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乘用車懸架靜強度與疲勞載荷研究——廣汽研究院
2021-09-21 22:10:13· 來源：ATC汽車底盤
摘要：為了快速獲得平臺懸架靜強度與疲勞載荷，本文依據(jù)某A級平臺5款量產(chǎn)車型試驗場道路栽荷數(shù)據(jù)，以前麥弗遜懸架為研究對象，先對輪心載荷幅值進行統(tǒng)計分析，根
摘要：為了快速獲得平臺懸架靜強度與疲勞載荷，本文依據(jù)某A級平臺5款量產(chǎn)車型試驗場道路栽荷數(shù)據(jù)，以前麥弗遜懸架為研究對象，先對輪心載荷幅值進行統(tǒng)計分析，根據(jù)應力．強度干涉模型，得到該平臺前懸架的強度載荷邊界，及其與車輛滿載輪荷的G載荷系數(shù)。再通過研究5款車型車輪輪心疲勞偽損傷與輪荷的關聯(lián)關系，得到該平臺懸架的疲勞栽荷。此方法可快速獲得同平臺懸架靜強度與疲勞載荷，省去實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，其強度與耐久性是影響汽車性能及品質(zhì)的關鍵因素。在底盤懸架設計開發(fā)中，為獲得懸架結構強度與抗疲勞設計載荷，一般會通過實車試驗場道路譜采集試驗，獲得其輪心準確的載荷輸入一輪心六分力，以此作為輸入，再通過整車多體動力學模型提取懸架各零件連接點的載荷，進而獲得懸架各零件的強度與抗疲勞設計載荷。用于懸架零件的強度與抗疲勞設計開發(fā)及驗證。
通常，強度載荷與疲勞載荷是底盤懸架強度和抗疲勞設計的主要輸入刪。強度載荷主要指靜強度載荷，一般為G載荷，G表示滿載輪荷。通常采用的懸架靜強度載荷包括：垂向3G，制動lG，加速o．7G，側(cè)向lG等。靜強度載荷G值系數(shù)，目前主要參考國外相關企業(yè)標準制定。載荷強度與企業(yè)自身的試驗場規(guī)范不適應，這將阻礙零件的輕量化設計。疲勞載荷一般是指通過實車進行道路譜采集試驗獲得的實際載荷。
該載荷通常具有較大局限性：首先概念設計早期無法獲得疲勞載荷，需等待物理樣車完成后才能開展實車路譜采集工作；此外早期的物理樣車與車輛設計狀態(tài)差異較大，導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。通常車輛結構的強度與耐久性設計首先從實際用戶使用出發(fā)，經(jīng)過目標市場樣本調(diào)查、用戶統(tǒng)計等獲得整車的耐久性設計目標。再通過與試驗場道路關聯(lián)，制定強度與耐久性試驗場規(guī)范。本文基于已制定的強度與耐久性試驗場規(guī)范，依據(jù)多個量產(chǎn)車型試驗場道路譜載荷數(shù)據(jù)，選擇前麥弗遜懸架載荷譜進行統(tǒng)計分析。
獲得了輪心載荷幅值、疲勞損傷與輪荷的關聯(lián)關系，建立了一套底盤懸架平臺強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度與抗疲勞載荷。并且可以省去同平臺、改款車型開發(fā)過程中道路譜采集環(huán)節(jié)，減少懸架開發(fā)周期，節(jié)約成本。
1 試驗場道路載荷
1.1載荷工況及數(shù)據(jù)
某A級車型平臺包含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場道路載荷，試驗場道路及工況如表2所示，包括16種道路及工況。試驗場道路及工況分為兩類：第一類是操縱工況，包括制動，沖坑，過減速帶，轉(zhuǎn)彎(繞八字)，路緣沖擊等；第二類是隨機路面工況，包括卵石路、石塊路，共振路、凸塊路、砂石路等強化耐久路面。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域信號。
1.2載荷分析
1.2.1幅值分析SuV.1
車型在16種試驗場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，對比了5款車型的載荷幅值，如表4所示。經(jīng)對比發(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)，該平臺前懸架試驗場載荷功率譜密度及其分布存在共性，其載荷具有平臺化的基礎。
2 懸架靜強度與疲勞載荷
2．1靜強度載荷
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、緊急制動等；耐久性強化路面包括卵石、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度設計邊界。每個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)計結果。假設，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；盯為標準差；后為置信因子。
