汽车零部件可靠性测评技术的发展与应用

宁世儒，张冠勇，庞方超

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

前言

近年来，国内汽车市场结束了连续29年的增长奇迹，市场对于汽车产品的可靠性和安全性提出越来越高的标准和要求[1-2]。因此在整车研发周期中，零部件产品的可靠性验证至关重要[3]。目前主流的测试方法有三种：实车道路试验、室内台架试验以及虚拟仿真技术。因实车道路试验周期长，成本高，需要耗费大量人力与物力，以加速和强化思想为核心的汽车零部件耐久性台架试验和虚拟仿真技术已成为缩短整车产品研发周期与提高可靠性的重要手段。

汽车行业中通用的零部件产品疲劳设计理念[4]如图1所示，其中疲劳模拟台架测试主要利用工装模块和设备将待测零部件或组成系统按照实车道路运行工况固定起来，依据相应试验标准对其进行一定强度、频率和次数的测试，待试验结束后检查被测零件是否满足设计要求[5]。而虚拟仿真技术则是利用相关疲劳失效分析软件，将采集到的实车道路载荷谱数据、应力失效模型以及相关零件材料属性输入到多体动力学仿真模型中，最后输出疲劳耐久仿真分析结果。最终将两者的试验结果相互印证，实现汽车零部件产品的研发设计及优化。

图1 汽车零部件疲劳耐久设计理念示意图[4]

目前国内外高校学者与工程师已对汽车零部件疲劳耐久性试验方法与策略进行深入研究，大幅缩短新车研发周期，满足整车开发需求。本文主要对汽车零部件可靠性测评技术研究现状以及未来的发展趋势进行论述。

1 汽车零部件试验载荷谱编辑方法

汽车零部件疲劳耐久性台架试验中输入载荷是保证试验结果准确的重要环节，但完整地施加实际道路载荷时间历程，将会耗费大量时间以及试验成本。因此对所采集到的实际道路工况载荷谱进行加速编辑，以保证在载荷加载效果相同的前提下，得到时间历程更短的载荷谱，这对于零部件疲劳耐久性试验研究至关重要。大多数学者与工程师对实际道路载荷-时间历程的加速编辑进行研究[6]，采用带通滤波预处理方法后，后续在压缩载荷-时间历程方面，主要有以下两种经典方法[7]：

（1）在时域方面，主要是基于损伤保留原理去除掉原始载荷谱中存在不产生损伤或产生损伤较小的小幅值载荷。国内外比较典型的研究有：上官文斌教授[8]采用基于损伤保留的编辑方法证明编辑载荷谱用于悬置耐久性试验研究的可行性，大大缩短了试验时间。Kadhim N.A.等[9]利用基于损伤保留的编辑方法对某汽车下摆臂的应变-时间信号进行编辑，相应的编辑过程与结果如图2所示，对比原始载荷与编辑后载荷历程，结果表明载荷编辑会大幅缩短作用时间，提高计算效率。Mattetti等[10]采用损伤保留编辑法对位移-时间信号进行加速编辑，最终保证损伤保留量为99%的同时，信号时间缩短了45%，加速效果明显。钱立军、吴俊道等[11]利用基于载荷谱损伤与功率谱密度的编辑方法对载荷谱进行编辑，结果表明该方法有利于实现迭代和大幅缩短试验时间。郑松林等[12]提出了一种考虑伪损伤保留量的道路载荷谱编辑方法，具体编辑加速谱的流程如图3所示。最终使位移信号既满足了载荷信号编辑前后伪损伤保留量的要求，又缩短了载荷信号的时间长度，减少试验时间。

图2 道路应变-时间信号编辑过程与结果[9]

图3 考虑伪损伤保留量的加速谱编制流程图[12]

（2）在频域方面，主要采用频率变换方法对原始载荷谱进行编辑，保证编辑前后的损伤保留量在规定范围内，同时使载荷谱的统计参量（均值、方均根及峰度系数）以及频域信息保持一致，进一步提升试验结果的精确性。较为典型的研究成果如下：Abdullah S等[13]首次利用短时傅里叶变换对某汽车左下悬挂应变-时间信号载荷谱进行时频分析，得出应变信号的能量分布，删掉其中能量小的片段，之后利用累积功率谱密度识别并提取损伤贡献量大的信号片段，拼接成缩减应变信号，保证信号编辑后的统计参数变化量控制在10%之内，信号时间压缩至原先的84.67%[14]。除此之外，国内外学者还研究了基于小波变化的载荷编辑方法，上官文斌、郑国峰等[15]对某乘用车动力总成悬置的载荷-时间历程进行小波变换，对不同小波参数下的高频分量进行阈值划分。选取出高于阈值的小波分量所对应的信号时间点，最后利用包络线法识别并提取这些信号时间点邻近的对损伤贡献量较大的信号片段，拼接得到缩减信号。图4对比了基于损伤保留编辑与小波变换编辑载荷谱后的功率谱密度图，从中可以看出基于小波变换编辑方法可将载荷谱时间缩短更多，为汽车零部件的多轴载荷谱的加速编辑提供了一种新方法。Abdullah S.等[16]通过小波分量识别信号中的“Bump”信号，定位“Bump”信号的时间轴，提取损伤贡献量大的载荷循环，实现载荷谱的缩减，并以载荷谱信号的统计参数（方均根及峰度系数）为约束条件，很好地保证了编辑前后信号的统计特征一致。

