路面激励作用下的桥壳动载荷研究

归文强， 袁小慧

(西安航空学院 车辆工程学院， 陕西 西安 710077)

路面激励作用下的桥壳动载荷研究

归文强， 袁小慧

(西安航空学院 车辆工程学院， 陕西 西安 710077)

针对在汽车行驶过程中桥壳容易发生疲劳破坏的情况， 使用了一种操作方便、 成本低、 数据可靠的方法来获取桥壳处的动载荷信号. 采集了汽车行驶在搓板路、 鱼鳞坑路和扭曲路这3种典型路面上时桥壳处受到的加速度信号， 通过对轮胎悬架系统进行求解计算得到桥壳处受到的力信号， 以该力信号作为输入载荷对该桥壳进行了疲劳寿命预测， 预测结果符合常理， 该方法具有可参考性.

桥壳； 路面激励； 力载荷； 桥壳疲劳寿命

0 引 言

作为汽车车桥的重要组成部件， 桥壳为车轮提供足够牵引力的同时还要承受车轮与车架之间的作用力及弯矩， 受力状况复杂[1]. 汽车行驶过程中， 桥壳会在路面不平度产生的激励下， 在其某个薄弱位置出现疲劳破坏. 而进行疲劳寿命预测时都必须有输入激励作为前提， 因此， 有必要通过一种操作方便、 成本低、 数据可靠的方法来获取进行疲劳分析时的激励载荷， 对桥壳进行由于路面不平度而引起的载荷冲击的深入研究[2].

1 桥壳受到路面激励下加速度信号的采集

本文选择在微型车经常会涉足到的几种典型路面上进行载荷谱数据采集. 天气及路面湿度状况较好的情况下， 在汽车试验场的搓板路、 鱼鳞坑路和扭曲路这3种典型的路面进行测试. 3种试验路面如图 1～图 3 所示. 试验仪器及设备包括： 一辆测试车辆， 一台16通道数据采集仪Synergy， 两个瑞士Kislar IEPE型加速度传感器， 连接线若干条以及给采集仪提供电源的逆变器和汽车电池. 将传感器固定在桥壳安装板簧座位置的上方， 传感器敏感轴垂直于地面传感器的安装位置， 如图 4 所示. 试验设备安装如图 5 所示.

图 1 搓板路Fig.1 Washboard road

图 2 鱼鳞坑路Fig.2 Pit road

图 3 扭曲路Fig.3 Twisted road

图 4 传感器安装位置Fig.4 The installation position of sensor

图 5 载荷谱采集试验设备安装简图Fig.5 The installationdrawingoftheequipment

2 试验数据

试验时， 测试车辆的车速原则上应为汽车在所测量路面上行驶的常见速度， 但根据经验， 试验车速的控制原则以驾驶员身体能承受的车速为准[3]， 本文将试验车速定为20 km/h. 经测试前的简单预测， 桥壳振动的频率不超过80 Hz， 因此在测量时将仪器的采样频率设置为500 Hz.

根据试验结果， 得到汽车在搓板路、 鱼鳞坑路和扭曲路这3种路面上行驶时， 桥壳上布置的加速度传感器的时域信号和频域信号. 考虑到左右两侧车轮所经路面状况相似， 本文只列出一个测点测试结果， 在这3种路面上测量得到的桥壳处加速度时域信号和频域信号如图 6～图 11 所示.

图 6 搓板路时域信号Fig.6 Time domain signal on the washboard road

图 7 搓板路频域信号Fig.7 Frequency domain signal on the washboard road

图 8 鱼鳞坑路时域信号Fig.8 Time domain signal on the pit road

图 9 鱼鳞坑路频域信号Fig.9 Frequency domain signal on the pit road

图 10 扭曲路时域信号Fig.10 Time domain signal on the twisted road

图 11 扭曲路频域信号Fig.11 Frequency domain signal on the twisted road

由以上的时域信号和频域信号可以得到以下信息：

1) 从频域信号中可以看出， 当车辆以20 km/h的车速在这3种路面上行驶时， 振动信号的能量主要分布在40 Hz以下， 其余高频部分幅值较小.

