汽车零部件疲劳试验
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程序载荷疲劳试验
目录
➢ 程序疲劳试验方法 ➢ 零部件程序载荷疲劳试验开发 ➢ 疲劳耐久试验策略
程序疲劳试验方法
➢ 道路载荷数据采集：
驾驶习惯、随机因素的影响: n 名司机、每一子规范 m 次重
复采集每一子规范共 n*m 个载荷样 本。
程序疲劳试验方法
➢ 计算每个子规范一个循环样本载荷的雨流矩阵：
➢ 对每个子规范一个循环样本载荷的共 n*m 个R-M雨流矩阵按百分位 扩展（似然分析）并选定分位；
程序疲劳试验方法
➢ 根据各子规范的循环次数，将 （选定分位）一个循环的雨流 矩阵扩展、外推到母体（对于 来自试车场道路采集的载荷可 以直接乘以循环次数）；
程序疲劳试验方法
➢ 将各个子规范的雨流矩阵进行叠加，得到耐久试验总规范载荷雨流 矩阵，并根据材料/零件的 S-N 曲线计算: 总载荷雨流矩阵中每一元素的疲劳损伤; 计算每一元素1次循环的疲劳损伤;
800
5.943E+02
200
2.253E‐01
200
2.171E+02
500
8.999E‐01
300
2.996E+00
20
1.236E‐02
200
3.683E+02
200
1.633E‐01
200
2.241E‐02
2200
1.526E+02
250
2.389E+00
100
2.810E‐01
累计总损伤强度：1.339E+3
零部件程序载荷疲劳试验开发
7、后桥侧向载荷疲劳试验台
LR_Fy
RR_Fy
7000
左后载荷谱（LR_Fy）
4000 Fo1‐2r00c0e000(N)
0 0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2 2.22.42.62.8 3 右后载荷T谱im（e R(sRe_c.F)y）
0
Fo‐‐r36c00e00(00N) ‐90000 0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2 2.22.42.62.8 3 Time (sec.)
倒车刹车：
F RR ( a / g ) [W R ( a / g ) (WH / L )]
技术参数
W WR H L r 制动减速度 amax
FRF FRR
量值
2562 1280 640 3089 341 0.8 0.5
6710 7578
单位
kg kg mm mm mm
g
N N
说明
整车满载载重 满载后桥轴荷 中心到地面高度 前后轴距 车轮滚动半径 前进 倒车 前进刹车后轮接地面制动反力 倒车刹车后轮接地面制动反力
疲劳耐久试验策略
产品可靠性要求：
➢规定条件： 确定载荷强度-选择试验规范（载荷、温度、 压力、振动/冲 击、腐蚀…）；
➢规定时间：可靠性寿命（时间、里程、置信水平 （样本数、寿命循环数…）；
➢规定功能：失效判据、失效等级。
疲劳耐久试验策略
➢ 规定试验条件-确定试验规范（载荷）：
1、等效不同的用户使用；2、满足不同的可靠度要求。
零部件程序载荷疲劳试验开发
2、按照试验规范采集道路行驶载荷，综合道路采集的左、右轮的侧向力得到后桥总侧 向力 Fy: Fy=LR_Fy+RR_Fy
LR_Fy RR_Fy LR_Fy+RR_Fy
零部件程序载荷疲劳试验开发
3、统计道路采集的各子规范后桥平均侧向力总体极值并于最大设计侧向载荷比较 可以 看出道路采集载荷的总体极值小于最大设计载荷。
运行试验并取得试验寿命数据；
乘
Hale Waihona Puke Baidu
钟型/对称
根据寿命数据判断其符合的概率分布规律；
员 重 量 分 布
零 件 寿 命 分 布
歪斜/长尾
用数理统计的方法计算分布参数，并给出寿命-概率结果。
对汽车结构疲劳寿命试验结果分析，最常用的是 2 参数威
布尔分布：
(T )
F (t ) 1 e
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )
悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐8.25 kN : 悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐ ‐1.56 kN: Range=9.81 kN
一次循环的损伤强度: d =0.173291 等效于累计总损伤强度的循环次数: N=4671
累计百分比损伤强度
44.4% 0.0% 16.2% 0.1% 0.2% 0.0% 27.5% 0.0% 0.0% 11.4% 0.2% 0.0%
零部件程序载荷疲劳试验开发
5、以最大设计载荷作为试验载荷。计算每一次前进刹车和倒车刹车车轮接地 面纵向力对后桥的损伤强度，并按照前进刹车和道车刹车10:1，折算出对应于 测量累计总损伤强度的前进和倒车刹车循环次数。
零部件程序载荷疲劳试验开发
4、 利用S‐N曲线，计算各子规范测量平均侧向力对后桥的等损伤强度。可以看出接近 99% 的损伤来自Test_M04，Test_M06，Test_M7， Test_M10，Test_M12，贡献。
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )
运行次数 累计损伤强度
800
2.276E+00
200
5.983E‐01
200
1.602E‐01
500
1.295E+01
300
9.943E‐01
20
7.796E+00
200
6.412E+01
200
4.573E+00
4
4.030E‐02
2200
7.048E+02
250
1.740E‐01
100
1.088E+01
7、后桥刹车载荷疲劳试验台
作动器 试验台架
零部件程序载荷疲劳试验开发
➢ 后桥侧向载荷疲劳试验：
1、后桥侧向受力及最大设计载荷技术要求：
悬架压缩时侧向载荷：
F I [ W R a 2
悬架伸张时侧向载荷：
W R H )] T
FO
[ W R 2
a W RH T
]
技术参数
W WR H T
r 加速度 amax
b. 根据技术要求选定试验 载荷 Range，根据 S-N 曲 线将各 Range 的损伤总和 折算成对应于选定 Range 的循环次数。
程序疲劳试验方法
2、任意循环特性（考虑实际均值的影响）： 1）多级载荷谱：在损伤矩阵中选定多个元素（Mean、Range）作为试 验载荷、同时规定总的循环次数，将其余元素的损伤折算到选定的各 个元素上并保证总次数满足规定要求；
用 户 数 量
严重度
不同的车辆使用、试验强度
80%
60%
40%
发生频率（%）
20%
0%
024
Tier_1 Tier_2 Tier_3 PG Test GLOBAL
6 8 10 12 14 16 使用强度
Microsoft Excel Worksheet
疲劳耐久试验策略
➢可靠性寿命
可靠度： 在规定的条件和时间，产品可能完成规定功能（可靠
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range ( 1 //bC) )
零部件程序载荷疲劳试验开发
6、 按照耐久试验规范计算道路试验的总载荷雨流矩阵，比较对应于 FRF、FRF 的测量和 计算循环次数。
前进刹车 倒车刹车
零部件程序载荷疲劳试验开发
的-存活），也可能完不成规定功能（不可靠的-失效）。可 靠度是产品在规定条件，规定时间内，完成规定功能的概 率。
可靠度评价指标，根据系统可靠性理论： 对于结构疲劳试验，按照可靠度要求由高到低为：整车、
系统/子系统、部件（即：VTS<SSTS<CTS）。
疲劳耐久试验策略
可靠度统计计算：
由于可靠度是一个概率的描述，因此试验应当包含一定量 的试验样本/品数。计算的方法通常为：
累计总损伤强度：8.094E+2
累计百分比损伤强度
0.3% 0.1% 0.0% 1.6% 0.1% 1.0% 7.9% 0.6% 0.0% 87.1% 0.0% 1.3%
零部件程序载荷疲劳试验开发
5、以最大设计载荷作为试验载荷。计算每一次从压缩到伸张过程的侧向力循 环对后桥的损伤强度，折算出对应于测量累计总损伤强度循环次数。
程序疲劳试验方法
➢ 产生载荷谱：
1、循环特性R=-1（不考虑均值影响）：沿 Range 轴对损伤求和。
损伤矩阵
