汽車零部件疲勞試驗

1、程序載荷疲勞試驗目錄 程序疲勞試驗方法 零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā) 疲勞耐久試驗策略程序疲勞試驗方法 道路載荷數(shù)據(jù)采集：駕駛習慣、隨機因素的影響:n 名司機、每一子規(guī)范 m 次重復采集每一子規(guī)范共 n*m 個載荷樣本。程序疲勞試驗方法 計算每個子規(guī)范一個循環(huán)樣本載荷的雨流矩陣： 對每個子規(guī)范一個循環(huán)樣本載荷的共 n*m 個R-M雨流矩陣按百分位擴展（似然分析）并選定分位；程序疲勞試驗方法 根據(jù)各子規(guī)范的循環(huán)次數(shù)，將（選定分位）一個循環(huán)的雨流矩陣擴展、外推到母體（對于來自試車場道路采集的載荷可以直接乘以循環(huán)次數(shù)）；程序疲勞試驗方法 將各個子規(guī)范的雨流矩陣進行疊加，得到耐久試驗總規(guī)范載荷雨流矩陣，

2、并根據(jù)材料/零件的 S-N 曲線計算: 總載荷雨流矩陣中每一元素的疲勞損傷; 計算每一元素1次循環(huán)的疲勞損傷;程序疲勞試驗方法 產(chǎn)生載荷譜：1、循環(huán)特性R=-1（不考慮均值影響）：沿 Range 軸對損傷求和。損傷矩陣1）多級載荷譜：根據(jù) S-N 曲線將各 Range 所對應的總損傷折算成與Range 相應的循環(huán)次數(shù);程序疲勞試驗方法2）單級載荷譜：a. 規(guī)定總的循環(huán)次數(shù)，根據(jù) S-N 曲線將各 Range 的損傷總和折算到相應的Range 。b. 根據(jù)技術要求選定試驗載荷 Range，根據(jù) S-N 曲線將各 Range 的損傷總和折算成對應于選定 Range的循環(huán)次數(shù)。程序疲勞試驗方法2、任

3、意循環(huán)特性（考慮實際均值的影響）：1）多級載荷譜：在損傷矩陣中選定多個元素（Mean、Range）作為試驗載荷、同時規(guī)定總的循環(huán)次數(shù)，將其余元素的損傷折算到選定的各個元素上并保證總次數(shù)滿足規(guī)定要求；程序疲勞試驗方法2）單級載荷譜：a. 根據(jù)技術要求在損傷矩陣中選定一個元素（Mean、Range）作為試驗載荷，并計算其一次循環(huán)損傷，將損傷總和折算成對應于選定試驗載荷的循環(huán)次數(shù)。例：選定（Mean=1000N, Range=8000N）為試驗載荷，則：一次循環(huán)的損傷等于：2.9E-2/1000 = 2.9E-5將總損傷折算到試驗載荷，形影的總循環(huán)次數(shù)為：9.3E-1/2.9E-5 = 31730程

4、序疲勞試驗方法b. 規(guī)定總的循環(huán)次數(shù)，將損傷總和折算到相應的元素上并保證總次數(shù)滿足規(guī)定要求；例：選擇試驗總循環(huán)次數(shù)為：100000 則：零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā) 后橋剎車載荷疲勞試驗：1、剎車工況后橋受力及最大設計技術要求：前進剎車：F RF ( a / g ) W R ( a / g ) (WH / L )倒車剎車：F RR ( a / g ) W R ( a / g ) (WH / L )技術參數(shù)WWRHLr制動減速度amaxFRFFRR量值2562128064030893410.80.567107578單位kgkgmmmmmmgNN說明整車滿載載重滿載后橋軸荷中心到地面高度前后軸距車輪

5、滾動半徑前進倒車前進剎車后輪接地面制動反力倒車剎車后輪接地面制動反力零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)2、按照試驗規(guī)范采集道路行駛載荷，綜合道路采集的左、右輪的剎車力矩得到后橋總剎車力矩 My:My=LR_My+RR_MyLR_MyRR_MyLR_My+RR_My零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)3、將道路采集的各子規(guī)范后橋總剎車力矩轉(zhuǎn)化成車輪接地面上的總縱向力Fx 總剎車力矩除以車輪滾動半徑( Fx=My/r)并統(tǒng)計總體極值?？梢钥闯龅缆凡杉d荷的總體極值小于最大設計載荷。剎車力剎車力矩零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)4、 利用S N曲線，計算各子規(guī)范測量車輪接地面上的總縱向力對后橋的損傷強度d?？梢钥闯龀^ 9

