杨 军，肖海明
（1.江铃汽车股份有限公司 产品开发中心，江西 南昌 330038；
2.江西省乘用车结构设计工程研究中心，江西 南昌 330038）
随着汽车产业的发展，市场竞争越来越激烈，各整车厂的产品研发周期缩短。为了在产品研发前期以及在整车路试失效整改过程中尽快发现并解决问题，因此，利用加速的台架验证能更好地缩短验证周期。
传统振动耐久试验方法存在与路试关联性差、时间长等不足，为了提高产品耐久性、缩短产品开发周期和降低成本，通常需要进行台架加速耐久试验。工程上传统的加速耐久试验方法是将试验载荷谱加以浓缩或强化，以达到缩短试验时间的目的，其中存在很多不定因素，比如浓缩导致部分载荷损伤的丢失，强化可能导致异常大的信号、失效模式的改变以及试验时间无法与试车场关联。传统方法都很难做到确定损伤的量化对比。误差大和不确定性是传统加速耐久试验方法的明显不足。利用冲击响应谱及疲劳损伤谱的概念将道路载荷谱（Road Load Spectrum, RLS）工况进行合成，并得到驱动功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）功率谱进行振动耐久的方法，能实现台架加速耐久试验与试车场道路耐久试验的准确关联。本文分析了某汽车副水箱支架的台架振动耐久加速试验方法，且与整车路试结果关联性好。
某轻卡副水箱支架在整车结构耐久路试，强化坏路验证过程进行到61%时，检查发现副水箱支架在支架安装螺栓处钣金断裂，如图1所示。本文针对该失效问题进行加速振动试验方法研究。
图1 路试失效图片
2.1 加速度传感器安装
副水箱支架振动来源于支架安装的车架纵梁，因此，在副水箱支架与车架的安装螺栓处（路试失效位置附件）安装三轴加速度传感器，如图2所示。采集支架的振动输入源，同时在支架本体上安装加速度传感器，采集支架在路试过程中的振动响应。
图2 加速度传感器安装位置
2.2 整车路试工况采集
按整车路试耐久规范进行载荷谱采集，为消除驾驶员的驾驶差异和路面等其他随机因素的影响，每个工况至少采集3个样本。
3.1 加速振动试验数据分析流程
对于整车试验场采集到的道路载荷谱数据，首先需要去除毛刺、零漂和其他异常信号，并根据整车路试工况将载荷谱按工况进行截取，得到各工况的时域数据，如图3所示。根据单自由度（Single Degree Of Freedom, SDOF）振动模型[1]，分别计算各工况的的冲击响应谱（Shock Response Spectrum, SRS）和疲劳损伤谱（Fatigue Damage Spectrum, FDS）。依据整车路试规范，将各况FDS 累加得到总的路试目标FDS，然后进行合成加速台架试验用的FDS并对该驱动谱进行校验，得到合适的加速后的台架试验FDS，以确保台架与路试之间的关联性，数据分析流程如图4所示。
图3 载荷谱时域信号
图4 数据分析流程图
3.2 SRS与FDS计算过程
1.损伤计算及累计损伤
台架试验加速的前提是损伤等效，即路试各工况的总损伤与经过压缩后的台架试验损伤一致。本文使用雨流计数统计方法，并引入伪损伤概念，对路试的加速度进行疲劳损伤计算，并根据Miner原则将各工况损伤进行累加，从而得到总损伤。
Miner线性累积损伤理论认为，构件在载荷S作用下，循环至破坏的寿命为N，则可定义在其经受n次循环的损伤为
经过时域数据雨流统计分析，计算出每个载荷作用的循环数，将损伤线性累积得到总损伤，即
式中，m为载荷数。
2.FDS计算
工程中的耐久加速试验均基于损伤等效原则，因此，首先对采集的道路载荷谱加速度信号进行损伤计算，得出所采集数据的FDS，然后根据路试中的各工况进行损伤累加。FDS计算公式为[2]
式中，T为加速度 PSD 的持续输入时间；
K为单自由度系统刚度；
b和C为S-N曲线疲劳参数；
Q为动态放大因子；
fn为固有频率；
f为输入频率；
YAPSD(fn)为输入的加速度 PSD，Γ为Gamma函数。
截取出每个工况下，采集到的副水箱支架安装点的道路载荷谱，分别计算各工况疲劳损伤FDS，图5为石块路工况下的疲劳损伤FDS曲线，三条曲线分别代表采集的X、Y和Z向疲劳损伤FDS。
