汽车零部件强度试验和评价

1 汽车零部件强度试验和评价 周 炜 上海 大众 汽车 有限公司 【 摘要 】 汽车零部件的强度试验和评价是一项比较复杂的工作 ， 必须考虑各方面的影响因素 ， 载荷的复杂性 、 零件强度的离散性 、 以及影响这些参数的外部和内部因素 。 本文从所涉及的力学和统计学的概念和理论入手 ， 介绍了在强度分析中所用到的基础知识 。 随后对载荷分析和测量 、 零部件强度试验 、 强度评价等一些在实际工作中采用的方法进行了阐述 ， 最后通过一个应用实例进一步希望能起到抛砖引玉的作用 。 关键词 ： 强度 汽车 零部件 疲劳 耐久 性 试验 1 概述 汽车的结构设计是一项综合性的工程 ， 从时间上讲 ， 它几乎贯穿整个产品开发阶段 ； 从开发的对象来分 ， 可以 大致分成发动机 、 底盘 、 车身和电器部件 ； 而从所涉及的专业上讲 ，又包括造型 、 振动和噪声 、 结构强度 、 整车性能等方面 。 在这些专业领域中 ， 强度是一个比较重要的问题 。 一方面 ， 为了满足在整个使用寿命内可靠性和耐久性要求 ， 所有零部件 、 乃至整车需要有足够的强度 ； 而另一方面 ， 由于产品成本的要求 ， 又要将零部件的材料用得最省 。 强度设计的目标就是 要在这两个相矛盾的要求间找到一个平衡点 ， 使得零部件达到轻量化的同时 ， 满足可靠性的要求 。 与此同时 ， 为了缩短整个产品开发过程的周期和降低开发费用 ， 往往在样车还没有制成的开发初期阶段就需要强度设 计的介入 。 因此 ， 强度设计要回答的问题就是 ： 设计的零部件是否能够在使用寿命内不发生破坏 ？ 进行汽车零部件强度设计主要的手段包括 ： 载荷测量 ， 零部件试验和模拟计算 。 本文结合作者的工作实际 ， 重点从 试验的角度出发 ， 对汽车零部件的强度设计和评价进行阐述 。 2 概念和 理论 载荷和强度 金属的疲劳理论经过近百年的发展历史 ， 已自成体系 ， 对 实际 工作具体较好的指导意义 。我们在进行强度设计时 ， 实际上只需要 关注 两个参数 ： 一是所 研究的 零部件 在整个使用过程中将会受到的各种各样的载荷 ， 其表现形式是多种多样的 ， 可以是零部件上所受的力 ， 也可以 是某处的应变 ， 也可以是某个物体的振动加速度 ， 等等 ； 二是零部件本身能够承受这些载荷的能力有多强 ， 也即俗称的 “ 强度 ” ， 它是由零部件的结构 、 材料 、加工工艺等因素决定的 ， 是零部件本身的特性 。 对一个零部件来说 ，载荷和强度两者都是随机变量 ， 它们符合一定p 强 度度 S 荷 L 效 图 1 载荷和强度的概率密度分布 2 的统计规律 。 在理想的情况下 ， 我们借助概率密度分布 ， 可以对两者以及它们之间的关系进行数学描述 （ 图 1）。 假设两者都符合对数正态分布 ， 其均值和方差分别为 两个均值之间的差称安全系数 ( ) 220= m ， 其中 0是正 态分布的标准偏量 。 当载荷大于强度时 ， 即两条概率密度分布相交的区域 ，失效就会发生 。 广义 损伤值 载荷 是一种物理量 ， 而疲劳强度则 是指使用寿命 ， 具有时间的量纲 。 为了使这两者具有可比性 ， 引入了广义损伤值的概念 。 狭义的损伤原来是用于表征金属构件在一定的外载荷作用下在一定时间内发生疲劳的量度 。 记录金属构件某个危险部位在一段时间内的局部应变 ，采用一定的计数方法 ， 如雨流法 ， 得到应变 载荷谱 ， 然后根据材料或构件的应变 寿命曲线 ，利用 线型损伤累积的理论 ， 当损伤值累计到 1 则构件将发生破坏 。 而这里引申了损伤表征载荷累积程度的意义 ， 将 它应用于其它物理量 ， 如加速度 ， 力 ， 位移等 ， 上 。 同样记录这些载荷的时间历程 ， 通过计数方法得到载荷谱 ， 然后 根据 一条标准的 线 （ 图 2）， 利用线性累积损伤理论 计算广义的损伤值 。 这样 ， 就可以通过一个统一的量度来对载荷 和强度 进行比较 。 强度准则和 检验手段 对于强度设计来说 ，首先必须确定相应的强度准则 ， 也即我设计的产品最终在强度方面要满足什么样的量化指标 ？ 一般来说 ， 每个整车厂都对强度准则有自己的定义 ， 例如 ，欧洲的汽车生产厂家对涉及安全性的零部件 的 要求是 在用户道路行驶200,000 至 300,000 公里不发生破坏 。 