多轴载荷作用下减振器耐久性试验载荷谱编制

郑松林 王 烁 冯金芝 陈 铁 于佳伟

1.上海理工大学机械工程学院，上海，2000932.机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室，上海，200093

多轴载荷作用下减振器耐久性试验载荷谱编制

郑松林1,2王 烁1冯金芝1,2陈 铁1于佳伟1

1.上海理工大学机械工程学院，上海，2000932.机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室，上海，200093

传统的减振器耐久性试验只考虑减振器的垂向载荷，对于水平力的加载没有统一的标准，导致试验结果不准确，针对该问题，结合实测用户道路载荷，提出了一种考虑多轴载荷作用的载荷谱编制方法。为了分析某型轿车出现减振器失效漏油的原因，采用低频信号叠加高频信号的方式构建载荷谱，运用半功率带宽法和最大线速度原理确定低频及高频信号，并进行了垂向力及水平力同时加载的减振器台架耐久性试验。试验结果表明，在水平力作用下减振器寿命受到较大影响，且失效里程与调查结果基本吻合，由此说明所编制的耐久性试验载荷谱能够较为准确地复现减振器的实际工作情况，可为减振器的设计和改进提供技术支持。

减振器;多轴载荷;载荷谱编制;耐久性试验

0 引言

汽车市场竞争日趋激烈，为了缩短产品开发周期、降低开发成本，耐久性试验已成为各大汽车厂商开发流程中的必要步骤[1]。耐久性试验主要分为社会道路试验、试车场试验和室内台架试验三类[2-3]。其中，室内台架试验无需考虑试车场地、测试车辆和驾驶人员等因素，并且可以对所需载荷谱进行编辑处理，可大幅提高试验效率，因此被广泛采用[4]。

减振器作为汽车悬架系统的主要部件，其可靠性与耐久性会直接影响到车辆的舒适性和操纵稳定性[5]。减振器的主要作用是迅速衰减车身和车轮间的相对振动，降低车轮动载，从而改善车轮行驶的平顺性[6]。在减振器的实际工作中，减振器上安装点的受力方向与减振器的轴线方向不重合，这种不重合导致了减振器水平力的产生[7]。水平力过大会导致减振器零件间的摩擦增大，造成减振器活塞杆球头以及其他零件间的摩擦增大，导致减振器失效、车辆平顺性降低[8]。目前，国内外减振器耐久性试验只考虑减振器的垂向载荷，对于水平力的加载则没有统一的标准，这导致试验结果不准确[9]。

本文针对某品牌某型轿车(出租车)在浙江某地特殊路况下大量出现减振器漏油失效的现象，调查了该型轿车的减振器的失效时间和失效里程，并分析了其失效原因。基于实测用户道路载荷，编制了垂向加载谱和水平加载谱，并采用自行编制的加载谱进行了减振器的室内耐久性试验。

1 减振器寿命数据统计与分析

随机选取60辆该型轿车并对司机进行问卷调查。调查结果显示，该型轿车平均每月行驶里程为1.2万km，减振器的失效情况如表1所示。

表1 减振器失效情况

根据统计结果可知，减振器的平均失效时间为8.02个月。该型轿车月平均行驶里程为1.1万km，可以得出减振器的平均失效里程约为8.8万km。其中97%是漏油导致的失效，且车辆前侧减振器失效数量多于后侧，失效情况如图1所示。

图1 减振器漏油失效Fig.1 Failure of damper

2 用户道路载荷谱采集与处理

2.1用户道路载荷谱采集

在用户道路载荷谱采集过程中，应重点采集具有代表性的道路工况。在本文的用户道路载荷谱采集中，根据该地区出租车的实际使用情况，确定了用户道路载荷谱采集路况为：高速路况、城市路况、山区路况、城郊路况，并且按照不同配重情况，在不计驾驶员的情况下，进行1～3人不同配重的用户道路载荷谱采集。共采集了4个减振器垂向、侧向、纵向3个方向的应变及减振器伸缩杆位移共计16个通道载荷数据，采样频率为500 Hz。高于100 Hz的振动对汽车零部件耐久性的影响几乎可以忽略不计，同时为防止其他信号干扰，采集时对信号进行了100 Hz低通滤波[10]。

2.2用户道路载荷谱预处理

用户道路试验采集到的是模拟信号，为了便于计算机处理，首先需要通过信号处理软件将模拟信号转换成数字信号。由于系统误差、人为操作误差、采集环境变化、传感器故障等原因，信号会出现毛刺、数据限幅、零漂、长度不足、混淆等问题，因此必须对其进行预处理。