图5 疲劳损伤FDS曲线
3.SRS的计算
输入的时域加速度信号经过SDOF系统传递函数过滤后，得到最大响应加速度，一个频率接着一个频率重复过滤操作，得到每个频率的最大响应加速度，对这些最大响应加速度值做包络线[3]，即为SRS。
截取每个工况下，采集到副水箱支架安装点的道路载荷谱计算SRS，计算结果SRS曲线如图6所示。
图6 SRS结果曲线
3.3 合成PSD及校验
计算得到路试各工况的FDS并按路试规范损伤累加得到总的FDS后，根据疲劳损伤等效原则合成台架试验的驱动PSD谱和加速振动试验时间，可基于以下公式计算得到加速后的台架试验的PSD谱[4]。
式中，∑FDS为疲劳总损伤谱；
K为安全系数；
Teq为加速试验时间。
副水箱支架最后合成三个方向的振动试验PSD谱如图7所示。实线为X向PSD曲线，虚线为Y向PSD曲线，点线为Z向PSD曲线。
图7 合成三向PSD谱
调整试验加速时间可以得到不同台架试验的PSD谱，加速振动台架试验必须满足以下要求[5-6]：
1）加速后的试验失效模式应与实际使用的失效模式一致；
2）加速后的试验谱不应出现不切实际、异常高的载荷；
3）在合理加速的前提下尽可能缩短试验时间。
为满足以上要求，且避免过度加速，需要对合成后的PSD谱进行检验。检验过程是将各工况的SRS做最大值的包络计算，得到最大值的SRS，同时将合成的台架PSD谱进行极值响应谱ERS计算，得到频域PSD信号在SDOF系统中最大响应加速度谱，将此加速度谱与最大值包络的SRS谱进行比较。合理的加速台架试验PSD谱的ERS不应大于最大值包络的冲击响应谱SRS的1.5倍，图8、图9、图10为X、Y和Z向合成台架PSD谱的ERS与所采集道路载荷谱的SRS的对比图。从对比图中分别读取到ERS和SRS的最大值，分别计算三个方向ERS与SRS最大值的比值，X向为22.29/19.18=1.16；
Y向为25.82/19.3=1.34；
Z向为25.43/20.12=1.26。
图8 X向对比
图9 Y向对比
图10 Z向对比
三个方向的ERS与SRS最大值的比值都小于1.5，因此，合成台架PSD是合适的。实际操作过程中通过不断调整加速试验时间，得到不同的ERS值进行对比计算，最后得到合适的ERS与SRS比值，在此比值时设置的试验时间和转换得到的PSD谱为振动试验输入。
该支架台架试验合成的PSD谱对应的加速台架试验时间为12 h，将加速台架振动试验分为4个小循环，单个循环时间如表1所示。
表1 台架振动试验循环表
某副水箱支架安装在整车车架纵梁上，故取一段车架纵梁作为台架约束工装，将副水箱支架安装在纵梁上，并将纵梁完全约束后固定在振动试验台台面上。按台架振动试验循环表要求，分别进行X、Y、Z三个方向的振动试验，振动台架照片如图11—图13所示。
图11 Y向试验台架
图12 X向试验台架
图13 Z向试验台架
原状态支架在X向试验进行6 h、Z向试验进行6 h、Y向试验进行4.6 h后，发现安装螺栓处钣 金有较大裂纹。台架与路试试验结果对比如表2所示。
表2 台架与路试结果对比
从台架试验结果来看，台架试验与整车路试失效位置、失效模式一致，且试验时间大幅度缩减。
本文研究所得到的台架振动PSD谱是合适的，台架与路试的关联性好，该振动PSD谱可运用于后续优化样件的台架再验证。
支架设计部门对支架进行设计优化后，再继续运用该方法进行台架振动试验验证，并通过台架试验验证，节省大量后续整车验证的时间。
通过对比试验结果可以得出，基于整车路试载荷谱进行合成加速振动试验PSD谱的振动试验方法与整车路试的关联性好，台架失效位置、失效模式和失效寿命与整车路试结果一致，且台架验证时间较整车路试验证时间大幅缩短，能有效减少产品开发周期。
基于整车路试载荷谱的加速振动试验方法不仅可以用于路试故障台架复现，还可以用来对设计优化产品进行再验证，并可运用于整车其他类似支架类零件的台架验证。
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