轿车悬架耐久性试验载荷谱的优化研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 5.56MB 77 页 15积分
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摘 要
汽车整车和零部件的耐久性评价技术的薄弱长期制约着国内整车开发的水
平。随着新能源汽车和自主品牌汽车零部件生产种类的快速增加，特别是对副车
架、悬架系统这些复杂的零部件，载荷评价和应力分析困难，试验系统综合技术
要求高，迫切需要形成自己的快速评价能力，以满足日益增加的新产品开发需求，
提高配套水平，提升竞争能力。本文以某汽车后悬架为对象，研究其耐久性试验
载荷谱的制定和优化，最终得到一组最佳的可以快速评价该悬架耐久性的试验载
荷谱，作为其他新开发的汽车零部件的耐久性载荷谱制定的参考和依据，为提高
自主品牌汽车的设计水平和竞争能力提供技术支持。
研究过程中，首先基于课题组长期对汽车结构疲劳强度研究，将汽车使用中
所受的载荷进行分区，包括大载荷、有强化效果的载荷和无效载荷，并讨论了载
荷的分布特征对汽车结构疲劳寿命的影响，为试验载荷谱的制定和优化提供了理
论依据。然后对轿车悬架进行试验场道路载荷测试，得到了多个工况下多通道的
道路载荷响应信号，提供了快速试验载荷谱的制定的原始数据。根据信号分析和
疲劳统计基本原理对采集的原始载荷谱进行分析和处理，得到各工况下各测点的
时域、幅值域和频域特性，作为试验谱制定和优化的参考。最后，基于用户调查
结果和累积损伤等效，制定了四种悬架试验载荷谱的规范，通过分析对比试验时
间和载荷分布特征，选出最佳的载荷谱规范，用于制定快速耐久性试验载荷谱，
并总结出快速试验谱优化的基本准则。
同以往试验谱制定方法相比，本文方法的最大的特点是在载荷谱编制过程中
考虑小载荷的低载强化特性，以期反映载荷的本质特征。通过综合考虑台架试验
时间和载荷分布特性，得到的试验谱具有良好的代表性，能够满足快速评价悬架
耐久性试验的需要。得到的快速试验谱优化准则可以作为其他试验谱优化的参考，
为国内汽车耐久性快速评价技术的研究提供了有益的借鉴。
关键词：汽车悬架 载荷谱优化 低载强化 耐久性试验
ABSTRACT
This paper studied the establishment and optimization of the load spectrum for
durability test of an automotive rear suspension. The method described in this paper can
supply reference and basis for durability spectrum establishment of other new
automotive components, and supply technical support for the advance of design level
and competitive ability of independent brands automotive.
Firstly, based on long term research on fatigue strength of automotive structures,
the automotive load was divided into three sections, that is the overstressed load,
strengthening load and invalid load. And then the effect of the load distribution
character to fatigue life of automotive structure was discussed. It supplied theoretical
basis for the establishment and optimization of test spectrum. Consequently the road test
was done on the intensified stone block pavement so as to acquire the multi-channel
road response signal in several work conditions, which supplied original data for the
establishment of the quick test spectrum. According to the basic theory of signal
analysis and fatigue statistics, the edit and analysis of the original spectra were finished,
then the characteristics of main test points in time domain, amplitude domain and
frequency domain were obtained. At last, based on the user inquiry and cumulative
damage equivalent, four kinds of test spectra were generated. After comparison in test
time and load distribution character, the optimized spectrum was chosen as the test
spectrum for the bench test. Summarized the research, a basic rule for quick test spectra
optimization was generated.
In contrast to the former method of test spectra establishment, this method is of the
unique advantage of considering the strengthening of low amplitude loads in load
spectrum. Compared both in test time and load distribution character with the other
three spectra, the optimized spectrum was representative in large extent and could meet
the requirement of quick durability test of the suspension. The optimization rule of
quick test spectrum could be a reference for other test spectra optimization. This paper
was instructive to research on quick evaluation technology of domestic automotive
durability.