需 要注意的是 ，由于以上提到的载荷和强度的随机特性 ， 因此在制定强度准则时 ， 也必须考虑概率的因素 。 不同的厂家 ， 根据多年研发的经验 ， 有各自 的强度和耐久性试验方法 。 有的采用用户道路试验方法 ， 即根据载荷分析和经验积累 ， 选择一条或多条用户道路的组合 ， 作为整车耐久性试验道路 ， 如果设计的产品在试验道路上行驶一定的里程后没有发生破坏 ， 那么则认为其强度是足够的 。 采用用户道路作为试验道路 ， 其真实性勿庸置疑 ， 但缺点是试验周期太长 ，花费也较大 。 大多数的厂家选择试车场的强化耐久道路作为试验道路 ， 这样在载荷强度较高的强化路面进行耐久试验 可以加快试验周期 。 在我国 ， 有 国家行业 认可的试车场 ， 也有企业自己建设的试车场 ， 无论是在什么样的试车场里做试验 ， 关键的问题在于如何找到强化道路和所确定的强度准则之间的当量关系 。 在有些零部件的开发阶段 ， 样车还没有制成 ， 或者单个零部件的结构改型 ， 如果要用一辆整车来进行耐久试验的话 ， 比较浪费 ， 这时利用台架试验来验证强度准则就显得十分方便和必要了 。 由于实验室内的环境相对比较固定 ， 载荷的离散度非常小 ， 通过一定的载荷处理技术又可以将试验时间缩短 。 一般采用单一频率等幅加载N S K=5 图 2 标准 线 1 106 3 和道路模拟随机加载两种方式 ： 等幅疲劳试验又称为 验 ， 这是获取零部件 线的较简单的方法 ； 道路模拟试验是利用远程参数控制技术 ， 在试验台上再现实际道路载荷的一种试验方法 ， 相对来说比较复杂 。 近年来 ， 从计算机 础上又发展了所谓的虚拟试验技术 ， 有了零部件的有限元模型和虚拟路面谱以及虚拟试验台模型 ， 可以在软件上模拟真实的试验状况 。 从而在较早的开发阶段就可以对零部件的强度进行评价 ， 大大缩短了开发周期 。 以上提到的这些试验方法并不是孤立的 ， 往往在开发过程中相结合使用 。 3 载荷分析和测量 如上所述 ， 载荷和强度都是符合一定统计规律的随机变量 ， 相比较而言 ， 载荷 的离散度比零件本身强度的离散度要大得多 。 因为对于汽车上某个零部件来说 ， 在整个使用寿命内所受到的载荷其影响因素实在是太多了 ： 路面状况 、 气候条件 、 交通情况 、 法律法规 、 驾驶方式 这些不确定因素导致要想准确得到载荷的真实分布是不可能的 ， 通过测量等手段获得的载荷只是其中的某些样本 。 资料表明 ， 如果要相对准确得到一辆汽车在整个寿命期间受到的载荷的话 ， 样本容量要满足这些条件 ： 第一 ， 测量通道数大致在 50 个左右 ， 包括车轮上的力 、 悬挂和车身的加速度 、 车身局部应变等 ； 第二 ， 测量车的样本数量大概在 2,000 辆左右 ； 第三 ， 每辆车记录的行驶里程必须大于 10,000 公里 。 在现有技术条件下 ， 这样庞大的测量 任务 几乎是不可能完成的 。 欧洲的各大汽车生产厂家联合了一些技术服务公司 ， 多年前开展了一项名为 “ 用户道路谱 ） ” 的测量项目 。 他们在一些用户的车辆上安装很小规模的测量系统 ， 测量通道数 8 个以下 ， 大多数的信息从车载 线中测量 ， 然后在用户行驶 3,000 公里后下载测量数据 。 由这些少数的测量通道 ， 通过事先计算的 “ 传递函数 ” 转换 ， 推广到其它更多的物理量上 。 同时 ， 在较大规模的用户中进行有关驾驶习惯和道路状况的问卷调查 ， 将测量结果与调查结果相结合 ， 推导出载荷的概率分布 。 用户使用状况的调查和道路载荷测量 是一个长期的项目 ， 更多的情况下 ， 在开发阶段没有时间做这项工作 。 这时 ， 我们把 试车场的 强化耐久试验道路作为 载荷测量的依据 。 测量轮技术的出现为道路载荷测量提供了极大的方便 （ 图 3） 。 通过安装在一个特制的轮毂上的力传感器单元 ， 可以方便的测量地面作用在车轮中心的六个分力 （ 三个方向的力和三个方向的力矩 ）。 而以往 ，分解纵向 力 、 侧向力和垂直力的工作非常复杂 。 首先要在底盘部件上分别找到对单向载荷敏感的关键点 ， 然后在相应位置粘贴应变片 ，最后在台架上进行单向载荷标定 ， 才能测量车轮载荷 。 