6、9% 的損傷來自Test_M01，Test_M03， Test_M07，Test_M10貢獻。應力集中系數(shù)Kf=2，S N 曲線截距C =16，S N 曲線斜率b = 0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )子規(guī)范Test_M01Test_M02Test_M03Test_M04Test_M05Test_M06Test_M07Test_M08Test_M09Test_M10Test_M11Test_M12損傷強度/循環(huán)0.7428479780.001126261.0853145440.00179980.0099863210.0006181861.8416930880

7、.0008165190.0001120720.069341940.0095561540.002810221運行次數(shù)800200200500300202002002002200250100累計損傷強度5.943E+022.253E012.171E+028.999E012.996E+001.236E023.683E+021.633E012.241E021.526E+022.389E+002.810E01累計百分比損傷強度44.4%0.0%16.2%0.1%0.2%0.0%27.5%0.0%0.0%11.4%0.2%0.0%累計總損傷強度：1.339E+3 ( 1 / b )零部件程序載荷疲勞試驗開

8、發(fā)5、以最大設計載荷作為試驗載荷。計算每一次前進剎車和倒車剎車車輪接地面縱向力對后橋的損傷強度，并按照前進剎車和道車剎車10:1，折算出對應于測量累計總損傷強度的前進和倒車剎車循環(huán)次數(shù)。應力集中系數(shù)Kf=2，S N 曲線截距C =16，S N 曲線斜率b = 0.2 d K f * ( Range / C )零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)6、按照耐久試驗規(guī)范計算道路試驗的總載荷雨流矩陣，比較對應于 FRF、FRF的測量和計算循環(huán)次數(shù)。前進剎車倒車剎車零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)7、后橋剎車載荷疲勞試驗臺作動器試驗臺架WRg零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā) 后橋側(cè)向載荷疲勞試驗：1、后橋側(cè)向受力及最大設計載

9、荷技術要求：懸架壓縮時側(cè)向載荷：F I a 2懸架伸張時側(cè)向載荷：WRTH)FO W2Ra WRTH技術參數(shù)WWRHTr加速度 amax摩擦系數(shù) FIFO量值2562128064015903410.80.80.782491563單位kgkgmmmmmmNN說明整車滿載載重滿載后橋軸荷中心到地面高度后輪距車輪滾動半徑側(cè)向加速度InboardOutboard懸架壓縮時后輪接地面?zhèn)认蚍戳壹軌嚎s時后輪接地面?zhèn)认蚍戳α悴考绦蜉d荷疲勞試驗開發(fā)2、按照試驗規(guī)范采集道路行駛載荷，綜合道路采集的左、右輪的側(cè)向力得到后橋總側(cè)向力 Fy: Fy=LR_Fy+RR_FyLR_FyRR_FyLR_Fy+RR_Fy零

10、部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)3、統(tǒng)計道路采集的各子規(guī)范后橋平均側(cè)向力總體極值并于最大設計側(cè)向載荷比較 可以看出道路采集載荷的總體極值小于最大設計載荷。4零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)4、利用S N曲線，計算各子規(guī)范測量平均側(cè)向力對后橋的等損傷強度。可以看出接近99%的損傷來自Test_M04，Test_M06，Test_M7，Test_M10，Test_M12，貢獻。應力集中系數(shù)Kf=2，S N 曲線截距C =16，S N 曲線斜率b = 0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )子規(guī)范Test_M01Test_M02Test_M03Test_M04Test_M05Test

11、_M06Test_M07Test_M08Test_M09Test_M10Test_M11Test_M12損傷強度/循環(huán)0.0028448072.992E038.010E042.590E023.314E033.898E013.206E012.286E021.008E023.204E016.962E041.088E01運行次數(shù)800200200500300202002002200250100累計損傷強度2.276E+005.983E011.602E011.295E+019.943E017.796E+006.412E+014.573E+004.030E027.048E+021.740E011.088

12、E+01累計百分比損傷強度0.3%0.1%0.0%1.6%0.1%1.0%7.9%0.6%0.0%87.1%0.0%1.3%累計總損傷強度：8.094E+2零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)5、以最大設計載荷作為試驗載荷。計算每一次從壓縮到伸張過程的側(cè)向力循環(huán)對后橋的損傷強度，折算出對應于測量累計總損傷強度循環(huán)次數(shù)。應力集中系數(shù)Kf=2，S N 曲線截距C =16，S N 曲線斜率b = 0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )懸架壓縮時后輪接地面?zhèn)认蚍戳Γ?8.25kN:懸架壓縮時后輪接地面?zhèn)认蚍戳Γ?1.56kN:Range=9.81kN一次循環(huán)的損傷強度:d=0.1

