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乘用車懸架靜強(qiáng)度與疲勞載荷研究——廣汽研究院

2021-09-21 22:10:13·  來(lái)源：ATC汽車底盤  
　
摘要：為了快速獲得平臺(tái)懸架靜強(qiáng)度與疲勞載荷，本文依據(jù)某A級(jí)平臺(tái)5款量產(chǎn)車型試驗(yàn)場(chǎng)道路栽荷數(shù)據(jù)，以前麥弗遜懸架為研究對(duì)象，先對(duì)輪心載荷幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根
摘要：為了快速獲得平臺(tái)懸架靜強(qiáng)度與疲勞載荷，本文依據(jù)某A級(jí)平臺(tái)5款量產(chǎn)車型試驗(yàn)場(chǎng)道路栽荷數(shù)據(jù)，以前麥弗遜懸架為研究對(duì)象，先對(duì)輪心載荷幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)應(yīng)力．強(qiáng)度干涉模型，得到該平臺(tái)前懸架的強(qiáng)度載荷邊界，及其與車輛滿載輪荷的G載荷系數(shù)。再通過(guò)研究5款車型車輪輪心疲勞偽損傷與輪荷的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到該平臺(tái)懸架的疲勞栽荷。此方法可快速獲得同平臺(tái)懸架靜強(qiáng)度與疲勞載荷，省去實(shí)車道路譜采集并提升了工作效率。

底盤懸架是汽車重要組成部分，其強(qiáng)度與耐久性是影響汽車性能及品質(zhì)的關(guān)鍵因素。在底盤懸架設(shè)計(jì)開發(fā)中，為獲得懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗疲勞設(shè)計(jì)載荷，一般會(huì)通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)道路譜采集試驗(yàn)，獲得其輪心準(zhǔn)確的載荷輸入一輪心六分力，以此作為輸入，再通過(guò)整車多體動(dòng)力學(xué)模型提取懸架各零件連接點(diǎn)的載荷，進(jìn)而獲得懸架各零件的強(qiáng)度與抗疲勞設(shè)計(jì)載荷。用于懸架零件的強(qiáng)度與抗疲勞設(shè)計(jì)開發(fā)及驗(yàn)證。

通常，強(qiáng)度載荷與疲勞載荷是底盤懸架強(qiáng)度和抗疲勞設(shè)計(jì)的主要輸入刪。強(qiáng)度載荷主要指靜強(qiáng)度載荷，一般為G載荷，G表示滿載輪荷。通常采用的懸架靜強(qiáng)度載荷包括：垂向3G，制動(dòng)lG，加速o．7G，側(cè)向lG等。靜強(qiáng)度載荷G值系數(shù)，目前主要參考國(guó)外相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。載荷強(qiáng)度與企業(yè)自身的試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范不適應(yīng)，這將阻礙零件的輕量化設(shè)計(jì)。疲勞載荷一般是指通過(guò)實(shí)車進(jìn)行道路譜采集試驗(yàn)獲得的實(shí)際載荷。

該載荷通常具有較大局限性：首先概念設(shè)計(jì)早期無(wú)法獲得疲勞載荷，需等待物理樣車完成后才能開展實(shí)車路譜采集工作；此外早期的物理樣車與車輛設(shè)計(jì)狀態(tài)差異較大，導(dǎo)致載荷的可靠性不足。這些局限性影響了底盤懸架迭代效率。通常車輛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與耐久性設(shè)計(jì)首先從實(shí)際用戶使用出發(fā)，經(jīng)過(guò)目標(biāo)市場(chǎng)樣本調(diào)查、用戶統(tǒng)計(jì)等獲得整車的耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)。再通過(guò)與試驗(yàn)場(chǎng)道路關(guān)聯(lián)，制定強(qiáng)度與耐久性試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范。本文基于已制定的強(qiáng)度與耐久性試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范，依據(jù)多個(gè)量產(chǎn)車型試驗(yàn)場(chǎng)道路譜載荷數(shù)據(jù)，選擇前麥弗遜懸架載荷譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

獲得了輪心載荷幅值、疲勞損傷與輪荷的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了一套底盤懸架平臺(tái)強(qiáng)度與疲勞載荷獲得方法。該方法能夠快速獲得底盤懸架的強(qiáng)度與抗疲勞載荷。并且可以省去同平臺(tái)、改款車型開發(fā)過(guò)程中道路譜采集環(huán)節(jié)，減少懸架開發(fā)周期，節(jié)約成本。