3 试验载荷谱编辑处理

3.1用户道路载荷谱分析

本文中，按照城市道路、城郊道路、山区道路、高速道路4种路况将所采集到的载荷谱分成4类，并且利用载荷谱处理软件，将相同路况合并成一段载荷-时间历程。用户道路载荷谱是实测得到的随机信号，载荷谱的频率范围广，图2为左前减振器4种路况的PSD曲线(即功率谱密度曲线)，从图中可以看出，减振器伸缩杆在不同路况下的PSD分布大致相同，载荷谱能量集中在0～10 Hz，能量峰值集中在1.47 Hz左右。

图2 左前减振器4种路况PSD曲线Fig.2 PSD of left front damper on different road

3.2试验加载谱编制

为了缩短试验时间，本文采用Sine on Sine(即低频正弦信号上叠加高频正弦信号)的方式构建载荷谱。为了更好地复现随机载荷对减振器耐久寿命的影响，需要确定Sine on Sine加载谱块的低频加载频率、高频加载频率以及各个频率加载次数。试验加载谱具体处理方法如下：

(1)删除无效载荷。由于相同路况组合成一段载荷谱之后，载荷谱中存在大量的无效信号及停车工况，因此在进行载荷谱处理时，需要将这部分无效信号删除，保留实际采集得到的载荷谱。

(3)删除小载荷。在减振器伸缩杆位移载荷谱中存在大量的小幅值载荷，这部分小幅值载荷对减振器的寿命影响很小，因此在进行疲劳耐久试验时删除一部分小幅值载荷，从而提高试验效率，缩短减振器试验的时间。本文中，以最大载荷幅值的10%作为小载荷删除条件[12]。

图3 低频加载频率选取Fig.3 Select the frequency of low frequency load

路况低值频率f1中值频率f0高值频率f2山区0.891.471.99高速1.151.471.98城郊1.091.472.14城市0.961.472.14

(4)低频载荷参数计算。减振器伸缩杆低频信号主要包括加载频率、低频幅值、低频均值这三个参数。加载频率已在表2中求出，低频幅值和均值可通过雨流计数的方法得到。山区路况的雨流计数结果如表3所示。减振器伸缩杆在实际工作过程中，当减振器处于低值频率时，减振器伸缩杆幅值变化大、变化次数少；当减振器处于高值频率时，减振器伸缩杆幅值变化小、变化次数多，而中值频率的幅值变化、变化次数应当处于低值和高值之间。为便于计算，将载荷谱的均值和幅值均分为9级。将前3级幅值的加权平均数作为高值频率的行程，4～6级幅值的加权平均数作为中值频率的行程，7～9级幅值的加权平均数作为低值频率的行程。将9级均值的加权平均数作为低频加载的均值。所以，山区路况下，减振器分别处于低值、中值、高值频率时的伸缩杆行程依次为98.1 mm、49.2 mm、18.3 mm，低频加载的均值为132.3 mm。按照该方法可依次得到4种路况下的低频载荷参数。

表3 山区路况载荷谱均值、幅值二维矩阵

(5)高频载荷参数计算。采用滤波的方法，分别以10～15 Hz、15～20 Hz和20～25 Hz为滤波带宽，得到在该三个频率范围内的载荷信号，以12.5 Hz、17.5 Hz和22.5 Hz作为中值频率，采用与低频载荷参数计算相同的方法来计算幅值和均值。根据每秒内线速度最大的原则，确定了15～20 Hz为高频加载频率，高频加载行程计算结果如表4所示。

表4高频加载行程

Tab.4Highfrequencyparametercalculationresultsmm

路况高频加载频率15.5Hz17.5Hz19.5Hz山区9.55.20.8高速13.87.21.0城郊11.56.00.8城市7.04.10.5

试验载荷谱编制流程如图4所示。

图4 试验载荷谱编制流程Fig.4 Compile test load spectrum

3.3加载谱与用户道路载荷谱当量关系

为了建立加载谱与用户道路载荷谱之间的当量关系，需要确定载荷谱块的加载次数，根据调查结果，山区、高速、城郊、城市4种路况分别占总使用情况的10%、20%、20%、50%。根据雨流计数的结果，以城市路况为标准得到不同路况的加载次数和当量里程，如表5所示。由表5可得出，一个载荷谱块的当量里程为138.3 km。

3.4水平加载力计算

由于载荷谱采集过程中采集到的是减振器的应变信号，为得到耐久试验中所需的水平加载力，需要通过标定试验确定纵向力及侧向力与应变的关系。

表5 载荷谱加载次数

当减振器活塞杆的伸缩量不同时，内部活塞以及活塞杆所处的位置也不同，会影响减振器的侧向刚度，因此在进行减振器纵向力及侧向力与应变关系标定时，需要标定出减振器在不同伸缩量下，力与应变间的关系。

通过标定试验可以发现，减振器在不同的伸缩量下力与应变ε间的比例系数并不相同。左前减振器纵向及侧向应变与力之间的比例系数Kx、Ky与活塞杆伸缩量L间的关系式如下：

Kx=0.0002L-0.0011 (N-1)

(1)