Key Word: Automotive suspension, Load spectrum optimization,
Strengthening under low amplitude loading, Durability
test
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题研究背景、意义及来源 .................................... 1
§1.1.1 课题研究背景及意义 ....................................... 1
§1.1.2 课题来源 ................................................. 2
§1.2 国内外相关研究文献综述 ...................................... 3
§1.2.1 车辆零部件抗疲劳设计和载荷谱 ............................. 3
§1.2.2 国内外汽车耐久性快速评价技术发展历史及现状 ............... 4
§1.2.3 汽车道路模拟试验方法概述 ................................. 7
§1.2.4 低载强化研究 ............................................. 9
§1.3 本文研究的主要内容 .......................................... 9
第二章 载荷基本特性 ................................................. 11
§2.1 S-N 曲线 ....................................................11
§2.2 载荷的强化特性 ............................................. 13
§2.3 本章小结 ................................................... 15
第三章 载荷疲劳统计基本理论 ......................................... 16
§3.1 载荷表征参数 ............................................... 16
§3.2 载荷统计计数 ............................................... 17
§3.3 载荷统计参数 ............................................... 18
§3.4 概率密度函数和概率分布函数 ................................. 18
§3.5 功率谱密度函数（PSD） ...................................... 20
§3.6 载荷谱中载荷的分区 ......................................... 21
§3.7 载荷分布特征对疲劳寿命的影响 ............................... 22
§3.8 本章小结 ................................................... 23
第四章 轿车悬架耐久性道路载荷谱测定 ................................. 24
§4.1 悬架基本情况介绍 ........................................... 24
§4.2 悬架试验测点的确定 ......................................... 26
§4.2.1 试验测点确定的原则 ...................................... 26
§4.2.2 悬架试验测点确定 ........................................ 27
§4.3 应变片的布置 ............................................... 28
§4.3.1 应变片电测原理 .......................................... 28
§4.3.2 应变片贴片和布桥 ........................................ 30
§4.4 试验设备 ................................................... 35
§4.5 传感器标定 ................................................. 35