这样的做法有很大的局限性 ， 实际上各方向载荷在这些关键点藕合作用不能完全消除 ， 整个过程步骤烦杂 ， 误差积累明显 。 因而 ， 准确性和适用性很低 ， 影响了载荷分析 和将来台架试验的 迭代 。 除测量轮之外 ， 根据研究对象的不同 ，底盘加速度 、 车身加速度 、 重心加速度 、 减震器位移 、 车身危险截面应变 等 其它物理量 也是测量 的目标 。 图 3 用于道路载荷测量的测量轮 4 4 零部件 的强度 零部件的疲劳强度 ， 是指零部件能够承受随时 间变化的外载荷而不发生破坏的能力 。 在强度评价中 ， 根据疲劳寿命估算方法的不同 ， 用零部件的应力 寿命曲线来表示 。 一定材料的疲劳强度可以从资料中查到 ， 而一定尺寸和形状的零部件的疲劳强度虽然也勉强可以通过乘以一系列的经验系数得到 ， 但在实际工作中绝大多数还是通过试验的方法获取的 。 因为通过试验得到的疲劳强度跟实际情况非常接近 ， 并且最主要的还是 ， 通过试验方法可以得到零部件强度的离散度 。 由于 ， 如上所述 ， 零部件的强度也是符合统计规律的随机变量 ， 因此获取一批零部件的强度离散度也是非常重要的 。 考虑试验成本和试验 时间的约束 ， 零部件疲劳试验一般采用等幅加载的方式进行 。 在该零部件疲劳强度区合理选取二到三个级别的载荷进行试验 ， 每个载荷级别至少做五个样本 。对得到的试验数据经过一定的分析处理 ， 可以得到该零部件的均值 线以及相应的强度离散度 ， 两者一起作为强度评价的依据 。 除了等幅单级加载试验外 ， 有些时候还采用更接近实际工况的道路模拟试验 。 道路模拟试验可以是对单个零部件 ， 也可以是对总成甚至是整车的 。 整个试验过程大致分为以下几个步骤 ： 首先对所关心的零部件在典型道路上的载荷进行测量 ， 一般也是在试车场的强化道路上进行 ； 其次对 采集所得到的载荷进行浓缩和编辑处理 ， 得到目标载荷谱 ； 然后利用远程参数控制技术 ， 在专门的道路模拟试验台上对目标载荷谱进行迭代 ， 得到试验载荷谱 ； 反复播放得到的载荷谱 ， 经过一定的循环次数后 ， 对零部件强度进行评价 。 随着试验台技术的日臻完善 ，基于液压伺服系统的整车道路模拟试验台 ， 从原来简单的四通道轮胎耦合方式发展到更接近实际行驶状况的多通道轴耦合形式 （ 图4）， 其系统的复杂程度也日益提高 。 在对载荷和强度这两个随机变量有一定的了解之后 ， 我们就可以依据某种疲劳损伤理论 ， 对所关心的零部件的强度进行评价 。 比较成熟的疲劳寿命预 测方法有名义应力法和局部应力应变法 （ 图 5） 。 图 4 1 通道整车轴耦合试验台 图 5 两种疲劳寿命估算理论 5 5 应用实例 为了降低材料成本 ， 对某车型的排气管支架进行了改进设计 ， 我们的任务是通过试验的手段来检验新结构是否能够满足强度的要求 。 由于结构改动只涉及很小的零件范围 ， 如果改装 一批 整车来做道路耐久试验的话 ， 花费太大 ， 而且试验周期较长 ， 因此决定只进行零部件级别的台架试验 。 首先进行道路载荷测量 ， 金属支架的两边通过焊接的方式固定在排气管上 ， 中间通过螺栓连接在车身某处 。 根据简单的受力分析和以往的经验 ， 确定螺栓孔周边为载荷相对较大的危险点 。 在螺栓孔周边贴上应变片 ， 安装在一 辆整车上 ， 在试车场的强化耐久道路上进行载荷测量 （ 图 6） 。 一个测量循环的里程大约相当于整个耐久试验里程的 1/500， 考虑到载荷的随机性 ， 由几名不同的试车员分别做了几组测量 。 载荷测量的同时 ， 以零部件为对象进行了台架试验 （ 图 7） 。 根据载荷标定的结果 ， 选取两种载荷 （ 分别进行试验 ， 每个载荷级别做了 5 个样本 。 对所有的试验数据进行分析 ， 可以计算出该零部件的均值 线和强度离散度 。 根据测量的结果 ， 将载荷外推至所要求的行驶里程 ， 采用名义应力法 ， 结合 验结果 ， 对强度评价作出结论 ： 改进结构后的排气管支架能够满足强度要求 。 6 总结 汽车零部件的强度试验和评价是一项比较复杂的工作 ， 必须 考虑各方面的影响因素 ， 载荷的复杂性 、 零件强度的离散性 、 以及影响这些参数的外部和内部因素 。 对于国内刚刚起步的整车自主开发来说 ， 在这方面还有相当多的基础工作要做 ， 比如材料疲劳