Ky=0.0002L+0.0005 (N-1)

(2)

根据标定结果，结合式(1)、式(2)，可得出左前减振器纵向力、侧向力的计算公式。

左前减振器纵向力

Fx=ε/(0.0002L-0.0011)-9.1067 (N)

(3)

左前减振器侧向力：

Fy=ε/(0.0002L+0.0005)+8.1480 (N)

(4)

根据式(3)和式(4)，结合左前减振器纵向应变、侧向应变和位移三个通道的数据，可得到左前减振器的纵向力-时间历程和侧向力-时间历程，分别如图5、图6所示。按照相同的方法，计算出不同减振器的侧向力-时间历程和纵向力-时间历程。

图5 左前减振器纵向力-时间历程载荷谱Fig.5 Lengthways force-time histories spectrum of front left damper

图6 左前减振器侧向力-时间历程载荷谱Fig.6 Lateral force-time histories spectrum of front left damper

图7 山区路况水平力幅值-时间历程Fig.7 Horizontal force-time histories spectrum on mountain road

在车辆行驶过程中，减振器受到侧向力和纵向力的共同作用，因此将侧向力和纵向力合成为一个合力(即水平力)。山区路况下水平力幅值-时间历程如图7所示。观察不同路况的水平力情况可知，山区路况的水平力最大，去除一部分不符合载荷谱统计规律的载荷，选择山区路况水平力最大值的2/3即恒定值140 N作为水平力加载载荷。

4 台架试验验证

为在室内复现水平力对汽车减振器耐久寿命的影响，本文采用MTS 849减振器冲击测试系统对减振器进行台架试验，如图8所示。垂向载荷通过作动缸进行位移加载，恒定的水平力通过专用夹具来加载。

图8 减振器台架试验Fig.8 Damper bench test

共进行6组减振器台架试验，其中前2组不施加水平力，后4组按照前文所述方式进行水平力加载，试验结果见表6。通过减振器的台架试验可以发现，没有水平力作用的情况下减振器平均寿命为19.13万km，而在水平力作用下减振器平均寿命仅为7.35万km，说明在水平力的作用下减振器的耐久寿命受到了较大的影响。减振器的失效形式均为漏油失效，且寿命与前期调查结果较为符合，说明本文采用的编谱方法可以较为准确地复现该地区该型轿车减振器的工作情况。

表6 试验结果

5 结语

本文针对某品牌某型轿车(出租车)在某地大量出现减振器漏油失效的现象，对其失效原因进行了分析与研究。基于实测用户道路载荷，提出了基于多轴载荷作用的减振器室内道路模拟试验用载荷谱的编制方法。

采用低频正弦信号叠加高频正弦信号的方式加载载荷谱，确定了低频加载频率、高频加载频率及各频率加载次数，有效地缩短了试验时间。根据实测用户道路载荷，确定水平力加载谱。为验证所采用编谱方法的正确性，对减振器进行耐久性试验。试验结果表明，6组减振器的失效均由漏油引起，且在水平力作用下失效里程与调查结果基本吻合，说明采用的编谱方法能较为准确地复现该型轿车在某地区的实际工作情况，且水平力对减振器的耐久寿命造成了较大影响。

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LoadSpectrumCompilationofDamperDurabilityTestsBasedonMulti-axialLoads

ZHENG Songlin1,2WANG Shuo1FENG Jinzhi1,2CHEN Tie1YU Jiawei1

1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai，200093 2.CMIF Key Lab for Automotive Strength & Reliability Evaluation,Shanghai,200093

Traditional damper durability tests only took the vertical loads into consideration and without unified standard for horizontal force loading, which led to inaccurate results. Given this situation, combined with actual user road load, this paper proposed a new method considering load spectrum with the multi-axial loads. With sine on sine method to compilation the load spectrum in order to analyze the failure reason of damper. The half-power bandwidth method and the maximum line velocity principle were employed to determine the low frequencies and high frequencies respectively, then establish durability bench test with multi-axial loads. The test results show that damper’s failure lifes reduce greatly with the horizontal forces and the failure mileage consisted with survey results. It turns out that the spectrum compilation method may be more accurate to reappear the actual working status, and may provide technical support for the damper designs and improvements.

damper; multi-axial load; load spectrum compilation; durability test

U463.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.005

2016-11-16

国家自然科学基金资助项目(51375313)；上海市科委基础研究重点项目(13JC1408500)

(编辑卢湘帆)

郑松林,男,1958年生。上海理工大学机械工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为车辆结构强度与轻量化设计理论。E-mail:songlin_zheng@126.com。王烁,男,1991年生。上海理工大学机械工程学院硕士研究生。冯金芝，女，1973年生。上海理工大学机械工程学院副教授。陈铁，男，1988年生。上海理工大学机械工程学院博士研究生。于佳伟，男，1990年生。上海理工大学机械工程学院博士研究生。