1 試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷
1.1載荷工況及數(shù)據(jù)
某A級(jí)車型平臺(tái)包含3款SUv，l款轎車，l款MPV。前懸均為麥弗遜懸架，各車型前懸輪荷如表1所示。5款車型都已采集了試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷，試驗(yàn)場(chǎng)道路及工況如表2所示，包括16種道路及工況。試驗(yàn)場(chǎng)道路及工況分為兩類：第一類是操縱工況，包括制動(dòng)，沖坑，過(guò)減速帶，轉(zhuǎn)彎(繞八字)，路緣沖擊等；第二類是隨機(jī)路面工況，包括卵石路、石塊路，共振路、凸塊路、砂石路等強(qiáng)化耐久路面。其中sUV一1車型各典型工況道路譜載荷如圖1所示，圖中給出了前懸左輪的輪心的載荷時(shí)域信號(hào)。


1.2載荷分析
1.2.1幅值分析SuV.1
車型在16種試驗(yàn)場(chǎng)道路及工況的載荷幅值如表3所示。選取縱向、側(cè)向、垂向幅值較大的工況，對(duì)比了5款車型的載荷幅值，如表4所示。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：垂向載荷幅值最大，縱向、側(cè)向次之，且載荷幅值隨輪荷增加而增加。


1.2.2頻域分析
5款車型的左側(cè)車輪垂向載荷功率譜如圖2所示，可知該平臺(tái)5款車型的頻域分布基本一致，峰值頻率也基本一致。頻率主要集中在0.5～30 Hz之間，且都存在兩個(gè)峰值，分別在1.6 Hz與11Hz附近。從頻率角度可以發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)前懸架試驗(yàn)場(chǎng)載荷功率譜密度及其分布存在共性，其載荷具有平臺(tái)化的基礎(chǔ)。

2 懸架靜強(qiáng)度與疲勞載荷
2．1靜強(qiáng)度載荷
用戶使用工況其按出現(xiàn)頻次及大小一般可分為極限工況與耐久性工況。極限載荷工況包括沖坑、路緣沖擊、緊急制動(dòng)等；耐久性強(qiáng)化路面包括卵石、路共振路、石塊路、砂石路、凸塊路等。極限載荷工況可視為懸架強(qiáng)度設(shè)計(jì)邊界。每個(gè)車型各工況分別采集了5組數(shù)據(jù)，表5為SuV.1車型5組道路譜數(shù)據(jù)的垂向載荷幅值范圍數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。假設(shè)，1次采集數(shù)據(jù)中縱向、側(cè)向、垂向的最大幅值服從正態(tài)分布。則測(cè)試幅值x落在區(qū)間內(nèi)的概率為P=P(Ⅸ一川≤鼢) (1)式中：口為平均值；盯為標(biāo)準(zhǔn)差；后為置信因子。

其中，(力表示應(yīng)力或強(qiáng)度的概率密度，厶(楊)表示零件工作應(yīng)力分布曲線，．磊(如)表示零件強(qiáng)度分布曲線。應(yīng)力與強(qiáng)度的量綱相同，當(dāng)兩曲線相交，即發(fā)生干涉，表示其強(qiáng)度可能小于應(yīng)力，零件將以一定的概率失效。應(yīng)力．強(qiáng)度干涉模型認(rèn)為強(qiáng)度工。大于應(yīng)力％零件不發(fā)生失效，其可靠度為不發(fā)生失效的概率，故可靠度R為尺=JP(如>％) (2)若車輛基于試驗(yàn)場(chǎng)的懸架強(qiáng)度設(shè)計(jì)可靠度要求為95‰即R=P=0.95，查表求得置信因子七=1.96。
則此區(qū)間內(nèi)垂向z+最大工作載荷上限值“+七礦=12519 N，即垂向Z+的強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷下限值為12519 N。同理得到垂向Z_的強(qiáng)度設(shè)計(jì)上限值正l一七礦=—428N?，F(xiàn)規(guī)定G載荷系數(shù)顫為強(qiáng)度載荷幅值與滿載輪荷的比值，則b：曇 (3)U式中：G為滿載輪荷；F為載荷幅值?？傻玫狡鋤+向的載荷系數(shù)顫=2.5，z_向的載荷系數(shù)顫=一0.09，即SUV．1車型垂向G載荷系數(shù)范圍為一0.09~2.5。基于上述方法，求得各車型縱向、側(cè)向、垂向的G載荷系數(shù)顫如表6所示