§4.6 试验道路和试验工况 ......................................... 38
§4.7 实车道路试验 ............................................... 38
§4.8 本章小结 ................................................... 41
第五章 悬架各试验工况载荷谱分析 ..................................... 42
§5.1 载荷-时间历程的编辑整理 .................................... 42
§5.2 载荷谱统计特征分析 ......................................... 48
§5.3 雨流计数 ................................................... 50
§5.4 载荷效用分析 ............................................... 52
§5.4.1 悬架结构的强度参数 ...................................... 52
§5.4.2 悬架主要测点典型工况载荷谱强化损伤载荷分析 .............. 54
§5.5 功率谱密度分析 ............................................. 56
§5.6 本章小结 ................................................... 59
第六章 耐久性试验载荷谱制定和优化 ................................... 60
§6.1 用户使用情况调查 ........................................... 60
§6.2 主要通道累积损伤计算 ....................................... 60
§6.3 四种规范制定 ............................................... 61
§6.4 四种规范比较 ............................................... 64
§6.4.1 试验加载谱长度 .......................................... 64
§6.4.2 载荷谱中载荷分布特征 .................................... 65
§6.5 快速试验谱优化准则 .......................................... 67
§6.6 本章小结 ................................................... 67
第七章 结论与展望 ................................................... 68
§7.1 研究结论 ................................................... 68
§7.2 本文创新点 ................................................. 68
§7.3 研究展望 ................................................... 69
参考文献 ............................................................ 70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 74
致 谢 .............................................................. 75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景、意义及来源
§1.1.1 课题研究背景及意义
中国的汽车工业自诞生至今，经过半个多世纪的发展，其市场规模，生产规
模迅速扩大，已经全面融入了世界汽车工业体系。汽车工业已经成为国民经济的
重要产业，在经济建设事业中处于十分突出和领先的地位。
近几年，随着国家经济实力的提高和国家政策的大力扶持下，我国自主品牌
汽车如雨后春笋不断涌现，并不断发展壮大。同时，随着国际市场的开放化，拥
有先进的技术水平和丰富的研发经验的国际汽车巨头也不断把目光转向中国市
场。因此，我国自主品牌汽车的发展面临严峻地挑战。通过委托国外公司开发设
