解析汽车板簧交变湿热下的疲劳载荷试验

摘要：很多试验件在实际使用工况中不但有复杂的机械冲击、交变疲劳载荷，还会受到温度、湿度的影响。对应于大型试验件，一般的疲劳试验机无法满足其尺寸要求，尤其是配合温度湿度环境。本试验方法，将液压伺服系统和环境箱结合到一起，不需要专门的集成定制，其优势在于：能满足中大型的试验件，可以根据实际需要增加不同的环境工况，并且能自由的实现特定的结构动作。本文以汽车板簧为例，作者通过汽车板簧在温湿度应力下的疲劳载荷试验来说明一种试验方法。

行驶在不同路面上车辆的车轮随机动载荷不一样，不同路面等级所对应的车轮动载荷差距较大，变化很大，导致路面的疲劳应力过分增大，引起过快损坏[1]。汽车板簧在工作中反复承受交变弯曲应力，故对板簧的表面质量要求很高，不允许表面有缺口、裂纹、折叠和斑疤等，表面即使存在微小缺陷和损伤，也会由此产生应力集中，形成疲劳源，导致板簧早期疲劳断裂[2]。汽车在行驶过程中遇到路面对轮子的冲击力时，板簧产生变形，起到缓冲、减振的作用，纵向布置时还具有导向传力的作用。由于路况的不同，板簧在实际过程中不但会受到机械冲击、交变疲劳载荷，还会受到温度、湿度的影响。目前有些板簧不再使用钢板，而是采用新型的复合材料，对于复合材料的疲劳特性需要进行实验考核。所以需要对板簧进行在环境应力下的疲劳载荷试验。

目前单独做汽车板簧温度应力、疲劳载荷试验的方法有很多种，并且比较成熟，但是要同时满足施加温度应力和疲劳载荷试验的试验方法较少，属于非标设计，市场上存在较大的空白。

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种简单、快捷、高效的应用于汽车板簧在环境应力下的疲劳载荷试验装置，其在满足不同试验条件的同时，使得整个试验在实施的过程中更加便捷，创新性的将温箱和液压疲劳加载系统结合在一起。

1. 试验思路简介

由于标准疲劳试验机技术已经很成熟，并且应用相当普及，对于小型零部件级的试验件，其疲劳试验方法都已经标准化。在此基础上，如果要施加环境应力，例如温度、湿度、低气压、光照等，则需要将试验件放置到一个环境箱内。对于单个的环境箱，其技术成熟，试验方法标准化。但是如果将两者结合在一起，将会面临两个方面的问题：一是需要特殊定制，将两套系统集成在一起，这样必然带来成本的大幅度增加，并且只有单一工况需求时，又造成了资源的浪费；二是当试验件的尺寸较大，或者是部件及以上时，标准疲劳试验机就不能满足使用要求，需要非标试验设备，此时，环境箱和疲劳设备的组合是一个技术问题。

首先要考虑到将疲劳试验机主体和环境箱隔离，避免环境应力对试验机产生影响；其次是考虑疲劳试验机加载部分和环境箱的连接以及环境箱的密封；最后要根据不同的试验工况设计对应的传动、支撑工装。

本试验方法，将液压伺服系统放在环境箱外部，伺服系统的加载部分从环境箱的两侧伸进环境箱内部，试验件通过支撑工装放置在试验箱内部，伺服系统通过传动装置将试验件连成一个整体。这样，可以单独设置疲劳载荷条件和环境应力条件。

2. 试验具体方法

2.1 装置介绍

本试验装置的原理图见图1。装置简图见图2~图4。

应用于汽车板簧在环境应力下的疲劳载荷试验装置，其包括：

1) 温湿度环境箱，用以提供环境应力；
2) 动力系统，以液压作为动力源，输出精确往复直线运动；
3) 加载机构，能够在动力系统的驱动下使板簧按照实车状态往复运动；
4) 固定机构，使得动力系统、加载机构和环境箱连接成一个整体，形成一个自平衡的内力结构；
5) 监测装置，至少用以实时监测板簧的载荷和形变；
6) 控制系统，通过给定的信号能够实现动力系统的精确输出。

动力系统和温湿度环境箱结合在一起形成一套新系统。动力系统并不是垂直放置于温箱下方，而是通过温箱的侧壁进行水平加载。动力系统、加载机构通过一个固定机构形成一个自平衡的内力结构。动力系统采用液压伸缩驱动机构，机构包括固定设置在固定机构上的液压作动器及阀控制单元。动力系统采用液压油作为介质，提供稳定压力与流量的液压源，动力系统与所述控制系统连接。

