轿车悬架台架多轴疲劳试验载荷开发

刘再生 霍福祥 王长明 李 响 赵 晋

（中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车振动噪声和安全控制综合技术国家重点实验室）

1 前言

汽车零部件试验室台架疲劳试验具有试验周期短、试验结果重复性好等优点，因而已成为应用最广泛的汽车疲劳试验方法[1]。有效的零部件台架疲劳试验可重现实际使用中的故障和在较短时间内完成试验，对于承受多轴工作载荷的汽车零部件，通常只有进行多轴随机加载台架试验才能真实复现道路行驶载荷，重现实际使用中的故障。电液伺服试验系统和RPC试验技术[2，3]的发展为实现台架疲劳试验多轴随机加载提供了良好手段，可利用试验机制造商提供的台架多轴疲劳试验设备进行试验，也可利用零部件疲劳试验系统通过作动器和试验夹具集合实现多轴疲劳试验[1]。进行有效的台架试验还需要合理制定台架试验载荷谱，为此，以某C级车前悬架（完整的悬架系统及副车架）多轴疲劳载荷的开发为例，探讨了道路载荷谱测试参数和测试工况的确定及载荷谱浓缩的编辑方法，并进行了台架试验载荷谱的质量分析。

2 道路载荷谱采集

台架试验载荷谱是通过汽车道路测试载荷数据编辑形成的。台架疲劳试验要重现实际使用中的故障并实现台架疲劳试验的加速性，主要取决于合理的载荷谱测试参数和道路载荷谱测试工况。

2.1 载荷谱测试参数

载荷谱测试参数是台架疲劳试验的载荷控制量，载荷谱测试参数可以是试验件关键部位的应变[4]，也可以是试验件的输入工作载荷[2，4]。通常试验件的应变较容易测试，但以此应变作为试验载荷控制量存在缺点，因为零件的应变与零件的几何形状、应力集中、表面处理、材料性能、焊接质量等特性密切相关，当部分特性发生改变（如进行零件质量改进时）时零件的应变也随之改变，由此产生的台架试验周期也会发生变化。另外，试验件的输入载荷控制比关键部位应变控制能更全面重现试验件各部位的工作应力和应变。理想情况下，产品验证试验载荷和周期是独立的试验件任何部分的具体设计，试验载荷和周期应该只依赖于产品的开发目标（公路、越野路或市区道路行驶等使用条件和寿命里程）。

通常汽车零件多轴载荷测量较困难，而车轮六分力传感器的引入为轿车悬架工作载荷测试提供了方便。车轮载荷作为轿车悬架载荷输入，不仅可重现悬架各组件的工作应变循环，同时基本上独立于任何零件的特定设计，组件属性的改变（如一个缺口半径或焊接工艺改变）对悬架载荷的影响很小，车轮载荷只有在悬架系统的动态特性 （固有频率和阻尼比）改变时才会发生显著变化。试验用C级车车轮载荷的测试采用了MTS公司生产的车轮六分力传感器，其可准确测试路面对车轮在3个坐标方向的作用力 Fx、Fy、Fz和力矩 Mx、My、Mz，其安装位置如图1所示。

2.2 道路载荷谱测试工况

近年来，某汽车制造厂采用关联用户用途的试车技术[5]建立了各系列车型的汽车承载系耐久性道路行驶规范，该类规范通过汽车试验场各种典型路面与不同车速行驶和制动、转弯等工况下的组合，以及与用户车载荷、行驶道路和路况、车速、操作方法等使用条件相关联，实现了道路试验与用户使用损伤情况较好的一致性，并具有10倍以上的试验加速系数。因此，采用关联用户用途的汽车耐久性道路行驶规范，在汽车试验场对某C级车载荷谱进行了测试。该测试方法不仅可节省测试时间和费用，同时也利于台架试验载荷的强化。图2为汽车耐久性试验规范中工况4（最大载荷工况）时的左前车轮测试载荷时间-历程信号，该工况包括卵石路、比利时路、扭曲路等不平路段的行驶、制动和转弯等大载荷情况。

3 疲劳载荷谱编辑

疲劳载荷谱编辑是指对测试载荷数据进行浓缩处理，以达到台架试验加速的目的。载荷谱的编辑可通过计算机自动处理和人工分析共同完成。

3.1 疲劳载荷谱编辑基本原理

图3和图4分别为雨流计数原理和损伤当量幅值折算与累积损伤计算图。对测试的时间-历程信号进行雨流计数[6]得到各级载荷幅值和循环次数，通过S-N曲线[7]和Miner累积损伤理论可计算测试信号的伪损伤和进行损伤当量不同幅值下的循环次数折算。基于这种疲劳损伤理论，可通过删除测试信号中的小幅值信号或放大信号幅值及提高试验频率等方法达到缩短试验时间的加速试验目的[8]。为避免载荷增大造成零件损伤机理发生改变，不推荐在台架试验中放大载荷信号[2，8]。对于多轴载荷谱的编辑要保持浓缩信号相位不发生改变。

对于多轴载荷浓缩，通常采用峰谷值编辑或时间域编辑[9，10]。目前有多种商品软件可实现这2种浓缩方法的信号自动处理。该C级车车轮载荷谱的编辑采用了FEMFAT LAB软件。