计得来的知识产权并不能从根本上提升民族汽车工业的自主研发能力，如果这种
状况得不到有效解决，最终将形成有产权无知识的尴尬境地。总而言之，在核心
技术方面依然过于依赖国外汽车公司，缺乏完整的自主知识产权，自主开发设计
能力低，技术储备薄弱等因素成了严重制约我国汽车工业发展的瓶颈。因此，建
立企业自主研发能力势在必行，也只有这样才能提高企业的核心竞争力，只有依
靠我们自身的设计能力才能开发出真正适合国情的国民车来，为民族汽车工业在
激烈的市场竞争中发展壮大打下坚实的基础。
由于世界性的能源危机加剧，人们对汽车质量的要求越来越高。为了达到节
能减排的目的，汽车设计必须遵循轻量化设计的原则，从而降低材料的耗费和汽
车的成本，降低汽车的油耗。但是汽车作为一种交通工具，要求有高度的可靠性
和安全性，这与结构轻量化常常是矛盾的，所以结构的轻量化设计要保证同时具
有足够的可靠性和绝对的安全性，即汽车的轻量化设计一定要满足其耐久性的要
求。
汽车的开发从大的方面分为两个阶段，功能开发和耐久性保障。但是限于我
国长期在汽车研发方面积累欠缺，汽车技术的跨越式发展受到制约。一般功能基
本都能满足，往往耐久性较差，使竞争力大大降低。特别是整车和零部件的耐久
性评价技术比较薄弱，影响了整车开发的水平。
某国内轿车底盘零部件的制造商，长期生产轿车悬架系统，但是至今尚未形
成成熟的悬架系统等零部件的耐久性快速评价能力。随着新能源汽车和自主品牌
汽车零部件生产种类的快速增加，特别是对副车架、悬架系统这些复杂的零部件，
轿车悬架耐久性试验载荷谱的优化研究
2
使用中处于多轴向受载状态，载荷评价和应力分析困难，试验系统综合技术要求
高，迫切需要形成自己的快速评价能力，以满足日益增加的新产品开发需求，提
高配套水平，提升竞争能力。快速且准确的耐久性评价是各种设计（包括轻量化
设计、可靠性设计、可回收性设计等）的基础。
耐久性评价有寿命预测和耐久性试验两种形式[1]。由于疲劳寿命计算和预测还
不能做到十分精确，对于安全性要求高的零部件，耐久性试验往往是其耐久性评
价的主要方式。耐久性试验方法有三种：车辆实际道路耐久性试验、车辆道路试
验场试验和室内道路模拟试验[2]。随着现代随机理论、电子计算机和电－液伺服控
制技术的发展，试验周期短、试验结果重复性好的室内道路模拟试验逐渐取代试
车场试验，占有越来越重要的地位，成为应用的最多的汽车耐久性试验方法。汽
车室内道路模拟试验运用的是 RPC (Remote Parameter Control) 远程参数控制技
术，其原理是将汽车近似看作一个控制系统，将车辆在室外道路行驶时的原始响
应信号作为室内模拟试验所需要的期望信号，然后计算系统的频率响应函数，由
此求得模拟试验的初始驱动信号；由于试验系统是非线性的，而上述频响函数矩
阵的测定是基于系统为线性的，需要通过迭代逐渐修正初始驱动信号，从而得到
模拟路面行驶所需的最终驱动信号[3]。通常，为了加速试验，往往不直接用原始道
路信号进行迭代，而是先进行一定的处理，得到一个能够既能大大缩短试验时间
又能体现出耐久性的试验加载谱，该加载谱还要尽可能符合汽车实际使用情况。
试验载荷谱的制定是道路模拟试验中至关重要的一步，它的好坏直接影响台架试
验精度。因此，对载荷谱进行优化，使它既能有效缩短试验周期，又使试验结果
具有很高的精确度，对悬架耐久性评价具有非常重要的意义。
本课题将以某汽车公司生产的轿车后悬架为对象，在强化路面上测取多个工
况的载荷谱，然后对各测点的载荷信号进行分析处理，得到轿车悬架系统的载荷
特征，最后基于测取的载荷谱和分析结果，制定多个试验加载谱，通过分析比较，
得到一组最佳的悬架耐久性试验载荷谱用以进行悬架耐久性试验，并总结出快速
试验载荷谱优化的准则，作为其他新开发的汽车零部件的耐久性载荷谱制定的参
考和依据，为提高自主品牌汽车的设计水平和竞争能力提供技术支持。
§1.1.2 课题来源
本课题来源于上海汽车工业科技发展基金“轿车悬架耐久性快速评价技术研
究”项目（项目编号 0709），该项目由上海理工大学承担，某汽车公司合作完成。
第一章 绪论
3
§1.2 国内外相关研究文献综述
§1.2.1 车辆零部件抗疲劳设计和载荷谱
车辆行驶过程中的故障主要是由于机械失效引起的。机械失效是指机械结构
或零件的尺寸、形状和材料性能发生改变，不能执行预期的功能。车辆零件发生
的机械失效主要有以下几种形式：弹性变形、塑性变形、疲劳、磨损、腐蚀、碰
撞等，其中以疲劳和磨损为主要的失效形式[4]。据统计，大约有 80%的零件破坏是
由疲劳造成的。引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析估
算出来的“安全”载荷。所以，汽车的结构轻量化设计实质是一种结构抗疲劳设
计。
现在广泛使用的抗疲劳设计方法主要有三种[5]：
（1）无限寿命设计，它要求结构件的设计应力低于其疲劳极限，从而具有无