图4 悬置总成载荷谱编辑前后功率谱密度图[15]

2 汽车零部件疲劳耐久性台架试验概况

汽车零部件疲劳耐久性台架试验是考虑零件自由度、频率等因素选定好合适的台架试验方案，通过特定的试验设备以及工装夹具将零件连接到试验台架上，模拟汽车零部件在实际道路工况下的疲劳耐久性情况[17]。

现有的零部件台架试验设计主要有两种方式：一种为改进性设计，既在已有的标准实验台架上通过改装夹具和连接件来满足不同试验要求[18-19]。林先松等人[20]利用多轴振动台架（MAST）进行汽车零部件道路载荷模拟试验，通过作动器施加激励控制平台的六自由度变化，很好地重现道路载荷，结果表明多轴振动台架可以代替道路耐久试验，为新车型开发提供可靠的试验方法。

对于非标准件以及新研发的零部件台架试验方案需要进行开发性设计，根据零部件实际道路运行工况以及易失稳点，综合考虑台架控制系统、模具设计等各方面因素自主搭建相应的试验台架。如王灵龙等[21]利用线性作动器、方箱、盐雾盒搭建一个单轴耦合的试验平台，如图5所示，将采集到的室内整车道路模拟输出转换为轴向力施加到控制臂上，利用盐雾盒来模拟盐雾腐蚀条件下的汽车控制臂耐久性试验，较好地复现了控制臂在整车上的工况，与样品失效情况基本一致。于佳伟等人[22]通过搭建双通道的车辆前副车架服役载荷模拟试验台架将实际道路载荷谱施加到车架的稳定杆两端，实现某轿车前副车架的加速耐久性试验并发现加速谱伪损伤保留比例会对于试验结果产生影响。

图5 盐雾腐蚀条件下的汽车控制臂耐久性试验[21]

Ledesma R.等人[23]研究了商用车悬架系统的多轴加速耐久性性能，搭建了一个多轴耦合试验台架，如图6所示，利用MTS的RPC软件实现悬架系统的多轴迭代试验。结果表明悬架系统的耐久性台架试验结果与实际使用的结果相吻合。

图6 悬架系统多轴耐久性性能台架试验[23]

3 虚拟仿真技术在汽车零部件可靠性测评中的应用

近年来虚拟仿真技术凭借其较小的试验周期，低廉的研发成本，逐步由试验场道路试验的辅助验证角色成为受车辆生产厂家和研究高校青睐的车辆可靠性测评方法。该方法通过在整车或者零部件的多体动力模型上施加与其工作环境相同的载荷，依据相应疲劳失效准则进行应力仿真分析，得出产品失效时间预测结果，找出潜在缺陷和薄弱环节，不断优化设计以提高产品可靠性[2]。

王霄锋等[24]搭建轿车前悬架多轴向加载模拟疲劳试验系统，可向前悬架施加垂向力、侧向力、纵向力和制动力作用，随后分别向轿车前悬架台架模型加载高速公路、石块路等路面的实测载荷谱，得出与实车道路试验类似的试验结果。王长明等[25]搭建多连杆后悬架系统多体动力学虚拟台架模型，如图7所示，分别进行垂向、纵向和多轴向方向加载试验，结果表明虚拟试验模型具有较好的精度，其分析结果可为悬架系统疲劳寿命分析和结构优化提供依据。董智超等[26]建立微型客车悬架系统多轴向加载的动态有限元模型，可施加垂直侧向纵向和制动4轴向载荷，通过有限元仿真计算出整个悬架总成系统脆弱部位的疲劳损伤，对其疲劳危险点的具体位置进行标定预警，大幅缩减了研发周期。曹正林等[27]运用虚拟仿真技术建立整车试车场柔性仿真模型，施加轿车试车场强化路面试验条件下的道路载荷谱，与实车道路测试结果相对比证明虚拟试车场技术可有效地仿真多种路面工况下轿车悬架系统的应力-时间响应。

图7 后悬架总成虚拟台架模型[25]

4 结论与展望

随着科学技术的不断发展与进步，汽车零部件可靠性测评技术正不断深化。国内外学者与工程师从实地道路谱载荷的加速编辑到室内疲劳耐久性试验台架设计以及虚拟仿真技术等多个方面对汽车零部件可靠性测评技术进行深入研究。从目前所述的研究现状来看，未来汽车零部件可靠性测评技术的发展方向主要有以下几点：

（1）进一步优化实际工况下的道路载荷谱加速编辑方法。耦合多种优化算法对载荷谱进行定量、定性编辑，在保证精度的同时，将原始载荷-时间历程压缩的更多,最终开发出一套基于最优编辑法的汽车零部件疲劳耐久性载荷谱处理软件，提高编辑效率，降低成本。

（2）推进一体化的疲劳耐久性设计理念，研发出将汽车零部件耐久性台架试验与虚拟仿真技术相结合的一体化疲劳耐久性分析方法，缩短产品开发周期，节约时间和成本，提高企业效益。

（3）随着车辆电动化、智能化方向发展迅猛，针对新形势下的汽车电子电器零部件失效问题的检测与相应法规的完善将成为新的研究方向。车辆零部件可靠性的研究重点应逐渐由硬件可靠性设计与检验转移到电子器件的可靠性上来。