2) 从行驶在搓板路上的加速度频域图中可以看出路面激励主要分布在40 Hz以下， 其中在3处频率附近有较大的峰值， 分别是在7.5 Hz， 15 Hz， 25 Hz附近. 从行驶在鱼鳞坑路上的加速度频域图中可以看出路面激励主要分布在40 Hz以下， 其中在10 Hz～15 Hz范围内有明显的峰值. 从行驶在扭曲路上的加速度频域图中可以看出路面激励主要分布在35 Hz以下， 其中大多数能量集中在7.5 Hz以下， 另在25 Hz附近有较明显的信号.

3 力载荷信号的求解

通过试验方法采集得到桥壳上的加速度信号后， 由于做疲劳分析时需要输入的是桥壳处所受到的力载荷信号， 所以应对采集到的加速度信号做出处理得到桥壳处所受到的力信号.

图 12 轮胎悬架系统振动模型Fig.12 The vibration model of tire suspension system

假设汽车在行驶过程中车轮不会被颠离路面， 并认为左右车轮通过的路面没有差异， 且系统是线性系统， 该系统的振动模型如图 12 所示.

该系统的微分方程表达式为

式中：z为簧上质量处的绝对垂直位移；x为簧下质量处的绝对垂直位移；m1,m2分别为后轴的簧上质量和簧下质量(其中m1包括载重等)[4].Cx和CL分别为后轴悬挂系统和车轮轮胎的阻尼系数；Kx和KL分别为后轴悬挂系统和车轮轮胎的刚度系数；q(t)为该微型车实验行驶路面的不平度.

将以上常数带入式(1)得

对式(2)进行拉普拉斯变换， 结果为

式中：Z(s)，X(s)，q(s)为坐标系Z(t)，X(t)，q(t)中的拉氏变换坐标参数；s=σ+iω为复合频率. 对式(3) 求解得

式中：

Wx(s),Wz(s)分别为两个振动系统的传递函数. 系统的传递函数为振动系统输入信号与输出信号之比.

用待定系数法对式(7)， 式(8)进行求解得

式中：ω1，ω2，ω3，ω4为振动系统的固有角频率， 其值是求解式(6)且令复合频率s=σ+iω中当σ=0时得到的， 传递函数中的常数F，G，J，K可由式(9)和式(10)求得， 比较传递函数中的分子按待定系数法找出s同次幂的系数得

按照特殊解用表， 有

则X(s)和Z(s)可以写成

(12)

式(11)和式(12)为簧上部分、 簧下部分及路面不平度位移信号3者之间的关系. 簧下质量在受到冲击后产生的能量， 即其惯性力通过两种方式传递出去， 第一个是通过板簧座处传递到钢板弹簧上， 第二个是通过两端的轴承座传递出去， 通过两端轴承座传递出去的能量较复杂， 本文在做疲劳分析时认为桥壳只在板簧座处受力. 桥壳上的力载荷信号为

图 13 桥壳处所受到的力载荷Fig.13 The force signal on the axle housing

式中：m1，m2，q(t)，Cl，Kl，Kx，Cx见式(1)下说明；x(t)，z(t)，q(t)分别是簧下质量处、 簧上质量处以及路面处的位移信号， 且3者之间的关系已分别由式(11)， (12)给出， 3个中知到其中一个便可得到另外两个， 本文采集得到的是簧下质量处的信号. 通过式(13)就可以用加速度传感器采集到的加速度信号经过积分得到速度信号和位移信号计算得出汽车后桥桥壳处所受到的力载荷信号.

例： 本文的研究对象为国内某微型车的驱动桥壳， 经查资料得该车的整车装备质量为1 550 kg， 试验时车上载有一名司机与一名试验人员， 则该车总重为1 650 kg. 经计算， 前轴重970 kg， 后轴重680 kg， 其中后轴簧下和簧上质量分别为80 kg和600 kg. 该微型汽车后悬架使用的是多片钢板弹簧， 经查该悬架的刚度Kx=160.2 N/mm， 阻尼Cx=6 000 Ns/m. 该微型汽车车轮所使用的子午线轮胎在气压为196 kPa时的刚度Kl=183.338 N/mm， 阻尼Cl=1 020.988 Ns/m. 将这些试验汽车参数带入到前面部分公式， 经计算得A=10，B=0.267，C=12.76，D=2.298. 此次试验数据使用的是提取汽车在每种路面上各行驶10 s的加速度信号， 经过上述计算得到的桥壳处受到的力载荷如图 13 所示.