1）多级载荷谱：根据 SN 曲线将各 Range 所对 应的总损伤折算成与 Range 相应的循环次数;
程序疲劳试验方法
2）单级载荷谱：
a. 规定总的循环次数，根 据 S-N 曲线将各 Range 的 损伤总和折算到相应的 Range 。
零部件程序载荷疲劳试验开发
2、按照试验规范采集道路行驶载荷，综合道路采集的左、右轮的刹车力矩得到后桥总 刹车力矩 My: My=LR_My+RR_My
LR_My RR_My LR_My+RR_My
零部件程序载荷疲劳试验开发
3、将道路采集的各子规范后桥总刹车力矩转化成车轮接地面上的总纵向力Fx‐总刹车力 矩除以车轮滚动半径( Fx=My/r)并统计总体极值。可以看出道路采集载荷的总体极值小于 最大设计载荷。
摩擦系数 µ
FI
量值
2562 1280 640 1590 341 0.8 0.8 0.7
8249
单位
kg kg mm mm mm g
N
说明
整车满载载重 满载后桥轴荷 中心到地面高度 后轮距 车轮滚动半径 侧向加速度 Inboard Outboard
悬架压缩时后轮接地面侧向反力
FO
1563
N
悬架压缩时后轮接地面侧向反力
减小载荷增加循环次数 65% Range
悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐8.25 kN : 悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐ ‐1.56 kN: Range=6.38 kN
一次循环的损伤强度: d =0.173291 等效于累计总损伤强度的循环次数: N=40256
零部件程序载荷疲劳试验开发
6、 按照耐久试验规范计算道路试验的平均侧向载荷雨流矩阵，比较对应于 Range=9.81 kN 的测量和计算循环次数。
程序疲劳试验方法
b. 规定总的循环次数，将损伤总和折算到相应的元素上并保证总次数满足规 定要求； 例：选择试验总循环次数为：100000 则：
零部件程序载荷疲劳试验开发
➢ 后桥刹车载荷疲劳试验：
1、刹车工况后桥受力及最大设计技术要求： 前进刹车：
F RF ( a / g ) [W R ( a / g ) (WH / L )]
程序疲劳试验方法
2）单级载荷谱：
a. 根据技术要求在损伤矩阵中选定一个元素（Mean、Range）作为试验载荷， 并计算其一次循环损伤，将损伤总和折算成对应于选定试验载荷的循环次数。
例：选定（Mean=1000N, Range=8000N）为试验载荷，则： 一次循环的损伤等于：2.9E-2/1000 = 2.9E-5 将总损伤折算到试验载荷，形影的总循环次数为：9.3E-1/2.9E-5 = 31730
刹车力 刹车力矩
零部件程序载荷疲劳试验开发
4、 利用S‐N曲线，计算各子规范测量车轮接地面上的总纵向力对后桥的损伤强度d。可 以看出超过 99% 的损伤来自Test_M01，Test_M03， Test_M07， Test_M10贡献。
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )
子规范
Test_M01 Test_M02 Test_M03 Test_M04 Test_M05 Test_M06 Test_M07 Test_M08 Test_M09 Test_M10 Test_M11 Test_M12
损伤强度/循环 运行次数 累计损伤强度
0.742847978 0.00112626 1.085314544 0.0017998 0.009986321 0.000618186 1.841693088 0.000816519 0.000112072 0.06934194 0.009556154 0.002810221
子规范
Test_M01 Test_M02 Test_M03 Test_M04 Test_M05 Test_M06 Test_M07 Test_M08 Test_M09 Test_M10 Test_M11 Test_M12
损伤强度/循环
0.002844807 2.992E‐03 8.010E‐04 2.590E‐02 3.314E‐03 3.898E‐01 3.206E‐01 2.286E‐02 1.008E‐02 3.204E‐01 6.962E‐04 1.088E‐01
