轿车悬架弹簧耐久性评价方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.04MB 58 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的载荷评价和应力分析困难，试验与评价综合技
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弹簧为对象，完成了悬架弹簧耐久性评价整个过程，包
括结构分析、室外测谱、载荷谱分析，室内试验，室内外当量关系的确定，最终
总结出悬架弹簧耐久性评价方法，作为其它新开发的汽车零部件的耐久性评价的
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的研究，将汽车使用
中所受的载荷进行分区，包括损伤载荷、强化载荷和无效载荷，并讨论了载荷的
分布特征对汽车结构疲劳寿命的影响，为室外试验载荷谱的损伤计算提供了理论
依据。然后根据悬架弹簧的疲劳特性和工作情况，确定室内耐久性试验的试验时
间、试验载荷和失效判定方法。在完成室内试验后，分析得到对应可靠度下室内
试验的损伤。最后，在得到悬架弹簧室内外试验损伤的基础上，确定出悬架弹簧
室内外耐久性试验的当量关系，并总结出汽车零部件耐久性评价的基本方法。
同以往悬架弹簧耐久性评价方法相比，本文方法的创新性主要体现在：（1）
在室外载荷谱损伤分析过程中，考虑了小载荷的低载强化特性，可以得到更接近
实际的载荷损伤；（2）在计算出悬架弹簧室内外试验损伤的基础上，基于等损伤
的原理，确定了室内外试验的当量关系，总结出了悬架弹簧耐久性评价的基本准
则，为国内汽车零部件耐久性评价提供了技术参考。
关键词： 悬架弹簧 载荷谱 低载强化 耐久性试验 当量关系
ABSTRACT
This paper studied the durability evaluation criteria for one kind of rear suspension
springs, including structural analysis, outdoor test spectrum gathering, load spectrum
analysis, indoor rapid test, and the equivalent relationship between indoor and outdoor
test results. The method described in this paper can supply reference and basis for
durability evaluation criteria for other 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 damage calculation of the outdoor test spectrum. Secondly, according to the
fatigue characteristics and working conditions of suspension spring, the time of the indoor
durability test, and the load of test and failure determination method were made. After
the completion of laboratory tests, the result gained from the test must be calculated to
get the damage under different reliability. Finally, based on the results measured in field,
theoretical calculating and bench testing ，the equivalent relation between indoor and
outdoor test results was obtained. Summarized the research, a basic rule for automotive
components durability evaluation was generated.
In contrast to the former method of durability evaluation of suspension springs, this
method is of the unique advantage of considering the strengthening of low amplitude
loads in load spectrum and acquiring the equivalent relation between bench test and
outdoor test.
Key Words: Suspension spring, Load spectrum, Strengthening under
low amplitude loading, Durability test, Equivalent
relation
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 国内外相关研究技术综述 ...................................... 2
§1.2.1 国外汽车零部件耐久性快速评价技术现状 ..................... 2
§1.2.2 国内汽车零部件耐久性快速评价技术现状 ..................... 3
§1.2.3 低载强化研究 .............................................. 3
§1.3 本文研究的主要内容 .......................................... 4
第二章 载荷损伤和强化理论 ............................................ 5
§2.1 载荷的损伤特性 ............................................... 5
§2.1.1 载荷的损伤特性介绍 ....................................... 5
§2.1.2 传统疲劳累积损伤理论 ..................................... 6
§2.2 载荷的强化特性 ............................................... 8
§2.2.1 载荷的强化特性介绍 ....................................... 8
§2.2.2 低载强化在载荷分析中的应用 .............................. 10
§2.3 本章小结 .................................................... 12
第三章 载荷谱统计分析理论 ........................................... 13
§3.1 载荷统计参数 ............................................... 13
§3.2 功率谱密度函数 ............................................. 14
§3.3 载荷计数方法 ............................................... 15
§3.4 概率密度函数和概率分布函数 ................................. 16
§3.5 载荷谱中载荷的分区 ......................................... 18
§3.6 本章小结 ................................................... 19
