浅谈重型卡车载荷谱采集与疲劳分析

薛黎明 万亮亮 夏德东 彭德文

摘 要：本文介绍了重型卡车载荷谱采集与数据处理流程，阐述了基于载荷谱进行疲劳损伤分析的基本原理。这对重型卡车生产企业建立科学有效的整车耐久试验规范、提高整车疲劳耐久性能与产品市场竞争力具有重要的理论和工程应用价值。

关键词：可靠性;疲劳耐久;疲劳寿命;载荷谱;疲劳损伤

0 前言

随着我国基建和物流业的快速发展，重型卡车的销量快速增长。疲劳耐久性对重型卡车的市场口碑极其重要，因此越来越受到重型卡车整车制造企业的重视。整车疲劳耐久试验主要包括用户道路试验、试验场强化试验、室内台架试验和计算机虚拟疲劳试验。用户道路试验因试验周期长，已基本被试验场强化试验取代。试验场强化试验基于等效损伤原理，通过一系列典型强化路面对整车及零部件的疲劳耐久性进行验证。通过采集目标用户道路与试验场典型强化道路载荷谱并进行疲劳损伤计算，可以得到两种道路的相对损伤关系并制订出与目标用户关联的试验场强化试验规范，从而达到加速试验的目的[1]。室内台架试验是将加速编辑后的道路载荷谱作为输入，通过台架迭代获得试验台架加载谱，在室内台架上复现车辆在试验场道路试验时相同的失效和故障模式，可进一步缩短整车疲劳耐久试验周期。计算机虚拟疲劳试验通过建立整车多体动力学模型并运用虚拟迭代技术，将载荷谱作为输入信号，在整车设计阶段即可对整车进行虚拟疲劳分析和寿命预测[2]。因此，载荷谱是整车疲劳耐久性能研究的基础。

本文介绍了重型卡车试验场载荷谱采集与数据处理的基本方法，对基于载荷谱进行疲劳分析的基本原理进行了阐述。

1 采集系统

载荷谱采集系统参考表1所示。

传感器测试点理论上越多越好，但是由于数采系统通道数及人力、物力、成本限制，测点选择尽量满足采集需要即可。如应变计信号可以直接用于整车及零部件疲劳寿命预测。加速度信号主要作为室内台架试验、计算机虚拟耐久试验的迭代信号或监控信号。车轮相对车架的垂向位移在室内台架道路模拟试验中应用较多。六分力信号是后续制订轴耦合道路模拟机目标谱的重要参考信号。传感器尽量布置在车辆关键部位和对路面激励较为敏感的区域，测点位置的选取要方便布置传感器。

在传感器布置后，应对传感器进行必要的保护，比如在应变片表面涂绝缘胶水，以免应变片受猛烈冲击而损坏。在发动机或排气系统附近的传感器表面裹上几层隔热胶带或使用隔热锡纸，避免因高温导致的传感器损伤和测试数据不准确问题。

2 采集过程

在进行载荷谱采集前，应先了解用户用途目标，主要包括车辆的负荷情况、行驶的道路种类、在各种道路上行驶的速度和里程等信息。根据用户用途目标，确定试验场载荷谱采集程序。试验车辆根据试验需求配重，配重物要固定牢靠，在采集过程中不得发生晃动和颠离。

在完成采集设备和传感器安装调试后，由专业驾驶员驾驶试验车辆，测试工程师随车进行载荷谱采集，采样率为1 024 Hz。在正式测试前应先进行预测试，以检查设备、传感器有无异常情况。采集过程中，驾驶员应严格按照路试程序驾驶车辆，测试工程师实时监控测试信号有无异常。车辆行驶到一种强化路面时，按下逻辑开关，离开时再按一次，方便在后期根据逻辑开关信号对各路面信号进行截取。考虑到不同用户驾驶习惯的差异，可以由3名驾驶员驾驶试验车辆，各采集3次。

