輕型車后橋二維載荷譜及其疲勞壽命預測

郭利敏++袁月

摘 要：汽車后橋作為汽車底盤的關鍵零部件，承受來自路面和車輛本身的各種沖擊和作用力，其剛度和強度對于主減速器和差速器齒輪的正常嚙合及半軸的正常工作和后橋各部位軸承的受力及壽命有著重要意義。本文結合輕型車后橋二維載荷譜的關鍵技術，對其疲勞壽命預測進行了研究和分析。

關鍵詞：輕型車后橋；二維載荷譜；疲勞壽命

隨著全球日趨激烈的競爭和用戶對產(chǎn)品的安全性、耐久性及可靠性日趨關注和重視，對承載型車輛的質量、壽命和可靠性提出了更高的要求。驅動橋作為承載汽車傳動系的最后一個大總成，其主要功能是增大扭矩并將其分配給左右車輪，并通過差速器實現(xiàn)左右車輪在轉彎或不平路面行駛時所要求的差速功能；同時，驅動橋還承受來自路面和車輛本身的各種沖擊和作用力，其工作環(huán)境極為惡劣。驅動后橋作為主減速器和差速器等的外殼起著支撐車輛荷重和將車輪上的牽引力、制動力、垂向力等傳遞給車架的作用。因此后橋的剛度和強度對于主減速器和差速器齒輪的正常嚙合及半軸的正常工作有著重要意義。

一、二維載荷譜的均值

實際上零件和構件所承受的循環(huán)載荷是一個連續(xù)的隨機過程，利用雨流法計數(shù)結果，選取幅值和均值作為兩個隨機變量，采用二維隨機變量的統(tǒng)計分析理論對雙參數(shù)計數(shù)結果進行統(tǒng)計分析，建立二維概率密度函數(shù)，從而完成了由實測子樣到推斷母體的分布。已知母體分布后，便可求得均值和幅值變化范圍及其取值概率，進而得到二維載荷譜。建立二維載荷譜需要得到均值與幅值的全部信息，只有采用雙參數(shù)計數(shù)法。由于雨流法在計數(shù)原理上與實際工作載荷對金屬零件的循環(huán)應力-應變較相似，有堅實的力學基礎，在計數(shù)方法上便于用計算機完成，因而得到廣泛的應用，近年來被認為是最有效的計數(shù)方法。根據(jù)雨流計數(shù)法的結果可以把載荷時間歷程處理成為包含幅值和均值全部信息的雨流矩陣。均、幅值矩陣是雨流計數(shù)法給出的雨流矩陣之一，將該矩陣轉換后，得出均值、幅值的邊緣累積頻次分布曲線。

二、道路載荷譜采集分析

載荷譜測試參數(shù)是臺架疲勞試驗的載荷控制量，載荷譜測試參數(shù)可以是試驗件關鍵部位的應變，也可以是試驗件的輸入工作載荷。通常試驗件的應變較容易測試，試驗件的輸入載荷控制比關鍵部位應變控制更能全面重現(xiàn)試驗件各部位的工作應力和應變。理想情況下，試驗載荷和周期應該只依賴于產(chǎn)品的開發(fā)目標（公路、越野路或市區(qū)道路行駛等使用條件和壽命里程）。車輪載荷作為汽車車橋及懸架載荷輸入，不僅可重現(xiàn)懸架各組件的工作應變循環(huán)，同時基本上獨立于任何零件的特定設計。試驗用車輪載荷的測試采用了MTS公司生產(chǎn)的車輪6分力傳感器，其可準確測試路面對車輪在3個坐標方向的作用力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz。近年來，大多數(shù)企業(yè)采用關聯(lián)用戶用途的試車技術建立了汽車疲勞耐久性道路行駛規(guī)范。該類規(guī)范通過汽車試驗場各種典型路面與不同車速行駛和制動、轉彎等工況下的組合，與關聯(lián)用戶用途的汽車載荷、行駛道路和路況、車速、操作方法等使用條件相關聯(lián)，使道路試驗與用戶使用損傷情況一致性較好。因此，采用關聯(lián)用戶用途的汽車耐久性道路行駛規(guī)范，在汽車試驗場對汽車載荷譜進行了測試。該測試方法不僅可節(jié)省測試時間和費用，同時也利于臺架試驗載荷的強化。

三、結構疲勞壽命預測方法

（一）常規(guī)疲勞設計方法

常規(guī)疲勞設計方法也稱為名義應力法，它以名義應力為設計參量來估算結構的疲勞全壽命。該方法是最早使用的抗疲勞設計方法，以積累了大量的材料數(shù)據(jù)和工程應用經(jīng)驗，是目前工程上常用的較可靠的抗疲勞設計方法。名義應力法從材料的 S-N 曲線出發(fā)，考慮各種影響構件疲勞壽命的因素對材料 S-N 曲線進行修正，進一步得到構件的 S-N 曲線。S-N曲線在雙對數(shù)坐標中為分段直線。其中無限壽命設計法使用的是 S-N 曲線的水平部分，即疲勞極限；而有限壽命設計法使用的是 S-N 曲線的斜線部分。對于變幅應力下的疲勞壽命估算，則需對應力-時間歷程進行計數(shù)處理，再結合 Miner 法則等損傷累積理論進行壽命估計。

（二）局部應力應變法

局部應力應變法一般用于應力水平較高的低周疲勞問題，它的設計思路是，構件的疲勞破壞都是從應變集中部位的最大應變處起始，并且零構件的整體疲勞性能取決于最危險區(qū)域的局部應力-應變狀態(tài)。用彈塑性有限元法或修正 Neuber 法等獲得缺口處的局部應變-時間歷程，經(jīng)雨流計數(shù)法等計數(shù)處理，結合應變-壽命曲線和疲勞損傷累積理論即可估算裂紋萌生壽命。用局部應力應變法估算出裂紋萌生壽命以后，再用斷裂力學方法估算出裂紋擴展壽命，兩階段壽命之和就是構件的總壽命。

（三）損傷容限設計

損傷容限設計就是以斷裂力學為理論基礎，以無損檢驗技術和斷裂韌度的測定技術為手段，以有初始缺陷或裂紋構件的剩余壽命估算為中心，以斷裂控制為保證，確保構件在使用期內(nèi)能夠安全使用的一種抗疲勞設計方法。損傷容限設計的關鍵問題，是正確估算裂紋擴展壽命。裝載機驅動后橋在臺架試驗和實際運行中，其失效一般表現(xiàn)為低應力高周疲勞，因此本文選用名義應力法進行后橋總壽命的預測。對于名義應力法，后橋強度有限元分析獲得的彈性應力/應變響應即可滿足需求。

四、結束語

由于車輛實際工作中后橋承受的應力水平低于后橋材料的疲勞極限，后橋的疲勞屬于高周疲勞問題，利用nSoft 軟件的應力疲勞分析模塊，導入各測點的絕對值最大主應力-時間歷程，并結合構件 S-N 曲線和 Miner 累積損傷理論即可估算后橋的疲勞壽命。選用 BS7608 標準中 F 級標準 S-N 曲線，根據(jù)臺架試驗加載情況施加載荷-時間歷程。在后橋疲勞壽命計算的過程中，考慮了平均應力的影響，應用 Goodman 公式進行了修正，最后計算得到的焊縫疲勞壽命分布。從而得出，后橋壽命的薄弱位置，以及脈動循環(huán)載荷的承受拉應力和疲勞損傷程度。

參考文獻：

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