目录
➢ 程序疲劳试验方法 ➢ 零部件程序载荷疲劳试验开发 ➢ 疲劳耐久试验策略
程序疲劳试验方法
➢ 道路载荷数据采集：
驾驶习惯、随机因素的影响: n 名司机、每一子规范 m 次重
复采集每一子规范共 n*m 个载荷样 本。
程序疲劳试验方法
➢ 计算每个子规范一个循环样本载荷的雨流矩阵：
➢ 对每个子规范一个循环样本载荷的共 n*m 个R-M雨流矩阵按百分位 扩展（似然分析）并选定分位；
程序疲劳试验方法
➢ 根据各子规范的循环次数，将 （选定分位）一个循环的雨流 矩阵扩展、外推到母体（对于 来自试车场道路采集的载荷可 以直接乘以循环次数）；
程序疲劳试验方法
➢ 将各个子规范的雨流矩阵进行叠加，得到耐久试验总规范载荷雨流 矩阵，并根据材料/零件的 S-N 曲线计算: 总载荷雨流矩阵中每一元素的疲劳损伤; 计算每一元素1次循环的疲劳损伤;
800
5.943E+02
200
2.253E‐01
200
2.171E+02
500
8.999E‐01
300
2.996E+00
20
1.236E‐02
200
3.683E+02
200
1.633E‐01
200
2.241E‐02
2200
1.526E+02
250
2.389E+00
100
2.810E‐01
累计总损伤强度：1.339E+3
零部件程序载荷疲劳试验开发
7、后桥侧向载荷疲劳试验台
LR_Fy
RR_Fy
7000
左后载荷谱（LR_Fy）
4000 Fo1‐2r00c0e000(N)
0 0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2 2.22.42.62.8 3 右后载荷T谱im（e R(sRe_c.F)y）
0
Fo‐‐r36c00e00(00N) ‐90000 0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2 2.22.42.62.8 3 Time (sec.)
倒车刹车：
F RR ( a / g ) [W R ( a / g ) (WH / L )]
技术参数
W WR H L r 制动减速度 amax
FRF FRR
量值
2562 1280 640 3089 341 0.8 0.5
6710 7578
单位
kg kg mm mm mm
g
N N
说明
整车满载载重 满载后桥轴荷 中心到地面高度 前后轴距 车轮滚动半径 前进 倒车 前进刹车后轮接地面制动反力 倒车刹车后轮接地面制动反力
疲劳耐久试验策略
产品可靠性要求：
➢规定条件： 确定载荷强度-选择试验规范（载荷、温度、 压力、振动/冲 击、腐蚀…）；
➢规定时间：可靠性寿命（时间、里程、置信水平 （样本数、寿命循环数…）；
➢规定功能：失效判据、失效等级。
疲劳耐久试验策略
➢ 规定试验条件-确定试验规范（载荷）：
1、等效不同的用户使用；2、满足不同的可靠度要求。
零部件程序载荷疲劳试验开发
2、按照试验规范采集道路行驶载荷，综合道路采集的左、右轮的侧向力得到后桥总侧 向力 Fy: Fy=LR_Fy+RR_Fy
LR_Fy RR_Fy LR_Fy+RR_Fy
零部件程序载荷疲劳试验开发
3、统计道路采集的各子规范后桥平均侧向力总体极值并于最大设计侧向载荷比较 可以 看出道路采集载荷的总体极值小于最大设计载荷。
运行试验并取得试验寿命数据；
乘
Hale Waihona Puke Baidu
钟型/对称
根据寿命数据判断其符合的概率分布规律；
员 重 量 分 布
零 件 寿 命 分 布
歪斜/长尾
用数理统计的方法计算分布参数，并给出寿命-概率结果。
对汽车结构疲劳寿命试验结果分析，最常用的是 2 参数威
布尔分布：
(T )
F (t ) 1 e
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )
悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐8.25 kN : 悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐ ‐1.56 kN: Range=9.81 kN