限寿命。对于要求长期安全使用，而且对自重没有严格要求的机械，它是比较合
适的，对于汽车来说，这种设计方法只适用于汽车上的少数部件，如曲轴、气缸
阀杆等。
（2）安全寿命设计，它又称有限寿命设计，即只保证结构件在规定的使用期
限内能够安全使用，因此，它允许结构件的工作应力超过其疲劳极限，从而自重
可以减轻，是当前许多机械产品的主导设计准则。安全寿命设计可以根据 S-N 曲
线进行设计，也可以根据ε-N 曲线进行设计，前者称为名义应力有限寿命设计，后
者称为局部 应力应变法。汽车上的大部分结构件都可以运用安全寿命设计进行设
计。
（3）损伤容限设计，此种方法是由航空工程师制定的。它允许结构中出现裂
纹，但在设计中要采取断裂控制措施，以确保裂纹在使用期内不致扩展到引起破
坏的程度，从而使有裂纹的结构件在其使用期内能够安全使用。它用于裂纹扩展
缓慢而断裂韧度高的材料。
每种抗疲劳设计方法都有一定的适用范围，并不能完全取代。从目前看，对
于高周疲劳，仍以名义应力法为佳；对于低周疲劳，则局部应力应变法具有先天
的优越性，但只能计算裂纹形成寿命，需要与损伤容限设计结合起来使用；对于
具有初始缺陷或裂纹的零件，应当优先使用损伤容限设计。
对于车辆零部件来说，疲劳过程中裂纹萌生寿命占据主导，零件一萌生裂纹
即不主张继续使用。出于减少材料消耗和汽车成本，降低油耗的考虑，汽车零件
的抗疲劳设计以有限寿命设计法为主。
在结构抗疲劳设计中，主要有两方面的问题，第一是用一定材料制成的构件
轿车悬架耐久性试验载荷谱的优化研究
4
的疲劳寿命曲线，一般用常幅加载疲劳试验来得到。第二是该构件的工作应力谱，
就是构件在外部载荷作用下产生的应力时间历程（动态应力响应）。一般意义下的
载荷谱指的就是工作应力谱，因为它可以实际测量出来（如通过电阻应变片）。外
部载荷的时间历程（一般为随机性质）作用在构件上，引起结构的响应，响应信
号一般包括应力、应变、加速度和力（矩）等，响应的时间历程经过计数处理，
得到各种形式的累计频次分布，称之为载荷谱，作为结构设计和试验的根据，分
别叫做设计谱和试验谱。
与载荷谱有关的因素很多，主要有使用情况、运行条件和结构特性三方面，
而这三方面之间也是互相联系的。对车辆构件来说，使用情况指直线行驶、转弯、
制动、加速、室内运输、建筑工地运输、乡村行驶以及驾驶习惯等等；运行条件
主要指道路情况，路面好坏，弯度，坡度等等。
结构特性主要取决于车辆构件和部件的设计和动态性能。在车辆使用情况和
运行条件数据已知的情况下，一台新设计车辆的载荷谱主要就只和车辆本身的设
计数据有关[1]。
§1.2.2 国内外汽车耐久性快速评价技术发展历史及现状
伴随着国际市场汽车竞争的不断加剧以及计算机分析和控制技术的不断提
高，国外从上世纪 60 年代后期开始研究汽车零部件耐久性快速评价技术，因此对
于载荷谱的研究也非常细致深入。
美国汽车工程师协会（SAE）是国际上最权威的汽车研究机构，他们每年都发
表许多载荷谱方面的文章[6~9]，他们在 20 世纪 60 年代出版的《零件疲劳设计手册》
直至今天仍是进行汽车部件疲劳耐久性设计和试验的重要依据之一[10]。美国材料
试验协会（ASTM）在 1963 年发表《疲劳试验和疲劳数据的统计分析指南》一书，
首创了疲劳试验的统计研究方法。早在七十年代，美国汽车工程师学会(SAE)就开
展了复杂载荷下疲劳失效的研究。他们从现场跑车中实测了各种零部件的载荷谱，
最后从 34 个载荷谱中选择了三个有代表性的载荷谱:悬挂系统载荷谱、传动系统
载荷谱和托架振动[11]。
在疲劳试验方面，德国的 Woehler 由于提出 S－N 曲线，而被称为“疲劳试验
之父”，由于参数简单明了，直到今天 S－N 曲线在疲劳寿命的计算领域中仍然处
于十分重要的位置。Gassner 提出的 8 级程序加载方法，至今仍是疲劳试验的基本
方法[12,13]。
日本在疲劳研究方面也做出了较大贡献，疲劳计数法中最为常用的雨流法就
是由日本的 Matsuishi 和 Endo 提出[14]。
摘要：

摘要汽车整车和零部件的耐久性评价技术的薄弱长期制约着国内整车开发的水平。随着新能源汽车和自主品牌汽车零部件生产种类的快速增加，特别是对副车架、悬架系统这些复杂的零部件，载荷评价和应力分析困难，试验系统综合技术要求高，迫切需要形成自己的快速评价能力，以满足日益增加的新产品开发需求，提高配套水平，提升竞争能力。本文以某汽车后悬架为对象，研究其耐久性试验载荷谱的制定和优化，最终得到一组最佳的可以快速评价该悬架耐久性的试验载荷谱，作为其他新开发的汽车零部件的耐久性载荷谱制定的参考和依据，为提高自主品牌汽车的设计水平和竞争能力提供技术支持。研究过程中，首先基于课题组长期对汽车结构疲劳强度研究，将汽车使用...

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