汽车减震器支座疲劳开裂原因分析
2011-12-08 16:06:36   来源：www.luobodao.com   评论：0 点击：

针对汽车在行驶过程中减振器支座开裂问题，对开裂部位的栽荷谱及相关信号进行了实车、实地测试，应用疲劳强度理论对减震器支座不同工况疲劳寿命进行了计算。研究表明，轮胎气压过高以及减震器损坏会造成其支座疲劳栽荷显著增大，使之疲劳寿命迅速下降。最后建议对减震器的质量进行考核。尤其是对减震器拉伸和压缩过程的阻尼系数应引起同样重视。在使用过程中减震器失效后应立即更换。轮胎气压应按规定要求使用，以避免减震器支座过早疲劳失效。

前言

对于一些独立悬架结构的汽车，减震器支座通过弹簧及减震器，不但承担发动机、车身、底盘、货物和乘客的质量，还承受汽车行驶过程中由于车速、路面激励造成的动载荷，以及减震器撞击限位块造成的冲击载荷。因此，其可靠性不仅关系到整车能否正常运行，而且还关系到整车安全性。

以往的设计方法多通过经验与类比来确定参数，其计算量大且结果的可靠性不高。随着信号采集技术水平的提高，可以准确、客观地获得结构危险部位的动态载荷谱以及与之相关的信号；随着现代疲劳理论和计算机的发展，不仅可以预测危险部位的使用寿命，而且可以分析造成结构危险的原因，对于提高汽车可靠性，改进设计具有重要意义。

针对某汽车在行驶过程中减震器支座出现的疲劳开裂现象，采用实车实地对其载荷谱及相关信号进行了采集，并对采集到的信号进行了对比分析，给出了疲劳失效的原因；结合减震器支座的疲劳特性及其载荷谱，采用现代疲劳理论，对不同使用条件下减震器支座的疲劳寿命进行了计算，同时，针对分析结果提出了相关建议。

1 测试部位及典型工况的确定

减震器支座开裂位置主要集中在A、B、C处，如图1所示。初步分析，导致开裂可能有两方面的原因，一是在使用过程中由于开裂位置所受载荷，即应变过大造成的，这种过大的应变是由于减震器或弹簧施加于支座的载荷过大造成的，而减震器施加于支座的过大载荷，可能由于使用不当(超载、轮胎气压过高)，也有可能设计过程弹簧过软，路面对其冲击过大，或减震器失效，在拉伸行程中动载过大，使减震器支座承受较大的拉载荷造成；二是由于减震器支座本身设计不合理或材料不合格，达不到规定的承载能力造成。

结合上述分析，为了确定开裂的具体原因，对关键部位的载荷谱和信号进行采集。首先需要对减震器开裂部位的应变进行测试，采集测试位置的载荷谱，以便对其疲劳寿命做出定量评价；其次对减震器所受的垂直载荷进行测试，以确定减震器对其支座疲劳寿命的影响。具体测试部位如图1和图2所示。

另外，为了保证试验过程中采集到的信号的真实可靠性，还对与关键信号相关的其它信号进行了采集，这里不再赘述。

在试验过程中采用四种工况，工况1是试验场，按照规范进行实车路试，以反映用户正常使用条件下，减震器支座的疲劳寿命；工况2是在减震器支座开裂较多的使用地域按汽车正常使用要求进行路试，以反映路面对其寿命影响；工况3是在减震器支座开裂较多的使用地域，轮胎超过标准气压行驶，以反映轮胎气压对其寿命影响；工况4是在减震器漏油的情况下进行路试(试验地域同B)，以反映减震器对其寿命影响。最后得到4种工况，3个测点的时间历程信号。

2 测试数据的处理及分析

对减震器支座的应变信号进行雨流计数，结合对其材料疲劳特性的估计，对不同工况下的疲劳寿命进行预测；对减震器垂直载荷与其支座应变进行对比分析，以分析减震器上载荷与其支座的关系。

2．1疲劳寿命的计算

减震器支座所用材料Stl3，及其基本特性(抗拉强度)为270—37OMPa，这里取其平均值0一b=320MPa，由于所用材料为低合金钢，对其应变疲劳特性按文献给出的方法进行估计如下。

根据所测4种工况载荷谱，结合图3所示的材料疲劳特性，针对测点B，采用局部应力应变法对其疲劳寿命L (i=1，2，3，4)，及相对工况1(试验场工况)疲劳寿命 。进行计算，如表1所示。

通过表1的数据可以看出，针对测点B各工况疲劳寿命按试验场(工况1)、实际路面正常使用(工况2)、实际路面轮胎气压过高使用(工况3)、实际路面减振器损坏(工况4)逐渐递减。试车场工况的疲劳寿命远远高于其它工况。工况2的使用寿命仅为试验场使用条件下寿命的12．5％，说明使用地域的路面情况要比试验场条件(国标的规定)恶劣；工况3疲劳寿命为工况2的使用寿命的35．63％，说明如果超过规定轮胎气压行驶，会使减震器支座的使用寿命下降大约64．37％，工况4的疲劳寿命仅仅为工况3的0．9％，说明如果减震器损坏而不进行更换，会使减震器支座的疲劳寿命下降99％还多。

2．2减震器垂直载荷与其支座应变对比分析

从前面的研究发现，减震器损坏会使减震器支座的疲劳寿命下降99％还多。对于双向筒式减震器，它不仅在拉伸行程起到减小汽车垂直方向冲击载荷的幅值的作用，而且在压缩行程也起作用。如果是在压缩行程失效造成支座疲劳寿命下降，可以通过提高弹簧的刚度等方法来提高其疲劳寿命；如果是拉伸行程造成的，可以通过调节减振器阻尼系数的方法解决上述问题。从理论上讲，应该是拉伸行程是造成的疲劳寿命下降的主要原因，因为压缩行程起主要作用的是弹簧，而不是减震器，为了对这一问题得到进一步证实，需要对支座的应变与减震器的垂直载荷进行对比分析。

从图4(a)可以看出，减震器的损坏，对支座的应变影响很大，甚至出现了明显的塑性变形。为了更清晰地看出产生塑性变形的原因，将图4进行局部放大，如图5所示。

从图5可以看出，支座处的大应变是由于减震器在伸张和压缩过程中，对支座的产生较大的拉伸或压缩冲击造成的。而且不仅压缩行程，即向上的冲击会造成支座的塑性变形，在拉伸行程中5同样造成其发生塑性变形，这一点从图5(a)可以清晰地看出。

4结论

通过以上分析，可以得到如下结论：

(1)汽车在试验场根据规范进行的可靠性试验，对减震器支座造成的疲劳损伤，要小于实际使用条件下减震器支座的疲劳损伤。这说明，在某些情况下，尽管汽车的可靠性满足国家试验规范要求，但不一定满足用户的实际使用要求，因而在汽车设计过程中，需要对用户的实际使用需求进行调查试验，不应把满足使用规范作为最高准则。

(2)汽车行驶过程中，轮胎气压、减震器的状况会对减震器支座的疲劳寿命有较大影响，应该使汽车在轮胎规定气压下行驶。

(3)减震器的损坏会对支座的疲劳寿命造成致命的影响，其疲劳寿命会比正常使用条件下降99％还多，因而在使用过程中减震器损坏后要及时更换。

(4)汽车行驶过程中，不仅减震器拉伸行程会对其支座造成很大冲击，使支座产生塑性变形，压缩行程同样会造成支座塑性变形，加速支座的疲劳损坏。减震器拉压行程的阻尼特性应引起同样重视。