3.2 峰谷值编辑

峰谷值编辑时，首先设定门槛值，然后删除测试信号中低于门槛值的小幅值循环信号。此编辑方法可大大缩短信号长度，同时保持各轴（通道）载荷信号峰值相位不变。由于此种编辑信号频率发生改变，不适合自由体振动类型的台架疲劳试验。

取门槛值为最大幅值的5%，对工况4情况下的C级车左前车轮测试载荷进行峰谷值编辑，结果如图5所示。由图5可看出，信号长度由487 s（图2）缩短到83 s，时间浓缩了83%，伪损伤减少小于1%。

3.3 时间域编辑

沿时间轴计算各轴（通道）的疲劳损伤，以信号损伤或长度等参数为浓缩目标，同步删除所有通道数据中小损伤时间段的信号。一段信号删除后，可能在前、后保留信号的连接处有的信号跳跃，因此需要采用平滑曲线对保留信号进行连接。由于该种编辑方法是整段删除小损伤区域信号，所以保留部分的信号不会发生任何改变。

取长度25%为信号浓缩目标，对工况4情况下的C级车左前车轮测试载荷进行时间域编辑，图6为浓缩编辑结果。由图6可看出，浓缩信号损伤为原始信号的90%；卵石路段和比利时路段行驶为损伤的主要组成部分；制动等低频大幅值信号在时间上没有浓缩。

3.4 低通滤波与频率分析

电液伺服试验系统有一定工作频率范围。根据实际使用的疲劳试验系统的工作频率特性，需要对驱动载荷信号进行40Hz低通滤波，以去掉高频信号。图7为C级车左前轮纵向载荷Fx原始测试信号、编辑信号和编辑信号的滤波信号的功率谱密度曲线。由图7可看出，时间域编辑信号的能量频率分布与原始测试信号相近；由于高频区域能量增大，峰谷值编辑信号的能量频率分布发生了明显改变；低通滤波会产生信号强度的一定降低，特别对峰谷值编辑信号有较大影响。

3.5 编辑信号质量检查

台架试验可重现实际使用中的故障，在对多轴载荷信号进行编辑时，除要保持各载荷相位关系不变外，还要尽量保持各轴浓缩载荷对原始测试载荷的相对损伤相同（各轴载荷均匀浓缩）。图8为各轴载荷浓缩和滤波信号与测试信号相对伪损伤及其均值和标准差计算结果，时间域浓缩信号强度与峰谷值浓缩信号相近，时间域浓缩信号各轴载荷浓缩均匀性优于峰谷值浓缩信号。由此可知，时间域浓缩信号质量优于峰谷值浓缩信号。通过多轴雨流分析（图9）也可方便和全面地完成编辑信号质量检查。

3.6 形成台架试验载荷谱

根据以上载荷谱编辑分析，以时间域编辑为基础形成台架试验载荷谱。台架试验载荷谱以卵石路段、比利时路段和制动及转弯等大损伤工况为主。对制动、转弯等特殊工况在时间域编辑时没有浓缩的部分信号进行频率浓缩的特殊处理，以缩短试验时间，结果见图10。最终形成的台架试验载荷谱各轴载荷与测试载荷一致性良好（见图11），用户行驶30万km损伤当量的台架时间为166 h。

4 结束语

以某C级轿车悬架零部件的试验载荷开发为例，探讨了多轴疲劳载荷谱浓缩的编辑方法、台架试验载荷谱的质量检查技术及载荷测试参数和道路载荷采集工况的确定。选择合理的试车规范在试车场进行载荷谱测试利于台架试验加速。以车轮载荷为测试参数，当悬架零件发生一定改变时，台架试验载荷谱仍然有效。浓缩载荷谱质量分析是台架多轴疲劳试验载荷开发的重要环节。质量分析表明，案例中的C级车悬架时间域编辑载荷谱优于峰谷值编辑载荷谱。以时间域编辑为基础，结合本文提出的特殊载荷频率浓缩处理，该C级车悬架零部件台架试验载荷达到了理想的加速效果和各轴损伤的一致性。

1 王霄锋，田应刚，冯正平，等.轿车前悬架多轴向加载模拟疲劳试验系统.汽车技术，2001（7）：20～23.

2 Ragnar Ledesma,Leonard Jenaway,Yenkai Wang，et al.Development of Accelerated Durability Tests forCommercial Vehicle Suspension Components， SAE Paper， 2005－01－3565.

3 陈忠良，等.室内整车可靠性道路模拟试验方法.北京汽车，2005（2）：10～13.

4 孙春方.T－car后桥台架疲劳试验研究.汽车技术，2006（1）：23～26.

5 David F Ensor，林晓斌译.关联用户用途的试车技术.中国机械工程，1998，9（11）：24～26.

6 YungLi Lee， Jwo Pan， Richard B Hathaway， et al.Fatigue Testing and Analysis：Theory and Practice，Butterworth －Heinemann，2004.

7 王文阁，等.疲劳寿命曲线特性研究及在汽车部件疲劳试验优化中的应用.汽车技术，2005（11）：19～20.

8 王秋景，管迪华.汽车零部件加速疲劳试验方法.汽车技术，1997（1）：14～17.

9 金峰.加速疲劳试验的疲劳编辑技术探讨.上海汽车，1999（2）：17～21.

10 Ian M Austen，林晓斌译.加速疲劳试验的疲劳编辑技术.中国机械工程，1998，9（11）：27～30.