13、73291等效于累計總損傷強度的循環(huán)次數(shù):N=4671減小載荷增加循環(huán)次數(shù) 65% Range懸架壓縮時后輪接地面?zhèn)认蚍戳Γ?8.25kN:懸架壓縮時后輪接地面?zhèn)认蚍戳Γ?1.56kN:Range=6.38kN一次循環(huán)的損傷強度:d=0.173291等效于累計總損傷強度的循環(huán)次數(shù):N=40256零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)6、按照耐久試驗規(guī)范計算道路試驗的平均側(cè)向載荷雨流矩陣，比較對應于 Range=9.81kN的測量和計算循環(huán)次數(shù)。Force(N)Force(N)Time(sec.)零部件程序載荷疲勞試驗開發(fā)7、后橋側(cè)向載荷疲勞試驗臺LR_Fy7000400010002000左后載荷譜（LR_

14、Fy）RR_Fy0 0.20.40.6 0.811.21.41.61.8右后載荷譜（RR_Fy）2 2.22.42.62.8 303000600090000 0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2 2.22.42.62.8 3Time(sec.)疲勞耐久試驗策略產(chǎn)品可靠性要求：規(guī)定條件： 確定載荷強度-選擇試驗規(guī)范（載荷、溫度、壓力、振動/沖 擊、腐蝕）；規(guī)定時間：可靠性壽命（時間、里程) 、置信水平（樣本數(shù)、壽命循環(huán)數(shù)）；規(guī)定功能：失效判據(jù)、失效等級。發(fā)生頻率（%）用戶數(shù)量疲勞耐久試驗策略 規(guī)定試驗條件-確定試驗規(guī)范（載荷）：1、等效不同的用戶使用；2、滿足不同的可靠度要

15、求。不同的車輛使用、試驗強度80%60%40%Tier_1Tier_2Tier_3PGTestGLOBAL20%0%02468使用強度10121416嚴重度Microsoft ExcelWorksheet疲勞耐久試驗策略可靠性壽命可靠度：在規(guī)定的條件和時間，產(chǎn)品可能完成規(guī)定功能（可靠的-存活），也可能完不成規(guī)定功能（不可靠的-失效）?？煽慷仁钱a(chǎn)品在規(guī)定條件，規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仍u價指標，根據(jù)系統(tǒng)可靠性理論：對于結構疲勞試驗，按照可靠度要求由高到低為：整車、系統(tǒng)/子系統(tǒng)、部件（即：VTSSSTSCTS）。零件壽命分布乘員重量分布TMicrosoft WordDocument疲勞

16、耐久試驗策略可靠度統(tǒng)計計算：由于可靠度是一個概率的描述，因此試驗應當包含一定量的試驗樣本/品數(shù)。計算的方法通常為：運行試驗并取得試驗壽命數(shù)據(jù)；根據(jù)壽命數(shù)據(jù)判斷其符合的概率分布規(guī)律；歪斜/長尾鐘型/對稱用數(shù)理統(tǒng)計的方法計算分布參數(shù)，并給出壽命-概率結果。對汽車結構疲勞壽命試驗結果分析，最常用的是 2 參數(shù)威布爾分布：F (t ) 1 e () 根據(jù)分布規(guī)律和試驗數(shù)據(jù)獲取分布參數(shù)得過程稱為參數(shù)估計，最常用的常用的方法有MLE法、秩回歸法等。疲勞耐久試驗策略 可靠度與統(tǒng)計置信水平 置信水平/置信度是針對被試零件，在給定樣本數(shù)N的前提下，對樣品（零件）按照規(guī)定的廣義載荷 f進行試驗時所能觀察到該零件實

17、效的可能性（或幾率）、或者說針對該零件其故障出現(xiàn)的可能性（或幾率），用概率來描述。 當樣本數(shù)為1時，置信度就等于該零件的失效概率F、或 1R（R是該零件/系統(tǒng)的可靠度）。 對于高可靠度（失效率很低）的零件，當樣本數(shù)很小時，故障很可能觀察不到（或根本不發(fā)生），因此估計得可靠度就具有一定的不確定性。疲勞耐久試驗策略置信度-試驗樣本數(shù)、試驗周期確定：確定樣本數(shù)量：如何讓故障充分暴露（提高觀察幾率），基本的方法是增加樣本數(shù)。對于一個可靠度為R（R 1），失效率為 F=1-R 的特定零件M。根據(jù)上述置信度的意義，試驗樣本數(shù)和置信度之間的關系可以通過系統(tǒng)可靠度方法得到。當樣本數(shù)等于1時，試驗系統(tǒng)相當于圖1