其中，(力表示應力或強度的概率密度，厶(楊)表示零件工作應力分布曲線，．磊(如)表示零件強度分布曲線。應力與強度的量綱相同，當兩曲線相交，即發(fā)生干涉，表示其強度可能小于應力，零件將以一定的概率失效。應力．強度干涉模型認為強度工。大于應力％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)若車輛基于試驗場的懸架強度設計可靠度要求為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+的強度設計載荷下限值為12519 N。同理得到垂向Z_的強度設計上限值正l一七礦=—428N?，F(xiàn)規(guī)定G載荷系數(shù)顫為強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。可得到其z+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?；谏鲜龇椒?，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。通過對5款不同車型的前懸載荷道路譜幅值統(tǒng)計分析，可以獲得該平臺前懸架基于試驗場的經(jīng)靜強度載荷：垂向2.5G，側(cè)向1.1G，縱向一0.7G及+1.5G。
2．2疲勞載荷
試驗場道路疲勞載荷為隨機載荷，先通過雨流計數(shù)統(tǒng)計分析【10。111，再進行偽損傷計算。偽損傷是指通過載荷直接計算疲勞損傷，是評估不同工況載荷及不同通道載荷一種手段。其計算理論基礎是基于局部應力一應變法，其結構應變與壽命的關系式為【12。15】島=島。+島p=警(2Ⅳ，)6+哆(2Ⅳ，)。(4)式中：島為應變幅值；s口。為彈性應變；如P為塑性應變；吖為疲勞強度系數(shù)；E為彈性模量；M為疲勞壽命；6為疲勞強度指數(shù)；芬為疲勞延伸系數(shù)；c為疲勞延性系數(shù)。循環(huán)應變與應力的關系為l島=警+(詈)礦 (5)式中：％為應力幅值；K，為強度系數(shù)；n7應變硬化指數(shù)。由于損傷是直接通過各通道載荷計算，并非零件結構真實應力，即此處的為％偽應力，對應的損傷稱為偽損傷。
通過上述偽損傷計算得到每個工況的偽損傷D，，再根據(jù)每個工況的循環(huán)次數(shù)M及損傷線性疊加原理，得到試驗場總損傷D為D=∑蘭lDrⅣf (6)式中：D，為每個工況的偽損傷；M為每個工況的循環(huán)次數(shù)。通過式(6)計算得到各車型試驗場的縱向、側(cè)向、垂向偽損傷如表7所示。
對比5款車型試驗場的偽損傷統(tǒng)計結果發(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。進一步分析偽損傷與輪荷的關系發(fā)現(xiàn)，各主要方向的偽損傷與輪荷存在較好的線性相關性，如圖4所示。其中垂向偽損傷與輪荷線性相關性最好(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聯(lián)關系，可以得到同平臺車型試驗場疲勞損傷仇，D。，見(工，y，z分別代表縱向、側(cè)向、垂向)與基準車型疲勞損傷D!，D?，Do的關系式為D。=D2+Kk△w (7)式中：△w表某車輛滿載輪荷與基準車輛輪荷的差值；K，K，恐分別為該平臺輪荷與疲勞損傷關聯(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系求出該車型平臺前麥弗遜懸架縱向、側(cè)向、垂向載荷疲勞損傷與輪荷的關聯(lián)系數(shù)K、K，、丘分別為0.0116、0.002和0.0174。根據(jù)式(7)及已求得的關聯(lián)系數(shù)疋、K、恐可快速計算得到同平臺不同設計軸荷懸架疲勞損傷值。將該疲勞損傷目標直接用于新懸架結構抗疲勞設計與臺架試驗，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 結論
通過對同平臺5款車型前麥弗遜懸架車輪輪心試驗場道路載荷幅值統(tǒng)計分析，得到靜強度載荷：垂向2.5G，側(cè)向1.1G，縱向一0.7G，+1.5G；再對載荷疲勞損傷統(tǒng)計及關聯(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系，線性相關度R2分別達到0.90、0.89、0.94。表明根據(jù)輪荷可快速且準確計算得到同平臺不同設計軸荷的懸架疲勞損傷目標值?；诒疚难芯拷Y果，可快速獲得平臺化懸架的靜強度與疲勞載荷，提高懸架的強度、抗疲勞設計與驗證效率。
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