轮心六分力作用下悬架疲劳载荷谱提取

沈 磊 张守元 郁 强

（上海汽车集团公司商用车技术中心研究院）

1 前言

现代机械工业中，有80%以上的结构强度破坏由疲劳破坏造成[1]，随着机械产品运转速度提高，疲劳破坏更加普遍。车身是汽车的主要承载部件，尤其轿车、客车等承载式车身，是悬架、发动机和车身附件的安装基础，承受来自路面、发动机等的各种交变载荷，其疲劳强度性能对保证汽车产品安全和可靠性至关重要。近年来综合有限元方法和多体动力学的车身耐久性CAE分析研究取得一定进展，清华大学朱涛等通过同时测取4个车轮的六分力数据，进行了白车身和焊点疲劳寿命分析[2，3]。由于六分力仪价格昂贵，同时测取4个车轮六分力试验成本过高，本文结合国内某汽车集团新型客车开发项目，单独对前、后车轮测取六分力信号，采用前、后悬架动力学模型提取车身连接点载荷，并对方法准确性进行了验证。

2 道路载荷谱采集

对开发过程中的某轻型客车进行道路耐久性试验，分别在该客车前轮和后轮轮心处安装六分力传感器和加速度传感器，测量车辆在各种路面行驶时轮心 3 个方向承受的力（Fx、Fy、Fz）、力矩（Mx、My、Mz）和转向节顶部加速度（Ax、Ay、Az）数据，其中左前轮六分力传感器如图1所示。

试验在国内某试车场进行，分别在车辆空载和满载状态下测试，试验路面包括强化坏路、高速跑道、乡村坏路等9类，强化坏路又分为卵石路、条石路、搓板路等11种。通过GPS卫星测取的试验车辆一般公路路面行驶路线如图2所示，此段公路为加积镇至博鳌镇连接路段，沥青路面，该路段路面宽阔，较为平直，符合A级路面试验要求。

强化坏路下通过数据采集仪获取的右前轮六分力垂向力信号如图3所示。

3 白车身疲劳寿命计算

白车身疲劳寿命计算需要获取结构单位载荷应力场、车身连接点载荷谱和材料疲劳性能曲线3个输入条件。采用局部应变法，即应用材料的应变-寿命曲线（ε-N曲线）进行疲劳寿命计算是目前广泛应用的方法，该方法能有效计入缺口、焊缝、应力集中等现象所产生的局部循环塑性变形效应。

局部应变法表达式为：

式中，εa为应变幅值；σa为应力幅值；E为弹性模量；K为循环强度系数；n为循环应变硬化指数。

1945年Miner提出的Palmgren-Miner线形累计损伤法则是应用最广泛的疲劳损伤理论[4]，该理论假设试样所吸收的能量达到极限值W时产生破坏，在此假设下，若作用在试样上的加载历史由m个不同应力水平构成，各应力水平下的循环次数为n1、n2、…、nm，疲劳寿命为 N1、N2、…、Nm，则线形叠加总损伤为：

当D=1时，试样吸收的能量达到极限值W，试样破坏。

基于式（1）、式（2），并结合循环应力-应变曲线和材料ε-N曲线，便可计算随机载荷作用下的构件疲劳寿命[5～7]。

4 车身连接点载荷谱提取

对车身进行疲劳寿命分析时需要提供钢板弹簧、扭杆、减振器等10处悬架与车身连接点载荷谱，由于耐久性试验中前、后车轮六分力并非同时提取，若在整车多体动力学模型中将此作为输入，会由于静态不平衡导致仿真失败。本文通过MSC.Adams软件建立试验车辆前、后悬架多体动力学模型如图4、图5所示，其中稳定杆和多片钢板弹簧采用梁单元模拟，调整前、后悬架刚度和阻尼与实车一致。单独对前、后车轮进行六分力加载，获取车身连接点载荷。

为验证仿真结果准确性，分别比较了前悬架模型添加/不添加轮胎、车身连接点固定和施加簧载质量4种分析方法。车身疲劳破坏大多发生在满载状态下强化坏路和乡村坏路两种路面，为加快疲劳分析，只用此两种路面下满载状态测取的六分力数据进行加载，输出车身连接点3个方向的力和力矩，同时输出与试验测点对应的转向节顶部加速度，以方便与试验数据进行对比验证。

以乡村坏路测取的两前轮六分力数据作为输入，得出转向节顶部垂直Z向加速度仿真结果如图6a所示，从图6a中可以看出，不添加轮胎时加速度响应明显偏大，10 s内的加速度均方根值为6.913 m/s2，比添加轮胎的加速度均方根值4.603 m/s2大33.42%。在相同输入条件下分别对添加轮胎、车身连接点固定前悬架模型和添加轮胎、车身连接点施加簧载质量前悬架模型进行分析，转向节顶部垂直Z向加速度仿真结果如图6b所示，从图6b中可以看出，两者结果基本一致，连接点固定模型10 s内加速度均方根值为4.603 m/s2，施加簧载质量模型10 s内均方根值为4.947 m/s2，频域内最大峰值都出现在0.5 Hz，说明将车身连接点固定进行载荷提取对分析结果影响不大。将车身连接点固定模型得出的转向节顶部垂向加速度分析结果与相应试验结果比较，10 s内时域数据如图7所示，加速度均方根值试验结果为4.155 m/s2，加速度均方根值仿真结果为4.603 m/s2，两者相差9.7%。频域数据如图8所示，峰值频率均在0.5 Hz，说明利用添加轮胎的前悬架模型进行疲劳载荷提取，将车身连接点固定，无须考虑簧载质量即能够取得与试验一致的分析结果。利用该模型仿真提取的左前悬架车身连接点垂向载荷与试验测取的左前车轮六分力垂向输入力比较，截取1 s内时域数据如图9所示，实线表示仿真结果，为疲劳计算所需载荷谱，虚线为试验数据，可以看出两者幅值大小基本一致，传递至车身连接点的垂向力稍大于轮心作用力，且存在一定时间延迟。

5 结束语

在新车型开发期间，以道路试验测取的车轮六分力数据作为输入进行车身疲劳耐久性仿真分析，通过前、后道路试验结果对比确定结构优化修改对车身疲劳特性的影响，可节省研发时间和费用，而准确获取车身连接点载荷是分析结果可信的关键。本文以开发中的某轻型客车为平台，研究了利用悬架模型进行车身连接点载荷提取的方法，分析了多种悬架模型方案及其仿真结果并与试验结果进行对比，得到一种能够准确提取车身连接点载荷的悬架多体动力学仿真方法。该方法只需对前、后车轮六分力分别测量，对降低试验成本、提高车身疲劳分析结果可信度具有重要意义。

1 Payer E.Simulation Techniques for Fatigue and NVH Optimization of Motor Sport Engines.SAE Paper，962501.

2 David Ensor， Chris Cook， Marc Birties.Optimizing Simulation and Test Techniques for Efficient Vehicle Durability Design and Development.SAE Paper，2005-26-042.

3 朱涛，宋健，李亮.基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算.汽车技术， 2009（5）：8～11.

4 杨王玥.材料力学行为.北京：化学工业出版社，2009.

5 Rupp A.Computer Aided Dimensioning of Spot-welded Automotive Structures.SAE Paper 950711.

6 王攀.SC6350白车身疲劳寿命台架试验方法的研究：[学位论文].重庆：重庆大学，2004.

7 翠玲，高云凯，李翠，高冬.燃料电池大客车车身疲劳寿命仿真分析.汽车工程，2010（32）：7～12.