加载机构能将动力系统的载荷传稳定的传递到板簧上，并将动力系统和温度环境隔离，相互没有干扰。加载机构能够模拟板簧实车的运动方式，使得板簧在受直线交变载荷下能够自由的伸展滑动。

控制系统能够根据设定的载荷或者压缩量控制所述液压伸缩驱动机构，可以满足不同交变载荷或压缩量的试验条件。监测装置，用以实时监测板簧的载荷和形变。
固定支架底部支撑1、固定支架静止端2、加载系统静止端3、温箱侧壁通孔4、温箱5、加载系统支撑架6、加载系统运动端7、力传感器8、液压作动器9、固定支架运动端10、加载系统静止导轨11、加载系统运动导轮12、板簧13。


图1 装置原理图一


图2 装置简图一


图3装置简图二


图4装置简图三

2.2试验方法优点

本试验方法具有如下优点：

1) 在本试验方法的设计下，装置结构简单、控制方便、易于安装维护，不但满足了试验要求，而且大幅度降低的试验成本；
2) 利用液压系统使作动器往复运动，再利用加载系统，将液压系统和温箱系统隔离，使两者不互相干扰，同时加载系统还能够模拟板簧实车的运动方式，使得板簧在受直线交变载荷下能够自由的伸展滑动；
3) 采用闭环控制方式，系统流量在120L/min左右，额定压力在21Mpa左右，并采用双出杆式的液压作动器，其中作动器的行程和切换频率由波形发生器进行控制，例如，在波形发生器中输入设定的数值（位移或者力），即可通过电压信号驱动伺服阀，从而控制液压缸的动作，不断进行闭环控制，又及，系统优选采用电子比例式调压，根据设定程序自由改变作动器的推力大小，并采用蓄能器吸收加载过程中的冲击；
4) 在本试验方法的设计下，不需要依赖坚固的地基，整套机械系统形成一个自平衡的内力结构，完全依靠系统自身的刚度，地基不承受载荷力，并且整套系统可以自由的移动，大幅度节约了试验前期投入成本；
5) 在本试验方法的设计下，对温箱的要求不高，并且采用了水平加载的方式，加载杆通过温箱侧壁的开孔连接到板簧上，这样大幅度减小的温箱内腔与外界的热交换，使得温箱内部温湿度更均匀。

3. 试验案例与结果



该试验方法已应用于某研发车型的板簧在交变湿热下的疲劳载荷试验，该试验的板簧形变量为±45mm，载荷值为1T左右，载荷频率为3Hz，环境温度为100℃~-60℃。该系统通过调节设备控制参数，可以较好地满足了试验任务书的要求。同时，由于该系统的结构特点，其拓展性较好，可以满足多种尺寸类型的板簧在温度应力下的疲劳载荷试验需求。



系统为闭环控制，位移控制精度在1mm之内，并通过位移传感器进行实时监测。试验中的位移控制曲线见图5。试验中的力监测曲线见图6。


图5试验中的位移控制曲线


图6试验中的力监测曲线

4. 总结

本试验方法的设计下，应用于汽车板簧在环境应力下的疲劳载荷试验装置结构简单、控制方便、易于安装维护，不但满足了试验要求，而且大幅度降低的试验成本；将液压系统和温箱系统隔离，使两者不互相干扰，同时加载系统还能够模拟板簧实车的运动方式；试验不需要依赖坚固的地基，整套机械系统形成一个自平衡的内力结构，并且整套系统可以自由的移动，大幅度节约了试验前期投入成本；试验对温箱的要求不高，并且采用了水平加载的方式，加载杆通过温箱侧壁的开孔连接到板簧上，这样大幅度减小的温箱内腔与外界的热交换，使得温箱内部温湿度更均匀。

参考文献
[1] 黄玮，赵又群. 汽车车轮动载荷的研究[D].南京航空航天大学,2006,3:1028702060064
[2] 张小荣,唐绍玉,吴贵根,等.汽车板簧的断裂分析[J].理化检验-物理分册, 2008, 44(5): 258−260.
[3] 邹喜红,李静,彭吉刚,等.基于实际载荷谱的汽车半轴疲劳寿命预测[J].机械设计与制造, 2016, 4(4): 122−129.
[4]杨雍福,周培聪,熊真. 我国汽车板簧疲劳性能研究进展[J]. 科技广场, 1671-4792(2014)03-0209-04
[5] 凌荣江，翁建生. 汽车板簧的建模及非线性分析[D].南京航空航天大学,2008,12:102870209-0053