一次循环的损伤强度: d =0.173291 等效于累计总损伤强度的循环次数: N=4671
累计百分比损伤强度
44.4% 0.0% 16.2% 0.1% 0.2% 0.0% 27.5% 0.0% 0.0% 11.4% 0.2% 0.0%
零部件程序载荷疲劳试验开发
5、以最大设计载荷作为试验载荷。计算每一次前进刹车和倒车刹车车轮接地 面纵向力对后桥的损伤强度，并按照前进刹车和道车刹车10:1，折算出对应于 测量累计总损伤强度的前进和倒车刹车循环次数。
零部件程序载荷疲劳试验开发
4、 利用S‐N曲线，计算各子规范测量平均侧向力对后桥的等损伤强度。可以看出接近 99% 的损伤来自Test_M04，Test_M06，Test_M7， Test_M10，Test_M12，贡献。
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )
运行次数 累计损伤强度
800
2.276E+00
200
5.983E‐01
200
1.602E‐01
500
1.295E+01
300
9.943E‐01
20
7.796E+00
200
6.412E+01
200
4.573E+00
4
4.030E‐02
2200
7.048E+02
250
1.740E‐01
100
1.088E+01
7、后桥刹车载荷疲劳试验台
作动器 试验台架
零部件程序载荷疲劳试验开发
➢ 后桥侧向载荷疲劳试验：
1、后桥侧向受力及最大设计载荷技术要求：
悬架压缩时侧向载荷：
F I [ W R a 2
悬架伸张时侧向载荷：
W R H )] T
FO
[ W R 2
a W RH T
]
技术参数
W WR H T
r 加速度 amax
b. 根据技术要求选定试验 载荷 Range，根据 S-N 曲 线将各 Range 的损伤总和 折算成对应于选定 Range 的循环次数。
程序疲劳试验方法
2、任意循环特性（考虑实际均值的影响）： 1）多级载荷谱：在损伤矩阵中选定多个元素（Mean、Range）作为试 验载荷、同时规定总的循环次数，将其余元素的损伤折算到选定的各 个元素上并保证总次数满足规定要求；
用 户 数 量
严重度
不同的车辆使用、试验强度
80%
60%
40%
发生频率（%）
20%
0%
024
Tier_1 Tier_2 Tier_3 PG Test GLOBAL
6 8 10 12 14 16 使用强度
Microsoft Excel Worksheet
疲劳耐久试验策略
➢可靠性寿命
可靠度： 在规定的条件和时间，产品可能完成规定功能（可靠
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range ( 1 //bC) )
零部件程序载荷疲劳试验开发
6、 按照耐久试验规范计算道路试验的总载荷雨流矩阵，比较对应于 FRF、FRF 的测量和 计算循环次数。
前进刹车 倒车刹车
零部件程序载荷疲劳试验开发
的-存活），也可能完不成规定功能（不可靠的-失效）。可 靠度是产品在规定条件，规定时间内，完成规定功能的概 率。
可靠度评价指标，根据系统可靠性理论： 对于结构疲劳试验，按照可靠度要求由高到低为：整车、
系统/子系统、部件（即：VTS<SSTS<CTS）。
疲劳耐久试验策略
可靠度统计计算：
由于可靠度是一个概率的描述，因此试验应当包含一定量 的试验样本/品数。计算的方法通常为：
累计总损伤强度：8.094E+2
累计百分比损伤强度
0.3% 0.1% 0.0% 1.6% 0.1% 1.0% 7.9% 0.6% 0.0% 87.1% 0.0% 1.3%
零部件程序载荷疲劳试验开发
5、以最大设计载荷作为试验载荷。计算每一次从压缩到伸张过程的侧向力循 环对后桥的损伤强度，折算出对应于测量累计总损伤强度循环次数。
程序疲劳试验方法
➢ 产生载荷谱：
1、循环特性R=-1（不考虑均值影响）：沿 Range 轴对损伤求和。
损伤矩阵
1）多级载荷谱：根据 SN 曲线将各 Range 所对 应的总损伤折算成与 Range 相应的循环次数;
