轿车底盘零部件疲劳耐久加速试验载荷谱转化研究

于北溟

（上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805）

中国是汽车产业大国，2020年中国汽车保有量达到了2.81亿辆，较2010年的7 801.83万辆提升了3倍之多。即便如此，中国的汽车保有量与发达国家相比还是处于较低的数量，仍然有巨大的提升空间。习近平总书记曾经提出“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路”。2020年11月，国务院办公厅发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》更是明确了新能源汽车产业的发展方向，中国将会是一个巨大的汽车市场。

一个巨大的汽车市场势必会增加汽车研发的需求。虽然新能源汽车不需要在发动机和变速箱的开发上投入成本和精力，然而在底盘零部件的开发上，传统的燃油汽车和新能源汽车的需求都是巨大的。底盘零部件是汽车重要的部件，可以看成是汽车的骨架。它可以为乘客阻隔来自行驶过程中路面带来的振动和噪声。同时副车架、悬挂和摇臂等零部件组成的车桥也是汽车重要的安全部件，它的疲劳可靠性在整车的安全性中扮演着极其重要的角色。

因此，对于底盘零部件的开发，都需要对其进行结构性能的仿真以及耐久性能的试验。考验副车架性能的传统方法为道路测试，需要专业人员驾驶车辆在不同的路况上进行大约3个月左右的道路耐久试验，该方法需要耗费较长的时间[1]。因此人们通过研究道路载荷谱，使用雨流计数法，结合材料循环应力曲线和疲劳损伤理论，将实际道路载荷等价转换成循环载荷，并且应用于底盘零部件的加速耐久台架试验。可以大大缩短开发周期和成本。

1 路谱采集

1.1 底盘零部件应变片的布置

为了能了解底盘零部件在车辆行驶时受到的影响，首先需要对底盘零部件进行路谱采集。路谱采集的方式有很多种，例如采用加速度传感器采集对应位置的力的情况。这种方式因为只能采集一个方向的力，所以通常将加速度传感器安装在汽车负重的轮轴处。通过测量该处的时域加速度来间接计算路面的功率谱。图1为在轮毂处使用加速度传感器采集路谱数据。

图1 加速度传感器

为了完全地反映副车架零部件所受到的力的情况，我们通常使用应变片来采集路面对底盘零部件的应变。图2为在控制臂上贴应变传感器采集应变信号。在控制臂的两侧均匀分布2个半桥应变片组成一个全桥回路，可以补偿温度和拉压对数值的影响，准确地反映出样件受到的载荷应力。图3为在减震器上张贴应变片，可以采集减震器受到的拉压应变，为迭代提供参考。

图2 控制臂应变片

图3 减震器应变片

1.2 应变片的标定

在需要采集应变的底盘零部件上贴好应变片后，需要进行应变片的标定，从而获得力和应变的关系。图4为控制臂应变片的标定台架。控制臂的一端固定在立柱上，另一端通过U型夹具和力传感器连接。传感器的左侧通过导向和作动缸连接。

图4 控制臂应变片标定台架

使用作动缸给予控制臂一定范围内的载荷，通过数据采集器读出应变信号和力传感器的力信号绘制出控制臂的载荷-应变曲线，如图5所示。横坐标为控制臂受到的载荷，kN。纵坐标是控制臂上的应变信号，mv/v。当应变片产生形变时，其电阻值会发生变化，根据所提供的激励电压可以得到一个响应电压的值，这样就将电阻值的变化量转化为了电信号的变化。

图5 控制臂载荷-应变曲线

1.3 道路载荷谱采集

将贴有应变片的零部件安装回试验车内，并将试验车辆放置于四立柱试验室并播放测试道路谱（如图6所示），可以得到底盘零部件在该测试路段的道路载荷谱。

图6 四立柱试验室采集道路载荷谱

四立柱试验室可以在室内对车辆进行道路模拟。在车辆的四轮下面分别有四个作动缸，通过播放迭代好的道路载荷谱信号可以使作动缸对车辆四个轮胎产生作用力，真实模拟车辆在实际道路行驶的状况。从而得到底盘零部件在试验车辆行驶过程中的时间-应变曲线。再结合底盘零部件应变片的标定结果，可以得到该零部件的道路载荷谱，如图7所示。横坐标为时间，纵坐标为底盘零部件在车辆行驶过程中受到的作用力。

