基于多軸載荷的汽車(chē)控制臂疲勞載荷塊編制

胡浩炬，鄧小強(qiáng)，余家皓，郭紹良，羅歡

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

汽車(chē)的耐久性是影響汽車(chē)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素之一，因此耐久性試驗(yàn)是汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)[1]。通常汽車(chē)的耐久性設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)需要經(jīng)大量的實(shí)物臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，以底盤(pán)懸架零件為例，一般包含整車(chē)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、零部件級(jí)的耐久性試驗(yàn)[2]。零部件級(jí)臺(tái)架耐久性試驗(yàn)一般為加速試驗(yàn)，整車(chē)路試采集的路譜信號(hào)通常很難直接應(yīng)用于零部件級(jí)的結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)。通過(guò)損傷等效方法獲得等效于路試損傷的載荷塊，再用于零部件臺(tái)架耐久性試驗(yàn)，是目前國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠商廣泛應(yīng)用的一種臺(tái)架試驗(yàn)方法[3]。利用此方法，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)又可以縮短臺(tái)架驗(yàn)證周期。但目前為止國(guó)內(nèi)的大多數(shù)整車(chē)企業(yè)缺乏有效的技術(shù)手段定義零部件級(jí)的臺(tái)架疲勞載荷，且在制定零部件級(jí)臺(tái)架耐久性試驗(yàn)時(shí)大都只考慮單一方向的載荷，忽略了零件載荷的多軸性，適用性與可靠性通常不理想。如何制定合適的零件臺(tái)架耐久性試驗(yàn)載荷以確保零件設(shè)計(jì)的可靠性，已顯得尤為重要。

本文作者以某車(chē)型控制臂為研究對(duì)象，對(duì)其試驗(yàn)場(chǎng)路譜載荷進(jìn)行單軸和多軸雨流分析、偽損傷計(jì)算、單軸與多軸載荷塊編制，同時(shí)建立控制臂有限元模型，進(jìn)行疲勞計(jì)算及對(duì)比分析，在結(jié)合控制臂路試應(yīng)變采集數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了基于多軸載編制的疲勞試驗(yàn)載荷塊的有效性。

1 控制臂載荷譜與分析

1.1 載荷獲取

圖1為控制臂結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)應(yīng)變采集位置。

圖1 控制臂結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)應(yīng)變采集位置示意

文中涉及的某車(chē)型控制臂結(jié)構(gòu)為前麥弗遜懸架下控制臂，包含連接點(diǎn)：(1)與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的球鉸點(diǎn)；(2)兩個(gè)與副車(chē)架連接襯套點(diǎn)。根據(jù)控制臂的受載情況，通常其臺(tái)架試驗(yàn)為約束與副車(chē)架連接的兩個(gè)襯套點(diǎn)，球鉸點(diǎn)作為加載點(diǎn)。

根據(jù)整車(chē)耐久性開(kāi)發(fā)需求，底盤(pán)零部件應(yīng)滿(mǎn)足整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)道路耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)道路包含路面見(jiàn)表1，經(jīng)表中各路面不同循環(huán)次數(shù)組合，再與目標(biāo)用戶(hù)里程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到試驗(yàn)場(chǎng)耐久循環(huán)，用于整車(chē)開(kāi)發(fā)耐久性與可靠性驗(yàn)證[4]。

試驗(yàn)采集了該車(chē)型試驗(yàn)場(chǎng)道路的輪心六分力信號(hào)及控制臂兩個(gè)位置的應(yīng)變信號(hào)，應(yīng)變信號(hào)采集位置如圖1所示，部分典型工況應(yīng)變信號(hào)采集結(jié)果如圖2所示。以采集的輪心六分力作為輸入經(jīng)多體動(dòng)力學(xué)載荷分解得到控制臂球鉸點(diǎn)的試驗(yàn)場(chǎng)一個(gè)大循環(huán)的疲勞載荷如圖3所示。方法中的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)過(guò)在車(chē)型開(kāi)發(fā)中得到驗(yàn)證，載荷精度已獲得驗(yàn)證，可滿(mǎn)足車(chē)輛開(kāi)發(fā)需求。

圖3 控制臂球鉸處的試驗(yàn)場(chǎng)道路譜載荷

1.2 幅值統(tǒng)計(jì)與偽損傷計(jì)算

控制臂球鉸點(diǎn)處的載荷如圖3所示，包含X、Y、Z3個(gè)方向的多軸隨機(jī)載荷，X、Y、Z3個(gè)方向的載荷信息見(jiàn)表2。從表2可知球鉸點(diǎn)處Z向載荷幅值較小，約為X與Y方向幅值的5%。

