轿车摆臂设计载荷谱的确定

宁欣,姚建国,王治瑞,郑松林

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.上海汇众汽车有限公司,上海201805；3.上海理工大学,上海200093）

轿车摆臂设计载荷谱的确定

宁欣1,3,姚建国1,王治瑞2,郑松林3

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.上海汇众汽车有限公司,上海201805；3.上海理工大学,上海200093）

通过实测轿车摆臂试车场道路载荷谱,对摆臂目标测点载荷进行采集.在原有载荷谱统计分析原理的基础上,依据结构的低载强化特性,确定出了摆臂结构的八级载荷谱.为进一步计算不同效果载荷（强化、损伤、无效载荷）的概率、研究零件静强度和疲劳强度的增长规律、总结可靠性设计中的载荷利用方法提供一定理论基础.

摆臂；载荷谱；低载强化

传统的可靠性设计通常把应力和强度看做一个固定不变的服从特定分布规律的随机变量,采用的是载荷的平均值,没有考虑数据的分散性.实际上,汽车、飞机等交通运输类产品大多在随机变化的载荷作用下工作,在载荷的作用下零件的强度不是固定不变的,而是随着载荷应力的大小和作用次数不断变化的.对汽车载荷特性的深入了解、掌握、积累和分析是进行整车开发、零部件可靠性试验研究的必备条件.

本文以轿车摆臂为载体,采集试验场典型道路载荷,运用载荷的统计与分析原理,根据载荷的低载强化特性,对实测载荷进行统计分析,确定最佳的载荷分布.

1 载荷谱的统计分析原理

由于轿车摆臂载荷具有随机性、可统计性、可扩展性[1],把汽车行驶过程中的载荷实况记录下来,经专用数据处理软硬件处理后,编制出能够模拟汽车实际使用情况,得到具有代表性的载荷谱,是汽车零部件进行疲劳寿命分析和全尺寸结构疲劳试验的基础[2].积累载荷特性的数据,并建立这些特性的分析方法,是实现汽车先进开发的必备条件.载荷谱的基本获取过程如图1所示.

图1 载荷谱的制取流程Fig.1 Preparation processes of load spectrum

1.1 雨流计数法

随机载荷的统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法.计数法是从载荷—时间历程确定出不同载荷参量值及其出现次数的方法,它是将载荷—时间历程处理为一系列全循环或半循环的过程.目前的计数法可分为单参数计数法和双参数计数法.单参数计数法只记录载荷谱中的一个参量,如峰值或范围,不能给出循环的全部信息,有较大的缺陷；双参数计数法可以记录载荷循环的全部信息,是比较好的计数法,如雨流计数法、跑道计数法等.雨流法基于材料的应力—应变循环特性和记忆特性,具有一定的力学依据和较高的精确性.因此,本文中采用雨流计数法.如图2所示.

图2 雨流计数Fig.2 Schematic diagram of rain flow counting

雨流计数法取一垂直向下的坐标表示时间,横坐标表示载荷,其计数规则如下：

（1）雨流依次从每个峰值的内侧开始,顺着斜坡往下流,在下一个峰值落下,直到对面有一个比开始点更大的峰值时为止（谷值以绝对值计）；（2）当雨流遇到来自上层斜面落下的雨流时就截止；（3）按上述规定取出所有的全循环,并记下各自的变程.直到剩下的载荷时间历程成为发散收敛型为止；

（4）将剩下的发散收敛型载荷时间历程,改成等效的收敛发散型,再进行第二阶段计数.总数应等于两个阶段计数之和.

1.2 S-N曲线

国内外专家学者一直注重对载荷特性进行研究,通常用S-N曲线来描述,如图3所示.S-N曲线表示应力振幅或最大应力与疲劳寿命之间关系,它主要反映了试验载荷下的过载寿命特征[3].当N＜5×104次为低寿命,N＜106次为中寿命,N＜107次为高寿命.

图3 对数坐标下的S-N曲线Fig.3 S-N curves of logarithm coordinates

在工程上,有限寿命设计常常使用结构件的中寿命段.然而部分小载荷的强化特性却很少有人知晓,特别是疲劳极限以下一定范围的载荷能够显著提高零件的强度[4-8],被称为低载强化,结构在适当的低幅载荷下经受适当次数的锻炼后,结构的强度得到提高,在同样载荷下,疲劳寿命延长,S-N曲线的水平段提高.但S-N曲线的斜率基本不变,如图4所示为低载强化的力学模型.

图4 低载强化的力学模型Fig.4 Mechanical model of low load strengthening

[4-15]中对低载强化规律的研究,不同强度的钢材料和汽车结构件都具有低载强化特性,有强化效果的载荷确实存在一个区间,如图5所示,横坐标表示使用载荷的区间,纵坐标表示结构在不同使用载荷作用一定循环次数下强度的变化.

