基于雨流法的汽车前下控制臂疲劳耐久实验方法设计

（南京星乔威泰克汽车零部件有限公司，南京市，210000） 张 虓

（南京理工大学紫金学院，南京市，210000） 黄 田 张子尧

1 控制臂结构与受力

1.1 前下控制臂试验研究

本文主要研究对象为麦弗逊式悬架。麦弗逊式悬架将减振器作为引导车轮跳动的滑柱，螺旋弹簧与其装于一体。这种悬架将双横臂上臂去掉并以橡胶做支承，允许滑柱上端作少许角位移。内侧空间大，有利于发动机布置，并降低车子的重心。车轮上下运动时，主销轴线的角度会有变化，这是因为减振器下端支点随横摆臂摆动。以上问题可通过调整杆系设计布置合理得到解决。

1.2 控制臂受载情况

在对汽车悬架控制臂进行强度分析时，此构件比较特殊，在汽车行驶的过程中，汽车悬架控制臂始终绕着与副车架连接的内侧铰点摆动，是一个运动件。汽车悬架控制臂与衬套之间，衬套与螺旋之间为过盈配合，衬套通过芯部的螺旋固定在副车架上。

汽车悬架控制臂中衬套绕螺栓的设计扭转刚度为7N·m/deg，汽车悬架控制臂的长度为500mm，假设车轮上跳的最大高度为50mm，则衬套受到的扭矩的大小为50N·m，汽车悬架控制臂受到同样大小的反扭矩作用，但该扭矩与实际工况下内侧铰点其它各平动方向的载荷相比值极小，故汽车悬架控制臂受力分析时控制臂的转动自由度不受限制。并由工件在实际工况中的失效情况选择相应传感器的贴片位置。

2 雨流计数法与循环载荷的转化

2.1 雨流计数法

雨流计数法是在20 世纪50 年代，由Matsuiski和Endo等人考虑材料应力-应变行为而提出的一种双参数计数方法，计数结果用应力幅值和应力均值的向量来表示。该算法考虑到应力-应变间的非线性关系，认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，并且其塑性性质表现为应力-应变迟滞回线。同时，应力—时间历程的每一部分都参与计数，且只计数一次。

运用雨流计数法将试验采集到的路面谱载荷离散化，提出所有的全循环，在将剩下的半循环载荷作为一个新的完整的载荷-时间历程进行下一阶段的计数，并再一次的提出所有的全循环。计数循环的总数等于2个阶段的计数循环之和。在试验过程中，每个全循环的交变幅值和应力均值都会被计数。最终根据数据可以获得带有均值和幅值双参数的路谱载荷雨流图。

2.2 局部应力应变法

控制臂在外部的不断受力情况下会产生疲劳受损，直至达到材料的疲劳极限，产生相应的裂纹。外部载荷用应力幅值、平均应力和循环次数来代替。此三部分在疲劳损伤总量恒定的情况下相互制约影响。循环次数与应力幅值呈反比关系；当平均应力相同时，应力幅值增加而循环次数减少；在载荷循环次数不变的情况下，平均应力增加而应力幅值减小。

不同材料所反映出的疲劳极限可通过对应的应变-寿命方程来表示：

其方程可表示为：

考虑到平均应力σ0和应力均值σa对材料疲劳状态的影响，可将材料应变-寿命曲线方程表示为：

2.3 Miner准则（疲劳累积损伤理论）

Miner准则形式简单，使用方便，且在多数情况下其寿命优算与试验结果有相当程度的吻合。

通过测量各级应力的频次与零件σ—N曲线上的理论频次之比的累积值就得到零件的损伤量，如图3 所示，若试件受到σ1，σ2，…，σn个不同应力水平的作用，试样在各级应力水平下的寿命分别是N1，N2…，Nn，而各级应力水平下的实际循环数为n1，n2，…，nn。

式中：NO为疲劳极限对应的疲劳寿命

式（1）就是Miner理论的基本表达式，当该表达式值D=1时，试件理论上将被疲劳破坏。

2.4 转化过程

随机路谱信号计数完成后，可获得路谱载荷雨流图，即一系列的循环载荷及其应力均值和交变幅值。在已知零件所用金属材料实际应力—应变情况的下，推算零件受力位置应变值，并使用当量应力集中系数kt修正名义应变值为实际局部应变值。

其中，引入的件当量应力集中系数kt，它可反映出材料对局部应力集中和型面缺口影响的敏感度。不同的零件几何形状、材料类型、材料厚度、缺口尺寸及外力加载方式等都会影响kt的取值。

3 试验载荷实例分析与数据比较

3.1 试验设备和道路载荷谱的采集

在实际工况中，控制臂主要在加速、制动、过坎时承受纵向力，以及在转向时承受侧向力，而对于垂向力前下控制臂只是抵消前后橡胶衬套被扭转变形时产生的一些结构反力垂向力主要由弹簧来承受，这样作用在控制臂的垂向力在数量级上远小于纵向力和侧向力，所以在文中前下控制臂受载分析时忽略垂向力，只考虑侧向力和纵向力。

试验收集的载荷分别为前下控制臂球头处的纵向力Fx和侧向力Fy，载荷谱如图2所示。

图1 道路载荷谱图

在道路载荷谱采集过程中，因传感器实际安装于车轮轮心和稳定杆拉杆处，故获取的原始信号并不能直接等效为道路耐久受力状态，为此采取参数调整的方法来确保信号等效精度。基于该车型前悬子系统结构及动力学模型推算出调整参数初值，并通过数次台架试验来修正参数，将轮心和拉杆处的原始信号乘以优化调整参数并将信号转化为副车架受力时序信号。调整后的时序道路载荷谱信号还需要经过数据平稳性检验、各态历经性检验、正态分布检验和测量精度检验等步骤，用以去除奇异项和趋势项。在保证恒定损伤的前提下，使用雨流法转化经预处理后的信号，即将实车采集载荷信号转化为可用于在台架中使用的循环载荷和对应的循环次数。

3.2 对比分析

采用美国MTS试验系统作为动力装置，在已搭建好的前副车架试验台架上，采用左右对称同相位的加载方式，分别于2个方向（控制臂球头处的纵向力FX、侧向力FY）如图2所示。

图2 试验台架搭建图

轮胎前后11.25 万+左右11.25 万回：基准荷重TC前后7.5万回+左右7.5万回+1.3倍荷重轮胎前后1.875万回+左右1.875万回

轮胎前后22.5 万回+左右22.5 万回：基准荷重TC前后7.5万回+左右7.5万回+1.3倍荷重轮胎前后3.75万回+3.75万回

图3 试验结果图

图4 大载荷试验结果图

4 结论

通过对某车型控制臂受载情况分析设计相应的试验台架，基于雨流计数法，研究了将道路载荷谱数据转化为循环载荷的方法及控制臂各项载荷的模拟试验方法。根据累计疲劳损伤，材料应力应变原理，对实验数据的准确性予以评判。所得实验结果在满足实际工程领域使用的同时，其准确性也得以佐证。

表1 轮胎前后左右耐久数据

表2 轮芯前后耐久试验

表3 大载荷的试验结果

但值得探讨的是，现在基于有限元分析软件所得结果由于其边界条件和载荷设置的局限性以及衬套，球铰的材料和控制臂的本体不同导致实际试验所得结果存在一定的差异。同时，试验所得结果虽然能较为客观的体现工件受载情况，但由于试验人员的随意态度导致试验台所表达的工况与实际车辆行驶中工况也依然存在一定的差距。设计试验时应综合考虑实际工况与仿真结果，二者相结合进行分析去获得严谨准确的试验结果。