表2 控制臂球鉸點(diǎn)載荷信息 N

偽損傷是指通過(guò)載荷直接計(jì)算疲勞損傷，其計(jì)算理論基礎(chǔ)是基于局部應(yīng)力-應(yīng)變法[3,5]：通過(guò)選擇進(jìn)行相應(yīng)的材料S-N曲線(xiàn)進(jìn)行載荷譜的損傷統(tǒng)計(jì)得到控制臂球鉸點(diǎn)的X、Y、Z各方向的偽損傷值如表3所示。

表3 控制臂球鉸點(diǎn)三方向的偽損傷值

對(duì)比控制臂球鉸點(diǎn)處三向載荷偽損傷值發(fā)現(xiàn)：Y向損傷值最大，X向次之，Z向非常小，可認(rèn)為球鉸處Z向載荷幾乎不會(huì)對(duì)零件產(chǎn)生疲勞損傷。故控制臂臺(tái)架耐久性試驗(yàn)可省去Z向載荷，只考慮X和Y方向載荷。另文中研究涉及的載荷塊編制暫不考慮小載荷對(duì)疲勞結(jié)果的強(qiáng)化作用影響[6-8]。

1.3 載荷多軸性分析

為研究控制臂球鉸點(diǎn)載荷的多軸性，文中采用LMS-Tecware軟件提供的多軸雨流投影方法分析控制臂球鉸點(diǎn)載荷的損傷分布，通過(guò)損傷分布情況來(lái)表征其載荷的多軸情況，其方法[9-11]如下：

假設(shè)一多軸載荷Lk(t)，將Lk(t)投影至β方向得到Lβ(t)：

(1)

選取所有可能的投影方向，基于上式將Lk(t)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)β(t)，再通過(guò)雨流計(jì)數(shù)和偽損傷計(jì)算得到各個(gè)β向的Lβ(t)的雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)與偽損傷值。β方向的選取可根據(jù)載荷Lk(t)的維數(shù)d進(jìn)行確定，如d=2，β值見(jiàn)表4。

表4 β方向選取與轉(zhuǎn)換比

因控制臂球鉸處Z向載荷較小可省去，故選取X與Y載荷通過(guò)LMS-Tecware軟件進(jìn)行多軸雨流投影分析，得到球鉸點(diǎn)測(cè)試載荷Lk(t)的X與Y組合的12個(gè)方向的偽損傷值與雨流計(jì)數(shù)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 多軸雨流投影結(jié)果(X與Y組合的12個(gè)方向偽損傷分布)

由圖可知，疲勞損傷最大的方向?yàn)?-0.50，0.87)，偽損傷值為17.66;疲勞損傷最小的方向?yàn)?0.87，0.50)，偽損值為1.27。

2 載荷塊編制

2.1 單向載荷塊編制

文中提到的單向載荷編制是不考慮X與Y兩個(gè)方向載荷耦合，分別對(duì)X和Y方向的載荷進(jìn)行載荷塊制定。載荷塊程序譜幅值一般分為3～8級(jí)，由德國(guó)工程師GASSNER于1938年首次提出，并得到廣泛應(yīng)用。各級(jí)載荷大小的劃分按照幅值比系數(shù)法，幅值比系數(shù)分別取為：1，0.95，0.85，0.725，0.575，0.425，0.275，0.125[12]。基于此方法進(jìn)行載荷譜分級(jí)，根據(jù)第2.1節(jié)中X與Y方向的單軸雨流統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別得到X和Y單軸方向的8級(jí)載荷譜見(jiàn)表5。

表5 單軸載荷分級(jí)結(jié)果

零件臺(tái)架試驗(yàn)通常為加速試驗(yàn)，實(shí)際物理臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)會(huì)將8級(jí)載荷譜簡(jiǎn)化成1～3級(jí)載荷譜。

2.2 多軸載荷塊制定

(2)

圖5 零件受載圖示

根據(jù)控制球鉸點(diǎn)載荷分析可知，此車(chē)型控制臂Z向疲勞損傷非常小，其受載可視為X與Y兩軸組成的隨機(jī)載荷Lk(t)，故其等效的兩軸載荷Leqk(t)可表示為

(3)

式中：Leq1、Leq2分別為X和Y方向的正弦載荷;A1、A2分別為X和Y方向正弦載荷的幅值;θ為L(zhǎng)eq1與Leq2的相位差;N0為總循環(huán)次數(shù);A1、A2、θ為未知量;0≤t≤N0。

