜，對轎車后橋載荷進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，提出了一種新的載荷譜編制方法。通過與原載荷譜編制方法計(jì)算的損傷和標(biāo)準(zhǔn)載荷譜計(jì)算得到的損傷進(jìn)行對比，驗(yàn)證了新的載荷譜編制方法的有效性。另外，基于新的載荷譜編制方法，通過迭代得到試驗(yàn)機(jī)激勵信號后進(jìn)行后橋疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的適用性。

關(guān)鍵詞：轎車后橋；道路載荷；耐久性試驗(yàn)；疲勞壽命

0 前言

在汽車產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段，機(jī)械零部件的疲勞和耐久性評價是其中一個重要環(huán)節(jié)[1]。用于疲勞壽命預(yù)估的理論或方法主要包括線性疲勞累積損傷理論、雙線性疲勞累積損傷理論及非線性疲勞累積損傷理論。但汽車及其零部件在行駛過程中會承受復(fù)雜的交變載荷，通過這些方法預(yù)估的疲勞壽命與實(shí)際疲勞壽命具有較大差異。

機(jī)械零部件的疲勞和耐久性試驗(yàn)一般分為用戶道路試驗(yàn)、試驗(yàn)場試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室臺架試驗(yàn)三類。鄭松林等[2]基于用戶道路和試驗(yàn)場道路的載荷數(shù)據(jù)，建立了一種基于載荷頻率損傷的等損傷模型。為了縮減零部件開發(fā)成本和時間，通常將試驗(yàn)場采集的道路載荷通過迭代應(yīng)用到臺架實(shí)驗(yàn)中[3-5]。根據(jù)裝載機(jī)驅(qū)動實(shí)際扭轉(zhuǎn)特性，梁佳等[6]提出了驅(qū)動橋疲勞試驗(yàn)前傳動軸正反加載的方法，確定了疲勞試驗(yàn)時的轉(zhuǎn)速。另外，朱淮烽等[7-9]以Miner法則為基礎(chǔ)，研究了低載強(qiáng)化特性對疲勞壽命的影響。姚志剛[10]以軸類零件為低載強(qiáng)化特性的研究對象，建立了零件的應(yīng)力-壽命曲線和低載強(qiáng)化三維曲面，為其壽命計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但以上研究均未充分考慮實(shí)際工況的復(fù)雜性和多樣性，還存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和模型驗(yàn)證等問題。本文以某轎車后橋?yàn)檠芯繉ο螅谠囼?yàn)場典型道路載荷譜獲得迭代所需的目標(biāo)信號，提出新的載荷譜編制方法，并通過對后橋進(jìn)行道路載荷模擬試驗(yàn)，來評價其適用性。

1 載荷譜采集

后橋是汽車傳動系統(tǒng)中的最后一個總成，在車輛行駛過程中需要承受多種載荷作用，是車輛中極為重要的安全件和功能件。因此，基于道路模擬試驗(yàn)對其進(jìn)行耐久性評價十分必要。根據(jù)有限元分析方法可得到后橋在不同工況下的受力情況，從而確定疲勞試驗(yàn)中后橋可能斷裂的位置，獲得載荷譜測點(diǎn)的位置，如圖1所示。后橋載荷譜測點(diǎn)對應(yīng)的測試項(xiàng)目及貼片位置見表1。

根據(jù)GT/T 12678—1990 《汽車可靠性行駛試驗(yàn)方法》和GB/T 12534—1990 《汽車道路試驗(yàn)方法通則》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。本文使用的載荷譜為某汽車試驗(yàn)場耐久性試驗(yàn)不同典型路面所采集的載荷信號數(shù)據(jù)。道路載荷試驗(yàn)的采樣頻率為512 Hz。

2 載荷譜編制方法對比及壽命預(yù)估

2. 1 載荷譜編制方法對比

基于線性疲勞累積損傷理論，制定了新的編制載荷譜方法，并且將此方法迭代的損傷與原方法迭代的損傷進(jìn)行對比，驗(yàn)證新制定編制載荷譜方法的有效性。本文將原載荷譜編制方法設(shè)為方法一，新的載荷譜編制方法設(shè)為方法二。