4 桥壳的疲劳寿命分析

根据局部应力应变法， 驱动桥壳的疲劳寿命与其受到的应力分布有关， 因此首先对桥壳进行静力分析， 静力分析时应考虑支点与力点等效原则[5]. 对于驱动桥壳所施加的条件如下：

约束条件： 因桥壳在实际工作状态中会沿着车轴的方向缩短或者伸长， 也会绕Y方向发生弯曲， 故在桥壳一端法兰盘处选择合适的节点， 约束其1， 2， 3， 4， 6的自由度； 另外一边约束2， 3， 4， 6自由度(1， 2， 3自由度分别为沿x,y,z方向上的移动， 4， 5， 6自由度分别为绕x,y,z方向上的转动).

载荷添加： 在桥壳两侧板簧座中心孔处添加单位力， 方向垂直于板簧座平面， 分析得到该桥壳在受到单位力时的应力云图， 如图 14 所示.

分析得到的该应力云图， 可知桥壳上最大位移出现在两侧板簧座下方的管体处以及桥壳中间壳体的边缘处， 考虑到该桥壳在建模时左右对称但其约束情况左右略有差异， 因此左右两边的应力分布基本相同， 细节处稍微有些区别.

Hyper Works中自带的求解器RADIOSS模块会根据静力分析得到的应力结果以及通过对于材料强度极限和弹性模量估计出来的材料 S-N 曲线预测得到该驱动桥壳的疲劳寿命[7]. 使用该模块的优点在于： ① 桥壳材料的 S-N 曲线不需要通过试验获得， 这样能节省时间和财力； ② 该模块可以直接使用Hypermesh得到的有限元模型不需要数据交换. 驱动桥壳的约束形式同前一节的静力分析情况相同. S-N 曲线是软件根据输入的材料强度极限和弹性模量进行估计得到的， 桥壳疲劳分析的载荷为第3节中采集到的加速度信号通过分析计算得到的力载荷信号[8-9].

设置疲劳寿命分析步骤后进行求解， 得到汽车在该组合路面上行驶时驱动桥壳在最大疲劳寿命时的疲劳寿命云图. 如图 15 所示.

图 14 驱动桥壳两侧受单位力作用时应力分布云图Fig.14 The stress distribution diagram when the axle housing was affected by the unit force

图 15 桥壳在99.9%存活率下的疲劳寿命云图Fig.15 The diagram of fatigue lifeof the axle housing in the 99.9% survival rate

从图 15 可知， 该桥壳左右两侧板簧座处在承受来自路面不平度引起的垂向载荷时， 分析在中值疲劳寿命条件下即存活率为99.9% 时该桥壳最薄弱部位的疲劳寿命循环次数为7.013E5次， 桥壳的最薄弱部位即裂纹产生的位置在两侧板簧座底下的轴管处.

以该桥壳上最薄弱部位的疲劳寿命为限定条件， 计算该微型车在搓板路鱼鳞坑路和扭曲路这3种组合路面上能够行驶的最长距离. 由于该微型车会经常涉足于这样条件较恶劣的路面， 因此计算在这种路面上最短寿命更符合实际， 更有意义. 本课题在获取该载荷谱时， 驾驶员驾驶该微型车在搓板路鱼鳞坑路和扭曲路上保持车速为20 km/h匀速通过， 且在做数据时提取汽车在每一种路面上以该速度匀速行驶10 s的数据， 通过计算可以知道， 在这3种组合路面工况下行驶时， 该微型车能够保证桥壳最危险部位不产生裂纹或者断裂的安全行驶距离约为11.69万公里. 该数据为加强数据， 符合实际情况， 因此该方法得到的桥壳处的载荷具有可参考性.

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The Study on Dynamic Load of Axle Housing Under the Excitation of Road Surface

GUI Wenqiang, YUAN Xiaohui

(School of Vehicle Engineering, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China)

Aiming at the case of fatigue damage of axle housing while the car is in motion, the dynamic load signal was obtained by a method with convenient operation, low cost and reliable data. Firstly, the acceleration signal of the axle housing was collected when the vehicle travel on three typical kinds of road surface,which include washboard road ,pit road and twisted road Secondly, the force signal of the axle housing was obtained by solving the suspension system. Finally, Input the force signal as a load to predict the fatigue life of axle housing. The forecast is reasonable, and this method is referential.

axle housing; excitation of road surface; force load; axle housing fatigue life

1671-7449(2017)01-0034-06

2016-07-23

归文强(1991-)， 男， 助教， 硕士， 主要从事汽车振动与噪声研究

TH113.1

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.006