第四章 悬架弹簧室外载荷谱测定与分析 ................................. 20
§4.1 悬架弹簧室外载荷谱的测定 ................................... 20
§4.1.1 悬架型式及弹簧受力分析 .................................. 20
§4.1.2 应变片分布 .............................................. 21
§4.1.3 传感器标定 .............................................. 22
§4.1.4 试验道路和试验工况 ...................................... 24
§4.1.5 实车道路试验 ............................................ 24
§4.2 悬架弹簧室外载荷谱的分析 ................................... 26
§4.2.1 室外载荷谱的初步处理 .................................... 27
§4.2.2 室外载荷谱的数值特征统计 ................................ 28
§4.2.3 室外载荷谱的功率谱密度分析 .............................. 29
§4.2.4 室外载荷谱的雨流计数分析 ................................ 30
§4.2.5 室外载荷谱的累积频次分析 ................................ 34
§4.2.6 室外载荷谱组合 .......................................... 37
§4.3 本章小结 ................................................... 37
第五章 悬架弹簧室内耐久性快速试验 ................................... 39
§5.1 悬架弹簧强度参数 ........................................... 39
§5.2 悬架弹簧试验寿命预估与加载谱确定 ........................... 40
§5.3 悬架弹簧室内耐久性快速试验 ................................. 41
§5.3.1 试验目的 ................................................ 41
§5.3.2 试验样品 ................................................ 41
§5.3.3 试验程序 ................................................ 41
§5.3.4 试验结果记录 ............................................ 41
§5.3.5 悬架弹簧室内耐久性试验 .................................. 42
§5.4 试验结果分析 ............................................... 44
§5.5 本章小结 ................................................... 44
第六章 室内外试验当量关系的建立 ..................................... 45
§6.1 室外组合载荷谱损伤计算 ..................................... 45
§6.1.1 传统损伤理论对室外载荷谱损伤估计 ......................... 45
§6.1.2 低载强化理论对室外载荷谱损伤估计 ......................... 46
§6.1.3 传统的修正 Miner 法则与低载强化理论计算结果对比与分析 .... 47
§6.2 室内快速试验损伤计算 ....................................... 47
§6.3 室内外当量关系的建立 ....................................... 47
§6.4 悬架弹簧耐久性评价方法 ..................................... 48
§6.5 本章小结 ................................................... 49
第七章 结论与展望 ................................................... 50
§7.1 研究结论 ................................................... 50
§7.2 本文创新点 ................................................. 50
§7.3 研究展望 ................................................... 51
参考文献 ............................................................ 52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 54
致 谢 .............................................................. 55
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
近几年，随着国家经济实力的提高，在国家政策的大力扶持下，我国自主品
牌汽车如雨后春笋涌现，并不断发展壮大。同时，随着国际市场的开放化，拥有
先进技术水平和丰富研发经验的国际汽车巨头也开始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。
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。
国内轿车底盘零部件的制造商至今尚未形成成熟的悬架系统等底盘系统及其
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
的快速增长，特别是对副车架、悬架系统这些复杂的零部件，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
自己的零部件耐久性评价能力，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。但
当将室内道路模拟试验用于部分汽车零部件（诸如悬架弹簧、横向稳定杆和横纵
拉杆）的时候，可能由于实际路谱载荷较低、零部件设计强度过高等等因素，导
致零部件的室内试验周期较长或是在试验结束后由于无明显的损伤表现而无法对
零部件的疲劳耐久性进行评价。所以对于具体汽车零部件需要的是一套合理的耐
久性评价方法，了解其试验结果与实际行驶里程之间的关系。
本课题将以某汽车公司生产的轿车后悬架弹簧为对象，通过在耐久性试验道
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的载荷评价和应力分析困难，试验与评价综合技术要求高，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弹簧为对象，完成了悬架弹簧耐久性评价整个过程，包括结构分析、室外测谱、载荷谱分析，室内试验，室内外当量关系的确定，最终总结出悬架弹簧耐久性评价方法，作为其它新开发的汽车零部件的耐久性评价的参考和依据，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...

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