图7 底盘零部件道路载荷谱

获得了道路载荷谱之后有两种方法考察该零部件疲劳寿命和失效形式。第一种方法是迭代法：首先根据实车将信号筛选滤波后用专业的工程软件进行模拟，模拟出来的信号可以通过作动缸在台架上进行播放。该方法的好处是实际试验过程中可以极大程度地还原零部件在实车行驶过程中受到的作用力，缺点是非常耗时，因为即使是滤波后的信号中也夹杂着非常多对零部件本身寿命没有影响的小信号。因此在某些场合下，为了快速考察零部件疲劳寿命和失效形式，可以通过疲劳理论将该随机道路载荷谱转化为幅值一定的定载荷。该定载荷对零部件的作用效果和原随机道路载荷谱基本一致，并且可以大大缩短试验时间，降低成本。

2 疲劳理论介绍

2.1 材料S-N曲线介绍

S-N曲线反映了样件载荷和寿命的关系。纵坐标S代表的是循环应力，横坐标N表示应力循环次数，如图8所示。

图8 S-N曲线

S-N曲线可以真实地反映出材料疲劳载荷和寿命的关系。通过材料S-N曲线，再结合样件的载荷谱，可以计算出零部件的损伤率和寿命[2]。

典型的S-N曲线公式：

式中，La为应力幅，通常等于应力范围的一半。应力范围指的是一个循环中最大应力Lmax与最小应力Lmin的应力差。以图7载荷信号极值为例，最大应力力Lmax=12.8 kN，最小应力Lmin=-11.2 kN，则最大应力幅LaMAX=。N表示在某个应力幅La的状况下的疲劳寿命循环次数，C是疲劳强度直线的常数，k是疲劳强度直线的斜率。这两个系数可以通过回归分析得出。

2.2 雨流计数法

由于采集得到的道路载荷谱是一段非周期性的随机时域信号，通过迭代可以实现道路载荷谱在台架上的模拟。然而通过雨流计数法，将采集得到的道路载荷谱简化为若干个循环次数确定的定载荷，通过疲劳累积损伤理论估算，可以制定出正弦循环载荷和次数，大大简化了试验的迭代，实现在短周期内模拟底盘零部件的疲劳过程。图9为将采集得到的道路载荷谱进行雨流计数法后得到的统计结果。其中Y轴为该道路载荷谱的均值，Z轴为出现的循环数，X轴为幅值。

图9 道路载荷雨流图

2.3 疲劳累积损伤理论

在循环载荷的交变作用下，每一段循环的疲劳损伤会积累并产生作用。Miner损伤累计理论认为每一段循环载荷都会产生对应的疲劳损失量。当汽车行驶在路面上的时候，路面对汽车产生的激励会使底盘零部件产生交变应力。在这个过程中，疲劳损伤逐渐累积，当累积到一定程度后，疲劳破坏就会发生。疲劳损伤累计的公式：

式中，D为总损伤，Di为各个交变载荷Lai造成的损伤，ni为交变载荷Lai作用的循环次数，Ni为底盘零部件在该载荷的作用下的疲劳寿命。图10为道路载荷谱在x-y面的平面分布图，横坐标和纵坐标分别表示载荷的幅值和均值。方格内的数字表示该循环载荷的循环次数。

图10 道路载荷分布平面图

2.4 载荷谱编制

结合S-N曲线计算公式（1），首先定义一条伪损伤曲线公式。其中C=105，k=4。将雨流图得到的各应力幅值带入公式（1）中可得到该应力幅值的疲劳循环次数N。再结合式（2）以及该应力幅的循环次数可以得到此应力幅级对应的损伤。以最大应力幅为例，LaMAX=12 kN，可以得出NMAX=4.822，该应力幅的循环次数nMAX=1，则该循环载荷造成的损伤为DMAX=0.207。以此类推，得到该道路载荷谱造成的总损伤为D=1.058。随后根据式（1）以及式（2）可得：

定义转化后的定载荷循环次数n=5 000，将D，n，C以及k的值代入式（3），可以得出转化的定载荷幅值La≈2.145 kN。该随机道路载荷谱被转化为了定载荷，如图11所示。

图11 转化后定载荷谱

3 结论

本文概述了底盘零部件加速疲劳试验载荷谱的获取方式。首先对目标样件进行道路载荷谱的采集。通过贴应变片的方式，记录底盘零部件在车辆行驶过程中发生的应变。再通过标定得到的比例系数得到一条载荷-时间的随机路谱信号。然后使用雨流计数法对这条随机路谱信号进行分析，可以拆解成有限个循环载荷。随后结合疲劳损伤累计理论，可以计算出一个应力幅一定的循环载荷。这个方法可以有效的缩短试验时间，降低成本，快速考察出样品的疲劳寿命以及失效形式。