图5 低幅载荷强化效果曲线Fig.5 Mechanical model of low load strengthening

很明显,结构强度随使用载荷增加先提高后降低,中间一段载荷区间对结构强度有强化效果,不同载荷强化效果也不同,曲线最高点对应载荷为最佳强化载荷,有强化效果的应力约在0.65～0.95 σ-1范围内.对汽车前桥,汽车变速器齿轮等,进一步验证了低载强化特性的存在,如图6所示.

图6 低幅载荷等级对疲劳强度强化的影响Fig.6 Effect of low amplitude loading level on the fatigue strength of reinforcement

2 道路载荷的试验

2.1 试车道路简介

试验在某试车场强化耐久试验道路上进行,每8圈为一个循环,每圈2.6 km,共16.8 km.选择15种路面：混凝土驼峰路、拱形不平整路、比利时路、搓板路、斜向坑洼路、铁路道口、横置枕木、转向器测试弯道、薄饼路、坡道、坑洼路、驼背弯道,并将其特征按一定比例放大,使试车场道路相对于普通路面起到加速作用,具体见表1所示.

表1 车场道路组成和车速Tab.1 Station road and vehicle speed

2.2 应变片的布置

摆臂由钢板焊接而成,零件的厚度方向的尺寸远远的小于另外两个方向的尺寸,因此可以近似的看成薄管和薄板.根据零件在模拟工况下的受力状况,利用有限元方法考虑4种典型工况下即启动、制动、转向、垂向冲击下的应力分布情况,确定危险点和危险截面.除此之外,总结以往道路载荷测量试验的经验数据,并通过由用户反馈的实际使用情况对测点位置的选择不断进行修正,如图7所示为贴片后的摆臂.

图7 贴片后的摆臂Fig.7 Swing arm patch

2.3 原始载荷的采集

道路试验采集到的是模拟信号,为了便于计算机处理,首先要通过信号处理软件将模拟信号转化成数字信号,采样频率500 Hz,并保存成ASCII数据格式.疲劳分析软件能够读取ASCII数据格式文件,从而对其进行编辑整理得到各测点的载荷—时间序列,通过分析处理,得到信号的统计特征及时域、频域和幅值域特征.

为了能获得可用的台架目标信号谱,需要将试车场测量得到的原始数据进行数据处理,并对比选择出最好的信号,制成目标信号谱.通过计算机数据处理软件LMS TecWare来完成的.共分5个步骤：①信号修正；②信号剪切；③损伤比较；④信号连接；⑤重新采样.

表2列出了各个测点的统计特征参数比较结果,包括最大值、最小值、最大变程、均方根值RMS、均值、标准偏差等.表2中各参数值单位均为με.

表2 摆臂各通道载荷的统计Tab.2 Swing arms each channel load

3 载荷谱的确定

根据相关低载强化规律的研究[4-15],删除载荷谱中较高级别的小载荷,会使零件寿命降低,而适当高的低幅小载荷（如0.65～0.95σe）连续作用的确能使零件静强度和疲劳强度得到不同程度的提高.因此,不仅要依据载荷是否造成损伤来判断载荷的有效性,还应考虑载荷是否造成强化.同时,载荷的交互效应、载荷谱长度、高低载荷的次序和比例等对载荷谱的损伤效果也有一定的影响,处理时都应予以考虑.载荷谱分区见图8,综合考虑低载强化理论,删除无效载荷,最终八级载荷谱见表3.

图8 载荷谱的分区Fig.8 Load spectrum partition

表3 八级载荷谱Tab.3 Eight level load spectrum

4 结论

本文以轿车摆臂为载体,对不同工况下的实测载荷进行了采集,对载荷谱进行了分析,结合结构的低载强化特性确定了摆臂的强化载荷,删除了对疲劳损伤无贡献的小载荷级,确定出摆臂结构的八级载荷谱.为进一步计算不同效果载荷（强化、损伤、无效载荷）的概率、研究零件静强度和疲劳强度的增长规律、总结可靠性设计中的载荷利用方法提供一定理论基础.

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（责任编辑：卢奇）

Research on car's swing arm design spectrum

Ning Xin1,3,Yao Jianguo1,Wang Zhirui2,Zheng Songlin3
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Shanghai Volkswagen Automotive Company L td.,Shanghai 201805,China；3.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

Collection and statistical analysis for road load spectrum of swing arm of a car under proving ground are performed.On the basis of original load spectrum statistical analysis principle,according to the characteristics of lowloading strengthening for the structure of swing arm,identify the tenth level load spectrum of swing arm structure.To calculate the probability of the effect of different load（reinforcement,injury,invalid load）,study the growth regularity of static strength and fatigue strength,conclusion load using the method of reliability design to provide a theoretical basis.

swing arm；load spectrum；strengthening under low amplitude load

U461.7

A

1008-7516（2013）06-0065-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.06.016

2013-10-20

宁欣（1976-）,女,河南长垣人,博士研究生,副教授.主要从事机械设计与工艺控制教学与科研.