基于BLOCKCYCLE Test路谱的汽车控制臂衬套疲劳试验数据处理

田玉冬，　邬建海，　方守杰，　段　峰

(1. 上海电机学院, 汽车学院, 上海 201306;

2. 上海众力汽车部件有限公司, 上海 201506)



基于BLOCKCYCLE Test路谱的汽车控制臂衬套疲劳试验数据处理

田玉冬1，2，邬建海1，2，方守杰2，段峰2

(1. 上海电机学院, 汽车学院, 上海 201306;

2. 上海众力汽车部件有限公司, 上海 201506)

摘要：利用路谱提取载荷谱，用于控制臂衬套的台架试验。通过采用测试软件数据处理的方法，对复杂的路谱进行编辑、雨流计数及损伤评估等方法以获得适合简单台架的试验条件，从而完成高性价比的控制臂衬套疲劳试验。

关键词：汽车零部件; 疲劳试验; 数据处理; 软件计算; 伪损伤

随着汽车越来越成为大众消费品，中国的汽车市场越来越受到重视[1]。大众的消费理念和对汽车质量的认知也越发成熟[2]。汽车作为一种耐用商品，人们对汽车的使用寿命也提出了更高的要求[3]。随着汽车行业竞争的加剧，延长“三包”周期也成常态[4]。因此，如何在后期的产品质量管理中提高产品的耐久性，已成为汽车结构件厂商研究的一个难题。

在汽车结构件强度或使用寿命的认可过程中，往往通过实车的路试来验证[5]。但是，实车验证的周期长、费用高，故主机厂一般要求零部件厂完成台架试验[6]，一些有实力的主机厂会提供路谱给零部件厂以便完成台架试验[7]。台架试验是目前汽车零部件厂的主要手段，但是，主机厂一般提供的是实际的路谱，不能适应后期量产控制的需要[8-10]，而将连续的时域谱转化成块谱以适合大多数的台架试验机，使用BLOCKCYCLE软件计算是一种有效的方式。本文研究从路谱中提取载荷谱用于控制臂衬套的台架试验，采用美国力学测试与模拟(Mechanical Testing and Simulating, MTS)系统公司开发的远程参数控制(Remote Parameter Control, RPC)技术，运用BLOCKCYCLE Test软件，完成高性价比的控制臂衬套疲劳试验。

1实际载荷谱和多轴试验机

载荷谱体现了传动系统在实际工作中载荷、扭矩和速度三者的对应关系。一般测试得到的实际载荷谱都是多通道的，多为三通道[11-12]。这要求台架试验机也是三通道(或三轴)的，且具备相位控制能力。然而，目前该类型试验机大多是进口产品，设备昂贵，实验费用也较高，大多用于产品前期开发和在验证时使用，不能适应后期量产的试验需要。

本文研究的是一纵拉杆衬套，根据该橡胶衬套的实际载荷状况及路试失效模式，可识别出主要载荷方向为纵向；同时，分析路谱中各通道信号，显示主要载荷也集中在纵向上，故认为提取主要通道中的载荷来模拟试验是可行的，也符合以后批量生产时产品的质量控制。因此，本文的问题归结为路谱的提取、编辑、编制BLOCKCYCLE和损伤评估等。通过对路谱进行编辑，生成单轴BLOCKCYCLE来试验载荷，以符合一般试验台架的加载方式，并通过以下步骤建立BLOCKCYCLE块谱： ① 预处理载荷谱；② 试验压缩和伪损伤评估；③ 雨流计数；④ 基于幅值累积频次的BLOCKCYCLES块谱获取。

2载荷谱预处理

2.1　去毛刺

由于试车场测量环境复杂，试验得到的载荷谱原始信号中往往存在毛刺(spike)[13]。毛刺信号是失真信号，往往会影响到后期的试验，并出现以下问题： 对设备产生冲击、可能造成试件突然损坏、无法迭代、损坏设备，这就需要对原始信号进行预处理，即去毛刺。目前，采用的预处理方案有幅值门限法、梯度门限法及标准方差法等[14]。

本文采用标准方差法来处理毛刺，需要解决以下问题：

(1) 计算均值的采样点数，一般15个采样点计算一个均值。

(2) 计算方差值的采样点数，一般为5个采样点(均值信号)。

(3) 计算方差的阈值，该值的大小会影响滤波的结果。

本文结合安装的传感器特点、原始数据的统计特性、试选后滤波前、后波型的差异，取10%的最大方差。

图1给出了去毛刺前后的载荷谱信号图。由图中的原始数据可见，方差的阈值不能设置过小，否则会滤去有用信号。

图1　去毛刺载荷谱信号图Fig.1　Information diagram of spike removal

2.2　低通滤波

在对载荷谱信号去毛刺或去温漂后就可以进行数据的后期处理了[15]。

来自试车场的载荷谱信号往往包含相当宽的频带[16]。本文研究的橡胶件的疲劳性能与载荷相关，其频率在50~30Hz以下，而在实际载荷谱中，大部分能量也集中在20Hz以下，故采用低通滤波方式滤除无用的高频信号部分。同时，为确保能量最大限度地保留，利用功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)通过信号比对来确定滤波是否合适。

图2给出了经20Hz滤波后的PSD信号比对图。由图可见，20Hz后的PSD信号幅值是最高峰处的20%，数据能量已很小。针对汽车底盘结构件，采用20Hz滤波是可行的。