表6可知縱向載荷系數(shù)范圍為一0.7G~+1.5G；側(cè)向載荷系數(shù)范圍為約為一0.6G~+1.1G；垂向載荷系數(shù)范圍為一0.1G~+2.5G。通過(guò)對(duì)5款不同車型的前懸載荷道路譜幅值統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得該平臺(tái)前懸架基于試驗(yàn)場(chǎng)的經(jīng)靜強(qiáng)度載荷：垂向2.5G，側(cè)向1.1G，縱向一0.7G及+1.5G。
2．2疲勞載荷
試驗(yàn)場(chǎng)道路疲勞載荷為隨機(jī)載荷，先通過(guò)雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析【10。111，再進(jìn)行偽損傷計(jì)算。偽損傷是指通過(guò)載荷直接計(jì)算疲勞損傷，是評(píng)估不同工況載荷及不同通道載荷一種手段。其計(jì)算理論基礎(chǔ)是基于局部應(yīng)力一應(yīng)變法，其結(jié)構(gòu)應(yīng)變與壽命的關(guān)系式為【12。15】島=島。+島p=警(2Ⅳ，)6+哆(2Ⅳ，)。(4)式中：島為應(yīng)變幅值；s口。為彈性應(yīng)變；如P為塑性應(yīng)變；吖為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；E為彈性模量；M為疲勞壽命；6為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；芬為疲勞延伸系數(shù)；c為疲勞延性系數(shù)。循環(huán)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系為l島=警+(詈)礦 (5)式中：％為應(yīng)力幅值；K，為強(qiáng)度系數(shù)；n7應(yīng)變硬化指數(shù)。由于損傷是直接通過(guò)各通道載荷計(jì)算，并非零件結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力，即此處的為％偽應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的損傷稱為偽損傷。
通過(guò)上述偽損傷計(jì)算得到每個(gè)工況的偽損傷D，，再根據(jù)每個(gè)工況的循環(huán)次數(shù)M及損傷線性疊加原理，得到試驗(yàn)場(chǎng)總損傷D為D=∑蘭lDrⅣf (6)式中：D，為每個(gè)工況的偽損傷；M為每個(gè)工況的循環(huán)次數(shù)。通過(guò)式(6)計(jì)算得到各車型試驗(yàn)場(chǎng)的縱向、側(cè)向、垂向偽損傷如表7所示。

對(duì)比5款車型試驗(yàn)場(chǎng)的偽損傷統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各主要方向如縱向、側(cè)向、垂向的偽損傷存在如下規(guī)律：
1)側(cè)向損傷最小，垂向損傷最大，且垂向損傷約為10倍縱向損傷，約為100倍的側(cè)向損傷。
2)隨著車輛輪荷增加，輪心縱向、側(cè)向、垂向損傷也增加。進(jìn)一步分析偽損傷與輪荷的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，各主要方向的偽損傷與輪荷存在較好的線性相關(guān)性，如圖4所示。其中垂向偽損傷與輪荷線性相關(guān)性最好(尺2=O．937)，縱向，側(cè)向偽損傷次之。

根據(jù)上述輪荷與主要方向疲勞損傷的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以得到同平臺(tái)車型試驗(yàn)場(chǎng)疲勞損傷仇，D。，見(工，y，z分別代表縱向、側(cè)向、垂向)與基準(zhǔn)車型疲勞損傷D!，D?，Do的關(guān)系式為D。=D2+Kk△w (7)式中：△w表某車輛滿載輪荷與基準(zhǔn)車輛輪荷的差值；K，K，恐分別為該平臺(tái)輪荷與疲勞損傷關(guān)聯(lián)系數(shù)；m=z，y，z分別代表縱向、側(cè)向、垂向。
根據(jù)疲勞損傷與輪荷之間的關(guān)系求出該車型平臺(tái)前麥弗遜懸架縱向、側(cè)向、垂向載荷疲勞損傷與輪荷的關(guān)聯(lián)系數(shù)K、K，、丘分別為0.0116、0.002和0.0174。根據(jù)式(7)及已求得的關(guān)聯(lián)系數(shù)疋、K、恐可快速計(jì)算得到同平臺(tái)不同設(shè)計(jì)軸荷懸架疲勞損傷值。將該疲勞損傷目標(biāo)直接用于新懸架結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)與臺(tái)架試驗(yàn)，可大幅度節(jié)約開發(fā)周期與成本，提高懸架開發(fā)迭代效率。
3 結(jié)論
通過(guò)對(duì)同平臺(tái)5款車型前麥弗遜懸架車輪輪心試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷幅值統(tǒng)計(jì)分析，得到靜強(qiáng)度載荷：垂向2.5G，側(cè)向1.1G，縱向一0.7G，+1.5G；再對(duì)載荷疲勞損傷統(tǒng)計(jì)及關(guān)聯(lián)研究，得到：縱向、側(cè)向、垂向疲勞損傷值與車輛輪成線性關(guān)系，線性相關(guān)度R2分別達(dá)到0.90、0.89、0.94。表明根據(jù)輪荷可快速且準(zhǔn)確計(jì)算得到同平臺(tái)不同設(shè)計(jì)軸荷的懸架疲勞損傷目標(biāo)值?；诒疚难芯拷Y(jié)果，可快速獲得平臺(tái)化懸架的靜強(qiáng)度與疲勞載荷，提高懸架的強(qiáng)度、抗疲勞設(shè)計(jì)與驗(yàn)證效率。
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