3 数据校验与预处理

3.1 有效性校验

为不影响后续分析结果的准确性，应首先对采集数据的有效性进行校验。首先，检查车速是否符合试验规范要求。然后对采集的时域信号进行观察，高质量的信号曲线光滑且有一定的规律性（幅值在均值上下呈对称分布）。轴头加速度信号幅值一般不超过30g，安装在车辆左右对称位置的传感器，信号幅值应具有较好的重合度。从频谱上观察，测试信号幅值一般服从正态分布，且路面激励在80 Hz以下。将采集的9组信号从时域、频率、幅值域进行对比，三者应该具有较好的重复性。对悬架系统上测得的加速度和位移信号，可通过积分数学计算相互验证信号的有效性。

3.2 异常数据处理

载荷谱采集过程中，由于各种不确定因素干扰可能导致信号出现各种异常，如毛刺、趋势项。信号中的“毛刺”一般是由于电干扰或意外的物理撞击所引起的，其信号幅值远大于附近点的幅值。趋势项的产生一般是由采集系统零点漂移或温度变化引起，其信号轴线脱离横轴，呈直线上升或下降趋势。毛刺与趋势项等异常信号会导致信号失真，在后续计算过程中导致不可预知的结果[3]。可以利用Glyphworks模块进行数据修正，消除信号毛刺和趋势项。

4 疲劳分析

4.1 疲劳性能曲线（S-N曲线）

疲劳寿命估计与疲劳损伤计算主要依赖于材料的S-N曲线（图1）。S是恒定幅值应力，N为与之对应的应力加载下疲劳件发生疲劳破坏循环次数，即寿命[4]。

4.2 Miner线性累积损伤理论

S-N曲线只能解决特定载荷的疲劳寿命计算，但事实上汽车行驶时受到的载荷是动态变化的，没有办法直接查询S-N曲线来计算疲劳损伤值，于是出现了累积损伤理论。

根据累积损伤理论，构件在承受随机载荷作用下工作时，其疲劳破坏是在不同幅值的应力循环作用下所造成的不同大小的损伤逐步累积的结果。Miner线性疲劳累积损伤理论是目前应用最为普遍的疲劳累积损伤理论，根据Miner理论，构件的疲劳损伤可以直线累积，总损伤量为D，当D=1时，结构发生疲劳破坏，当D≠1时，其倒数为零件可服役的次数，即其寿命。

4.3 计数法

使汽车零部件产生疲劳损伤的主要原因是载荷幅值和载荷循环次数。汽车行驶过程中采集到的载荷-时间历程，具有很大的随机性，没有办法直接用于疲劳损伤的计算，必须对其进行统计处理。从载荷的随机信号中统计识别出不同大小级别载荷循环的次数的过程叫“计数法”。目前，在国内外工程中应用最为广泛的是雨流计数法。时域载荷数据经过雨流计次处理，得到各种形式的累计频次分布，称之为载荷谱。载荷谱是一种具有统计特性的图形，能从本质上反映零件的载荷变化情况。雨流计数法的过程，可以利用Glyphworks软件完成

5 结论

本文介绍了重型卡车载荷谱采集与数据处理流程，对基于载荷谱进行整车疲劳分析的基本原理进行了阐述。载荷谱对于重型卡车这类承载运输类车辆的疲劳耐久性能的研究非常重要。

参考文献：

[1]江毓，王晓磊，郑燕萍，等.与用户使用关联的整车耐久性试验方案确定[J].时代汽车，2017（6）：81-83+85.

[2]谢志强，裴照地.载荷谱在汽车上的应用[J].南方农机，

2015（8）：48+68.

[3]赵晓鹏，冯树兴，张强，等.越野汽车试验场载荷信號的采集及预处理技术[J].汽车技术，2010（9）：38-42.

[4]LEE Y L.张然志译.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京：国防工业出版社，2011：32.