18、，其可靠度為 R ，失效率、為 F，相應的置信度等于 C。fM圖 1當樣本數(shù)等于N時，由于我們對于N各樣品進行的是完全相同（試驗載荷）試驗，并且各個樣品試驗之間互相獨立。因此對N個樣品的試驗就等同于圖2 的由N各樣品組成的的串聯(lián)試驗系統(tǒng)。2NNsN-疲勞耐久試驗策略fMMM共N個圖 2根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算方法，系統(tǒng)可靠度為：R s P ( M 1 M . M ) P ( M 1 ) P ( M 2 ) P ( M) R N系統(tǒng)失效率，即置信度為：C F 1 R可靠性試驗樣本數(shù)可靠-置信度.xls 1 R疲勞耐久試驗策略確定試驗周期可以看出為了在產(chǎn)品開發(fā)中充分暴露問題，需要的樣本數(shù)會急劇增加。

19、比如為了以50%置信度觀察到可靠度為95%的一般部件的失效，需要對14個樣品進行試驗；對于關鍵部件當可靠度為 99%時，需要對69個樣品進行試驗。如果適當提高置信度則需要的樣本數(shù)量更大。更何況為了改進，通常都需要進行不止一輪的試驗驗證。對于產(chǎn)品開發(fā)過程中的試制樣品無疑代價是巨大的。而這些問題如果沒有在開發(fā)階段充分暴露，將會帶來潛在的售后成本。 另一個提高置信度的方法是擴展試驗周期。1nt tttT1nN1可 性 驗 本 -可 -置 度靠 試 樣 數(shù)靠 信 .xls疲勞耐久試驗策略根據(jù)可靠度、置信度和樣本數(shù)關系：R (t ) n 1 CLog ( R (t ) Log (1 C )樣品壽命符合2

20、參數(shù)威布爾分布： ( ) ( ) F ( t ) 1 e R ( t ) 1 F ( t ) e Log ( R ( t ) ( ) 如果對于同一樣品我們分別采用兩組不同樣本數(shù)n和N進行試驗驗證，為了獲得相同的置信度C，對其壽命要求（REP)規(guī)定為t和T 由此得到：Log ( R (t ) Log (1 C ) ( ) Log ( R (T ) Log (1 C ) ( ) 從而得到：nN (Tt)orT t nN可以看出，為了取得相同的置信度，增加樣本數(shù)和延長試驗里程能取得相同的效果。 根據(jù)經(jīng)驗對 取值，通常（無經(jīng)驗數(shù)據(jù)）取1.5疲勞耐久試驗策略 可靠性評價-給定置信水平的可靠性壽命：部件結

21、構疲勞可靠度評價指標（REP）為，在規(guī)定載荷下：可靠性壽命：50%置信度下，給定的存活率壽命不低于規(guī)定的壽命循環(huán)次數(shù)。比如：R10 C50 （或 B10 C50 ） 壽命 200000 cycles壽命分布：兩個給定的存活率壽命之比不大于規(guī)定值。比如：B10C50 / B90 C50 1/3Microsoft Excel工作表12疲勞耐久試驗策略失效判據(jù)和故障分類:1、失效判據(jù)：序號零件/系統(tǒng)發(fā)動機部件1)性能2)機械部件（曲軸，活塞，閥，連桿，等）3)機油損耗4)發(fā)動機壓力判據(jù)無異常下降無裂紋和超標磨損最大 ng/100km符合設計要求驅(qū)動系統(tǒng)部件無裂紋1)變速箱總體2)離合器踏板力噪聲磨損3)連接件換檔力無故障/不失靈無噪聲超標無異常增加無噪聲超標無故障/不失靈無故障/不失靈34疲勞耐久試驗策略序號零件/系統(tǒng)基本結構1)車身面板焊點點焊CO2焊2)密封件運動部件（發(fā)動機艙蓋/門/行李箱蓋）1)間隙/接合縫高差發(fā)動機艙擋泥板TrunkxSideOTRPanel門柱2)鉸鏈部件判據(jù)無超標裂紋不貫通和分離無裂紋和分離無灰塵浸入車底密封件不產(chǎn)生裂紋無裂紋，松動，變形，配合變壞和局部油漆損壞無超標間