轻型车后桥二维载荷谱及其疲劳寿命预测

郭利敏++袁月

摘 要：汽车后桥作为汽车底盘的关键零部件，承受来自路面和车辆本身的各种冲击和作用力，其刚度和强度对于主减速器和差速器齿轮的正常啮合及半轴的正常工作和后桥各部位轴承的受力及寿命有着重要意义。本文结合轻型车后桥二维载荷谱的关键技术，对其疲劳寿命预测进行了研究和分析。

关键词：轻型车后桥；二维载荷谱；疲劳寿命

随着全球日趋激烈的竞争和用户对产品的安全性、耐久性及可靠性日趋关注和重视，对承载型车辆的质量、寿命和可靠性提出了更高的要求。驱动桥作为承载汽车传动系的最后一个大总成，其主要功能是增大扭矩并将其分配给左右车轮，并通过差速器实现左右车轮在转弯或不平路面行驶时所要求的差速功能；同时，驱动桥还承受来自路面和车辆本身的各种冲击和作用力，其工作环境极为恶劣。驱动后桥作为主减速器和差速器等的外壳起着支撑车辆荷重和将车轮上的牵引力、制动力、垂向力等传递给车架的作用。因此后桥的刚度和强度对于主减速器和差速器齿轮的正常啮合及半轴的正常工作有着重要意义。

一、二维载荷谱的均值

实际上零件和构件所承受的循环载荷是一个连续的随机过程，利用雨流法计数结果，选取幅值和均值作为两个随机变量，采用二维随机变量的统计分析理论对双参数计数结果进行统计分析，建立二维概率密度函数，从而完成了由实测子样到推断母体的分布。已知母体分布后，便可求得均值和幅值变化范围及其取值概率，进而得到二维载荷谱。建立二维载荷谱需要得到均值与幅值的全部信息，只有采用双参数计数法。由于雨流法在计数原理上与实际工作载荷对金属零件的循环应力-应变较相似，有坚实的力学基础，在计数方法上便于用计算机完成，因而得到广泛的应用，近年来被认为是最有效的计数方法。根据雨流计数法的结果可以把载荷时间历程处理成为包含幅值和均值全部信息的雨流矩阵。均、幅值矩阵是雨流计数法给出的雨流矩阵之一，将该矩阵转换后，得出均值、幅值的边缘累积频次分布曲线。

二、道路载荷谱采集分析

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，也可以是试验件的输入工作载荷。通常试验件的应变较容易测试，试验件的输入载荷控制比关键部位应变控制更能全面重现试验件各部位的工作应力和应变。理想情况下，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）。车轮载荷作为汽车车桥及悬架载荷输入，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。试验用车轮载荷的测试采用了MTS公司生产的车轮6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。近年来，大多数企业采用关联用户用途的试车技术建立了汽车疲劳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，与关联用户用途的汽车载荷、行驶道路和路况、车速、操作方法等使用条件相关联，使道路试验与用户使用损伤情况一致性较好。因此，采用关联用户用途的汽车耐久性道路行驶规范，在汽车试验场对汽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。

三、结构疲劳寿命预测方法

（一）常规疲劳设计方法

常规疲劳设计方法也称为名义应力法，它以名义应力为设计参量来估算结构的疲劳全寿命。该方法是最早使用的抗疲劳设计方法，以积累了大量的材料数据和工程应用经验，是目前工程上常用的较可靠的抗疲劳设计方法。名义应力法从材料的 S-N 曲线出发，考虑各种影响构件疲劳寿命的因素对材料 S-N 曲线进行修正，进一步得到构件的 S-N 曲线。S-N曲线在双对数坐标中为分段直线。其中无限寿命设计法使用的是 S-N 曲线的水平部分，即疲劳极限；而有限寿命设计法使用的是 S-N 曲线的斜线部分。对于变幅应力下的疲劳寿命估算，则需对应力-时间历程进行计数处理，再结合 Miner 法则等损伤累积理论进行寿命估计。

（二）局部应力应变法

局部应力应变法一般用于应力水平较高的低周疲劳问题，它的设计思路是，构件的疲劳破坏都是从应变集中部位的最大应变处起始，并且零构件的整体疲劳性能取决于最危险区域的局部应力-应变状态。用弹塑性有限元法或修正 Neuber 法等获得缺口处的局部应变-时间历程，经雨流计数法等计数处理，结合应变-寿命曲线和疲劳损伤累积理论即可估算裂纹萌生寿命。用局部应力应变法估算出裂纹萌生寿命以后，再用断裂力学方法估算出裂纹扩展寿命，两阶段寿命之和就是构件的总寿命。

（三）损伤容限设计

损伤容限设计就是以断裂力学为理论基础，以无损检验技术和断裂韧度的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹构件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，确保构件在使用期内能够安全使用的一种抗疲劳设计方法。损伤容限设计的关键问题，是正确估算裂纹扩展寿命。装载机驱动后桥在台架试验和实际运行中，其失效一般表现为低应力高周疲劳，因此本文选用名义应力法进行后桥总寿命的预测。对于名义应力法，后桥强度有限元分析获得的弹性应力/应变响应即可满足需求。

四、结束语

由于车辆实际工作中后桥承受的应力水平低于后桥材料的疲劳极限，后桥的疲劳属于高周疲劳问题，利用nSoft 软件的应力疲劳分析模块，导入各测点的绝对值最大主应力-时间历程，并结合构件 S-N 曲线和 Miner 累积损伤理论即可估算后桥的疲劳寿命。选用 BS7608 标准中 F 级标准 S-N 曲线，根据台架试验加载情况施加载荷-时间历程。在后桥疲劳寿命计算的过程中，考虑了平均应力的影响，应用 Goodman 公式进行了修正，最后计算得到的焊缝疲劳寿命分布。从而得出，后桥寿命的薄弱位置，以及脉动循环载荷的承受拉应力和疲劳损伤程度。

参考文献：

[1]王德俊.多轴疲劳强度[J].科技与企业，2014.

[2]胡俏.疲劳可靠性设计方法的研究[J].企业文化，2015.