車架疲勞仿真分析與臺架試驗研究

湯科 回春 喻攀 張凱

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430057

1 前言

汽車上大多數(shù)部件和總成都是通過車架來固定其位置的，車架在底盤結(jié)構(gòu)中是非常重要的組成部分，其功能是支承連接汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。

汽車在復雜道路上行駛時，固定在車架上的各總成和部件之間應(yīng)不發(fā)生干涉。當汽車通過不平整的路面時，車架在載荷作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形以及縱向平面內(nèi)的彎曲變形，因此，整車對車架在剛度、疲勞強度上都有非常嚴格的要求。本文以某款輕型卡車車架為例，建立仿真模型，搭建車架試驗臺，進行車架扭轉(zhuǎn)疲勞仿真分析與測試研究。

2 車架結(jié)構(gòu)

本文選取某款輕型卡車的邊梁式車架，其由兩根位于兩邊相互平行的縱梁和多根橫梁組成，如圖1所示。

圖1 某款輕型卡車的邊梁式車架

縱梁為槽型不等高斷面梁，由于縱梁中部受到完全力矩最大，故中部斷面高度最大，由此向兩端斷面高度則逐漸減小。這樣分布使得應(yīng)力分布較為均勻，同時減小了車架質(zhì)量。橫梁不僅能支承汽車上主要部件，還保障車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷。

3 車架的建模與仿真分析

3.1 車架模型搭建

本文選取某款輕型卡車的邊梁式車架，搭建車架模型，薄壁板件采用四邊形單元進行模擬，單元基本尺寸為8 mm；板簧吊耳鑄造件采用四面體模擬；約束后懸架所有自由度，前懸架前軸中間位置施加繞縱軸方向的強制轉(zhuǎn)動位移，大小為8°；依據(jù)施加情況在車架縱梁后部分施加載重4.5 t的載荷，整體有限元模型如圖2所示[1]。

圖2 車架有限元模型

3.2 車架仿真分析

基于上述有限元模型，對輕卡車架進行了靜力學仿真分析，仿真結(jié)果顯示車架第五橫梁與縱梁交接處等效應(yīng)力接近330 MPa，車架選用510L材料，未超過材料的屈服強度，但是等效應(yīng)力值相對較高，多次試驗容易造成疲勞開裂[2]。車架有限元分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 車架有限元分析結(jié)果

4 車架試驗臺設(shè)計及試驗方法研究

為了模擬汽車行駛過程中車架扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，設(shè)計車架扭轉(zhuǎn)疲勞耐久靜態(tài)試臺，對車架進行疲勞試驗。

4.1 試驗臺組成

車架扭轉(zhuǎn)疲勞耐久試驗臺的組成包括：伺服電缸、前橋鉸接支座、車架、貨廂、配重塊、后橋固定座、應(yīng)變片以及控制伺服電缸的運動控制器。車架測試試驗臺如圖4、5所示。

圖4 車架扭轉(zhuǎn)疲勞耐久試驗臺機械結(jié)構(gòu)三維圖

圖5 車架扭轉(zhuǎn)疲勞耐久試驗臺實物圖

汽車車架前橋安裝點固定方式采取鉸接方式，后橋安裝點固定方式與橫梁剛性連接。車架上裝載貨箱，載荷負重4.5 t。伺服電機通過鉸接方式與夾具連接，使前軸與車架平面形成不同的角度α。

運動控制器控制伺服電缸，帶動車架運行，同時根據(jù)測試要求，調(diào)整振動幅值。

4.2 試驗臺測試方法

根據(jù)有限元分析的結(jié)果以及同類車架在試驗過程中失效的位置綜合比對，在危險系數(shù)較大的位置布置應(yīng)變花，應(yīng)變花位置為車架第五橫梁右側(cè)下部分鉚釘鉚接處；將4.5 t的配重塊裝載于貨廂內(nèi)，記錄該車架滿載時狀態(tài)；啟動伺服電機，伺服電機帶動夾具，給車架加載一定的位移，試驗頻率1 Hz，加載方式正弦波，如圖6、7所示，一直循環(huán)此步驟，直到車架發(fā)生失效，此時記錄車架失效的位置及車架失效時的試驗次數(shù)。應(yīng)變花粘貼位置如圖8所示。

圖6 車架扭轉(zhuǎn)示意圖

圖7 車架加載示意圖

5 測試結(jié)果分析及總結(jié)

在車架進行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗測試過程中，進行8萬多次測試后出現(xiàn)第五橫梁開裂。在相同條件下，臺架測試的應(yīng)力值與仿真的應(yīng)力結(jié)果相似，證明了利用有限元分析軟件能近似代替臺架試驗，為汽車車架的設(shè)計與優(yōu)化提供理論依據(jù)[3]。

圖8 應(yīng)變花粘貼位置