曹宏伟
【摘 要】道路载荷谱对于车辆零部件疲劳耐久试验的研究有着重要意义.通过试验场采集到车辆零部件关键点的时域载荷信号,再将该信号基于疲劳损伤等效原理转化后用于台架试验,可以极大缩短汽车零部件疲劳寿命开发周期,提高经济效益.以汽车后桥横梁稳定杆为例,阐述了道路载荷谱与疲劳损伤等效原理相结合在汽车零部件耐久性试验评价中的应用,提出了关于零部件疲劳耐久性试验方案的一种思路,即将实际道路谱载荷转化为易于实现的循环载荷,从而快速、有效地进行室内台架加速耐久试验,可供在其他零部件耐久性试验评价中参考. 【期刊名称】《汽车工程师》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】4页(P45-47,54)
【关键词】道路载荷谱;疲劳损伤;稳定杆;台架试验汽车尾气抽排系统
从茶叶中提取
【作 者】曹宏伟
【作者单位】中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司
【正文语种】中 文
在汽车研发过程中，为提高汽车产品性能及可靠性水平，不仅需要掌握汽车系统及其零部件的疲劳失效情况，还要进行大量的疲劳耐久台架模拟试验。道路载荷谱是进行车辆零部件疲劳耐久试验研究的重要依据之一，而掌握载荷谱的内部信息是进行疲劳试验、疲劳寿命估计和疲劳设计的先决条件[1]。针对传统的道路耐久试验周期长、响应速度慢且成本高的问题，文章基于疲劳损伤等效理论，结合S-N曲线和雨流计数法，提出了实际道路载荷谱生成等效损伤程度的循环载荷的转换方法，并应用于零部件台架耐久试验，为实际车辆零部件疲劳耐久试验提供了理论依据。
1 疲劳损伤理论
1.1 S-N曲线
零件在外部载荷的重复作用下会产生疲劳损伤，直至达到材料疲劳极限而产生裂纹。外部载荷通过应力幅值、平均应力和循环次数来表示。这3个因素在疲劳损伤量恒定的前提下相互影响，循环次数随应力幅值的增加而减少；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[2]。
将材料的疲劳性能用疲劳强度与疲劳寿命之间的关系来描述，即S-N曲线。如图1所示，纵坐标为作用在样件上的应力范围（S），横坐标为在S作用下样件破坏时的寿命（N），二者对应关系用双对数坐标来表示，即合成了S-N曲线。
图1 S-N曲线示意图
通常应用“三段线性”曲线来表征S-N曲线，即由3段对数坐标的直线分别对应低周（塑性）、高周（弹性）和无限寿命区间。而影响S-N曲线的因素通常包括：平均应力、表面处理、加载形式、尺寸影响及应力集中影响等。
1.2 线性累积损伤原理
在循环载荷交变作用下，零部件疲劳损伤随时间逐渐累积，直至产生失效。迈因纳（Miner）
线性损伤累积理论认为每一段循环载荷都会产生对应的疲劳损伤量，并对最终的疲劳极限有一定影响[3]。一个应力幅为S1的应力循环所引起的损伤为（N1为在S1作用下样件破坏时的寿命），n1个应力幅为S1的循环周所引起的损伤为，而零部件在经过了一段不同循环载荷加载后即产生累积疲劳损伤，其表达式为：
式中：D——累积疲劳损伤，当D=1时零部件预计出现失效；
ni——第i个载荷作用于零件的循环次数；
Ni——零件在第i个载荷作用下失效时的循环次数。
综上所述，结构在相同的载荷作用下，具有相同的疲劳损伤从而具有相同的疲劳寿命。而不同载荷作用下只要保证具有相等的疲劳损伤，也将取得相同的疲劳寿命。多个载荷作用下的疲劳损伤具有迭加性，疲劳损伤取决于循环载荷的大小和作用次数，通常用雨流矩阵来描述。
1.3 雨流计数法
雨流计数法是通过将载荷-时间历程信号转过90°，形成形似屋顶雨流的曲线，如图2所示。
图2 载荷-时间历程的雨流计数法原理
雨流计数法规则：1）雨流的起点依次在每个峰值（谷值）的内侧，即屋顶；2）雨流在下一个峰值（谷值）处落下，直到对面的峰值（谷值）比开始时更大（更小）为止；3）当雨流遇到上面屋顶流下的雨流时，就停止；4）取出所有的全循环，并记下各自的幅值；5）按正负斜率取出所有的半循环，并记下各自的幅值；6）把取出的半循环按雨流法第2阶段计数法则处理并计数。
雨流计数法的主要功能是把经过峰谷值检测和无效幅值去除后的实测载荷历程数据以离散载荷循环的形式表示出来。雨流计数法在程序中的实现方法分为数据压缩和循环数提取2个步骤，通常需要用计算机程序予以实现[4]。
2 道路-台架试验载荷转化原理
阻尼线
行驶路面的强度可以通过结构的疲劳响应进行量化，为了再现车辆零部件在试车场道路载荷环境下的疲劳损伤（称为目标），可以通过将零部件在试验台架模拟时的损伤（称为源），按不同加权（比例）系数进行混合模拟获得。
将车辆零部件在试车场环境下的载荷作为目标，将该测量点在试验台架上的程序加载作为源，根据材料的S-N曲线计算疲劳损伤，则目标的累积疲劳损伤矩阵为：
根据线性累积损伤理论，则用k种程序加载方式混合得到的源的总损伤矩阵为：
式中：Ah——试验台架加载程序的加权系数；
h——试验台架第h次加载（从第1次到第k次）。
疲劳寿命相等则意味着具有相等的疲劳损伤，为了等效目标疲劳损伤，则：D=d。
不同大小载荷通过循环次数的调整会取得相同的疲劳损伤。在保证加速损伤总量与实际损伤恒定的前提下，通过计算机迭代，可以将道路采集的时域信号转化为能够在相对较短时间内复现耐久疲劳并易于台架搭建的循环载荷值和对应的循环次数序列[5]。
3 后桥横梁稳定杆台架试验设计
选取某国产车型的后桥横梁稳定杆作为研究对象。在该车型的开发阶段，后桥横梁稳定杆在路试时发生了断裂，如图3所示。为了解决此问题，且能迅速验证优化设计方案，需要建
立合理的疲劳耐久性试验评价。由于没有针对该车型稳定杆的台架试验规范，需要根据实际使用载荷情况，制定台架加速试验规范，作为试验评价的依据。
取暖袋图3 某国产车型后桥横梁稳定杆断裂位置图
汇聚路由器3.1 载荷谱获得
3.1.1 应变片安装
稳定杆的受力形式为弯扭组合，根据实车样件破坏形式，预测疲劳破坏主要由剪切应力造成。因此在杆两端对称安装0，45，90°应变片采集剪切应变。安装位置，如图4所示。
毛皮加工
图4 应变片安装位置图
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