程序疲劳试验方法
2）单级载荷谱：
a. 规定总的循环次数，根 据 S-N 曲线将各 Range 的 损伤总和折算到相应的 Range 。
零部件程序载荷疲劳试验开发
2、按照试验规范采集道路行驶载荷，综合道路采集的左、右轮的刹车力矩得到后桥总 刹车力矩 My: My=LR_My+RR_My
LR_My RR_My LR_My+RR_My
零部件程序载荷疲劳试验开发
3、将道路采集的各子规范后桥总刹车力矩转化成车轮接地面上的总纵向力Fx‐总刹车力 矩除以车轮滚动半径( Fx=My/r)并统计总体极值。可以看出道路采集载荷的总体极值小于 最大设计载荷。
摩擦系数 µ
FI
量值
2562 1280 640 1590 341 0.8 0.8 0.7
8249
单位
kg kg mm mm mm g
N
说明
整车满载载重 满载后桥轴荷 中心到地面高度 后轮距 车轮滚动半径 侧向加速度 Inboard Outboard
悬架压缩时后轮接地面侧向反力
FO
1563
N
悬架压缩时后轮接地面侧向反力
减小载荷增加循环次数 65% Range
悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐8.25 kN : 悬架压缩时后轮接地面侧向反力：0‐ ‐1.56 kN: Range=6.38 kN
一次循环的损伤强度: d =0.173291 等效于累计总损伤强度的循环次数: N=40256
零部件程序载荷疲劳试验开发
6、 按照耐久试验规范计算道路试验的平均侧向载荷雨流矩阵，比较对应于 Range=9.81 kN 的测量和计算循环次数。
程序疲劳试验方法
b. 规定总的循环次数，将损伤总和折算到相应的元素上并保证总次数满足规 定要求； 例：选择试验总循环次数为：100000 则：
零部件程序载荷疲劳试验开发
➢ 后桥刹车载荷疲劳试验：
1、刹车工况后桥受力及最大设计技术要求： 前进刹车：
F RF ( a / g ) [W R ( a / g ) (WH / L )]
程序疲劳试验方法
2）单级载荷谱：
a. 根据技术要求在损伤矩阵中选定一个元素（Mean、Range）作为试验载荷， 并计算其一次循环损伤，将损伤总和折算成对应于选定试验载荷的循环次数。
例：选定（Mean=1000N, Range=8000N）为试验载荷，则： 一次循环的损伤等于：2.9E-2/1000 = 2.9E-5 将总损伤折算到试验载荷，形影的总循环次数为：9.3E-1/2.9E-5 = 31730
刹车力 刹车力矩
零部件程序载荷疲劳试验开发
4、 利用S‐N曲线，计算各子规范测量车轮接地面上的总纵向力对后桥的损伤强度d。可 以看出超过 99% 的损伤来自Test_M01，Test_M03， Test_M07， Test_M10贡献。
应力集中系数Kf=2，S‐N 曲线截距C =16，S‐N 曲线斜率b =‐0.2 d K f * ( Range / C ) ( 1 / b )
子规范
Test_M01 Test_M02 Test_M03 Test_M04 Test_M05 Test_M06 Test_M07 Test_M08 Test_M09 Test_M10 Test_M11 Test_M12
损伤强度/循环 运行次数 累计损伤强度
0.742847978 0.00112626 1.085314544 0.0017998 0.009986321 0.000618186 1.841693088 0.000816519 0.000112072 0.06934194 0.009556154 0.002810221
子规范
Test_M01 Test_M02 Test_M03 Test_M04 Test_M05 Test_M06 Test_M07 Test_M08 Test_M09 Test_M10 Test_M11 Test_M12
损伤强度/循环
0.002844807 2.992E‐03 8.010E‐04 2.590E‐02 3.314E‐03 3.898E‐01 3.206E‐01 2.286E‐02 1.008E‐02 3.204E‐01 6.962E‐04 1.088E‐01