图2　经 20Hz滤波后的PSD信号比对图Fig.2　PSD comparison chart after the 20Hz filtering

3数据压缩和伪损伤评估

经滤波后，载荷谱数据仍有许多幅值较小的载荷及其起始段和结束段等过渡数据[17]；为减少试验时间，可压缩掉这些损伤较小的数据。当载荷谱信号量不大时，可直接删除小于一定幅值的载荷，进行光滑连接；当载荷谱信号量较大时，利用计算伪损伤的方式，设定一定的损伤保留值来达到不同的试验周期，通过迭代计算来得到数据，从而得到压缩谱。伪损伤就是利用低碳钢标准应力-寿命曲线进行损伤计算，对损伤数据进行对比，从而可以预测出结构件最易失效的部位。因其所得损伤结果只能进行相对比较，无实际物理量意义，故称之为伪损伤评估。

图3给出了信道压缩前、后的对比图。一般情况下，以保留95%损伤作为标准来压缩数据，以更进一步加快试验进度。本文压缩后的信号保留了99.3%的损伤，试验时间却只有原来的48.5%，表明在不减少信号损伤的情况下，可以合理地减少试验周期，完成快速验证，同时降低了实验费用。

图3　信道压缩前后比对图Fig.3　Channel compression ratio

4雨流分析

通常，对于载荷-时间历程的数据统计方法有计数法和PSD法两种[18]。影响汽车零部件疲劳损伤的主要因素是载荷幅值的变化和循环次数，故常用计数法进行统计。计数法种类很多，有峰值计数、量程计数、穿级计数、雨流计数、程对法等[19]。本文采用雨流计数法。

雨流分析的主要目的是从时域历程中提取闭合的循环载荷，供后期的疲劳分析、寿命估算及编制疲劳载荷谱使用。雨流计算以双参数为基础，考虑了对疲劳有影响的载荷幅值和均值两个量。综合来看，雨流计数法能保留载荷的均值和幅值的全部信息，同时也符合零件应力-应变的迟滞特性。

雨流计算广泛应用于疲劳分析和载荷谱的处理中，许多商业化的疲劳分析软件、载荷谱处理软件中都集成有雨流分析功能。本文使用Matlab编程来进行雨流计数，采用4点法来完成雨流计算。

雨流矩阵形状的比对一般用于载荷强化过程中，其不合理的强化会破坏载荷分布。图4给出了信道压缩前后的雨流矩阵。由图所示，通过对比压缩前、后的雨流矩阵的形状，可判断在数据压缩的过程中并没有破坏载荷的幅值。

图4　信道压缩前、后的雨流矩阵Fig.4　Rain-flow matrix before and after　channel compression

5基于幅值累积频次的BLOCKCYCLE块谱

从幅值累积频次图得到BLOCKCYCLE块谱的过程，实质上是将累积图“离散”的过程[19]。离散的级数越多就越接近累积分布曲线，误差也就越小。一般级数可取8、16、32，但级数越大，编谱也会变得更复杂，故目前一般选择8级谱。本文针对某一路段的载荷谱编制了幅值累积频次图，如图5所示。

由图可见，频次累积曲线被“离散”成8级块谱。表1给出了生成的8级块谱参数。在块谱的生成过程中需要保留载荷谱的最大值。载荷最大值对于损伤的影响较大，尤其是对于底盘结构件而言，这是由于次数极少的幅值一般是由路面的冲击或某些极限工况造成的。这些载荷虽然出现次数极少，但由于载荷较大，会使底盘结构出现局部屈服，从而影响底盘结构应力状态的重新分布。

图5　基于幅值累积频次的8块谱Fig.5　Eight stage block spectrum based on　magnitude of cumulative frequency

级数F/kN生命周期15.000124.750134.250143.6252752.8753062.1258071.3755080.625100

通过对块谱的损伤进行分析，比较处理前、后损伤的变化情况，才能确定块谱的生成是否合理，并进行适当补偿，从而保证损伤等效。本文采用虚拟应力-寿命曲线来分析两者的伪损伤情况。

生成虚拟应力-寿命曲线的参数如表2所示。

表2　应力-寿命曲线的参数

由于只是评价2个载荷谱的强度差异，故不需要生成准确或真实的应力-寿命曲线。以这种方式计算的损伤一般称为伪损伤。

表3给出了累积频次谱与8级块谱的损伤结果比较。由表可见，8级块谱的损伤是强化的，增强了17%，满足试验要求。

表3　累积频次谱和8级块谱的损伤结果对比

6结语

本文采用BLOCKCYCLE Test路谱通过编制8级块谱的方式实现汽车控制臂衬套疲劳试验，符合其疲劳试验设备要求，满足量产后产品质量控制。经过软件计算和数据处理后使误差在可控范围内，且误差的调整直观方便。结果表明可以明显缩短试验周期，如果增加谱的阶数，其误差可进一步缩小。

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Data Processing of Fatigue Test of Automobile Control Arm BushBased on Road Load Data of BLOCKCYCLE Test

TIANYudong1,2，WUJianhai1,2，FANGShoujie2，DUANFeng2

(1. School of Automobile, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;

2. Shanghai Zhongli Automobile Parts Co., Ltd., Shanghai 201506, China)

Abstract：This paper studies the extraction of load spectrum from path spectrum to control the arm bush. By using the test software, complicated road spectrum is edited, rain flow counted, and damage assessed to fit a simple platform and meets the test conditions. Thus a block cycle load from the road spectrum is built, and a high fatigue test of the control arm bush is completed.

Key words：automobile parts; fatigue test; data processing; software computing; pseudo-damage

文献标志码：A

中图分类号：U 467.497

文章编号2095 - 0020(2015)06 -0316 - 05

作者简介：田玉冬(1968 -)，男，教授，博士，主要研究方向为复杂工业系统控制，E-mail： tianyd@sdju.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目资助(51377104)，上海市教育委员会产学研合作基金项目资助(2015CXY44)

收稿日期：2015 - 10 - 21