若規(guī)定試驗(yàn)總循環(huán)次數(shù)N0為1×105次，依據(jù)上述方法求得Leqk(t)其X和Y兩個(gè)輸入方向的一級(jí)載荷Leq1、Leq2，其中A1=3 385.6 N，A2=4 140.3 N，θ=111.6°，載荷塊結(jié)果見(jiàn)表6。測(cè)試載荷Lk(t)與等效載荷Leqk(t)的多軸雨流投影對(duì)比結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出等效載荷12個(gè)投影方向的偽損傷值與原測(cè)試載荷基本一致，且各方向的偽損傷值相差較小，損傷較大的幾個(gè)方向的誤差值在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明等效載荷Leqk(t)與原載荷Lk(t)的多軸性基本一致。

表6 多軸載荷塊

圖6 控制臂載荷Lk(t)與等效載荷Leqk(t)雨流投影對(duì)比

3 疲勞計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比

3.1 有限元模型建立及標(biāo)定

根據(jù)三維數(shù)建立控制臂有限元模型：控制臂金屬鈑金及焊縫采用殼單元模擬，控制臂球坐實(shí)體件采用四面體網(wǎng)格處理，襯套采用襯套單元處理，襯套剛度為實(shí)測(cè)值，整個(gè)控制臂有限元模型共計(jì)36 946個(gè)單元及48 625個(gè)節(jié)點(diǎn)。

有限元模型標(biāo)定，通過(guò)已采集的前進(jìn)制動(dòng)、倒車(chē)制動(dòng)、沖坑3個(gè)典型工況的應(yīng)變采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元模型計(jì)算標(biāo)定。典型工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖如圖7所示。

圖7 典型工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表7中對(duì)比了兩個(gè)采集點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。從表7中可知：計(jì)算值與試驗(yàn)值最大相對(duì)誤差+14.8%，最小誤差+3.9%，平均誤差9.4%。計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果有較好的一致性，誤差在可接受范圍內(nèi)。

表7 典型工況下的計(jì)算與測(cè)試對(duì)比結(jié)果

3.2 疲勞計(jì)算與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

疲勞計(jì)算需先完成單位載荷應(yīng)力的計(jì)算，根據(jù)上述已標(biāo)定的有限元模型進(jìn)行單位載荷下的應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算單位載荷應(yīng)力時(shí)，模型邊界處理與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)情況一致。再分別編輯好單軸載荷塊與多軸載荷塊對(duì)應(yīng)的載荷塊譜循環(huán)文件，再采用nCode-Design life模塊進(jìn)行疲勞計(jì)算。

分別計(jì)算得到單軸和多軸兩種載荷塊的臺(tái)架疲勞壽命結(jié)果如圖8所示。對(duì)比區(qū)域A、B各單元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

圖8 兩種載荷分塊疲勞計(jì)算結(jié)果

區(qū)域A與區(qū)域B試驗(yàn)已采集測(cè)試點(diǎn)1和2試驗(yàn)場(chǎng)道路的應(yīng)變結(jié)果，再根據(jù)該材料的S-N曲線(xiàn)計(jì)算得到位置1和2的真實(shí)壽命值見(jiàn)表8。

表8 兩種載荷分塊疲勞計(jì)算結(jié)果對(duì)比

經(jīng)對(duì)比單軸載荷分塊與多軸載荷分塊疲勞計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)兩種載荷分塊分級(jí)方法預(yù)測(cè)的壽命分布基本一致，但壽命存在梯度差異，單軸載荷塊分級(jí)預(yù)測(cè)的最小壽命為9.04，多軸載荷塊分級(jí)為6.43。(2)兩種方法預(yù)測(cè)的壽命分布存在差異：圖中區(qū)域A單軸塊對(duì)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)于多軸載荷塊壽命偏低；區(qū)域B單軸載荷塊對(duì)壽命的預(yù)測(cè)相對(duì)于多軸載荷塊壽命偏高。(3)另對(duì)比區(qū)域A、B采集點(diǎn)1和采集點(diǎn)2的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多軸載荷塊相對(duì)于單軸載荷塊對(duì)壽命的預(yù)測(cè)更為接近，精度相對(duì)較高。

4 結(jié)論

(1)采用多軸雨流投影方法可以獲得復(fù)雜多軸載荷在不同投影方向的損傷分布情況。

(2)以多軸雨流投影結(jié)果一致為目標(biāo)，可通過(guò)迭代求解多軸載荷Lk(t)的等效塊譜載荷Leqk(t)，使得復(fù)雜多軸載荷的塊譜載荷編制得以實(shí)現(xiàn)。

(3)通過(guò)有限元方法計(jì)算并對(duì)比了單軸載荷塊與多軸載荷塊疲勞結(jié)果，同時(shí)與試驗(yàn)采集點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，考慮多軸的載荷塊相對(duì)于單軸的載荷塊對(duì)壽命預(yù)測(cè)有更高的精度。