以左前輪側(cè)向力信號（LR_WFT_Fy）為例，分別采用方法一和方法二編制載荷譜，并與標(biāo)準(zhǔn)載荷譜迭代損傷進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出：通過方法二制定的載荷譜與標(biāo)準(zhǔn)載荷譜的迭代結(jié)果基本吻合。因此，方法二制定的載荷譜編制方法是有效的。此外，本文以各通道下的載荷信號為例，對不同編譜方法計(jì)算得到的損傷進(jìn)行了對比，對比結(jié)果見表2。由表2可以看出：通過方法二得到的總損傷和標(biāo)準(zhǔn)載荷譜得到的總損傷幾乎相同，通過方法一得到的總損傷則為標(biāo)準(zhǔn)載荷譜得到損傷的86%。因此，方法二載荷譜編制方法更為可取。

2. 2 后橋疲勞壽命預(yù)估

3 臺架試驗(yàn)構(gòu)建與規(guī)范

基于方法二對后橋進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)臺架如圖5所示。將通過方法二編制的載荷譜通過車輪六分力對后橋進(jìn)行加載。車輪力的信號通過六分力測量輪獲取，通過迭代得到試驗(yàn)機(jī)激勵信號。試驗(yàn)機(jī)激勵信號的力和力矩的方向如圖6所示，激勵信號的載荷見表3～表4。

4 試驗(yàn)結(jié)果

后橋臺架疲勞試驗(yàn)的結(jié)果如圖7～圖11所示，后橋的失效部位發(fā)生在橫梁和加強(qiáng)筋的焊接部位，與應(yīng)變片貼放位置相對應(yīng)。在試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到179次時，右制動液軟管開始損壞，如圖7所示。在試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到181次時，軸和軸承之間的螺栓松動，如圖8所示。在試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到241次時，左側(cè)加強(qiáng)板的底部出現(xiàn)裂紋，裂紋長度為3 mm；繼續(xù)增加1次循環(huán)，裂紋長度增加至5 mm，如圖9所示。當(dāng)試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到287次時，后橋左側(cè)減振器出現(xiàn)泄漏，如圖10所示。當(dāng)試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到301次時，主軸體材料出現(xiàn)2處裂紋，且裂紋幾乎對稱，同時左減振器螺栓彎曲。其中，增強(qiáng)板的左下方裂紋長度為7 mm，右下方裂紋長度為10 mm（零件失效），如圖11所示。

根據(jù)方法一進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，當(dāng)左下加強(qiáng)支架焊縫裂紋擴(kuò)展到10 mm時，試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了220次。

表5為2種編譜方法的試驗(yàn)疲勞壽命與理論疲勞壽命的對比。由表5可以看出：方法二得到的疲勞壽命更接近于理論疲勞壽命，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可靠性。

5 結(jié)語

本文以某轎車后橋?yàn)檠芯繉ο螅诰€性疲勞累積損傷理論提出一種新的載荷譜編制方法。將新的載荷譜編制方法與原載荷譜編制方法，以及標(biāo)準(zhǔn)載荷譜在左前輪側(cè)向力信號（LR_WFT_Fy）通道下計(jì)算得到的損傷進(jìn)行對比。結(jié)果表明：新的載荷譜編制方法所得總損傷接近原載荷譜編制方法及標(biāo)準(zhǔn)載荷譜得到的總損傷，驗(yàn)證了新的載荷譜編制方法的有效性?；谛碌妮d荷譜編制方法，迭代得到試驗(yàn)機(jī)激勵信號，并進(jìn)行道路模擬臺架試驗(yàn)。通過與后橋理論疲勞壽命進(jìn)行對比，通過新的載荷譜編譜方法得到的試驗(yàn)疲勞壽命更接近于理論疲勞壽命，驗(yàn)證了新方法的適用性。

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