基于臺架試驗的重型商用車車架研究

李鵬，譚志軍，倪城琳，宋華，李承燕

(上汽依維柯紅巖商務(wù)車有限公司，重慶401122)

基于臺架試驗的重型商用車車架研究

李鵬，譚志軍，倪城琳，宋華，李承燕

(上汽依維柯紅巖商務(wù)車有限公司，重慶401122)

分析了重型商用車在行駛中的車架受力情況，闡述了車架臺架試驗方法，并利用臺架試驗對車架的彎曲應(yīng)力、變形和疲勞，以及扭轉(zhuǎn)剛度和疲勞進行試驗分析，實現(xiàn)了驗證車架結(jié)構(gòu)可靠性的目的，為設(shè)計出滿足強度和剛度要求的車架提供了有效依據(jù)。

車架;臺架試驗;試驗分析

在我國經(jīng)濟快速發(fā)展時期中，重型商用車作為一種生產(chǎn)工具也在快速發(fā)展和廣泛實用。由于重型商用車運送效率高，載重大，工作環(huán)境惡劣，以及用戶群體的特殊使用要求，使得提高重型商用車的可靠性和安全性尤為重要。重型商用車的車架是安裝車輛各總成的基礎(chǔ)總成，是車輛在不同運行環(huán)境下的主要受力變形部件，因此，從整車性能出發(fā)，重型商用車對車架的剛度、強度以及可靠性方面的要求越來越高。

1 重型商用車車架

重型商用車車架均采用邊梁式車架的結(jié)構(gòu)和組成，即由兩根位于兩板的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接或者螺栓連接的方式將縱梁與橫梁連接成堅固的剛性構(gòu)架。邊梁式車架便于支承連接汽車的各零部件，安裝車身和布置其他總成，有利于滿足改裝、變型和發(fā)展多品種的需要，便于滿足用戶的特殊使用要求。同時，車架不僅承受車輛各總成和所運輸貨物的重量和載荷，還要承受來自車內(nèi)外的各種載荷，包括汽車行駛時所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此，重型商用車車架必須保證在各種復(fù)雜的受力情況下有足夠的疲勞強度、彎曲強度和適當?shù)呐まD(zhuǎn)剛度，以及滿足輕量化的要求。

2 車架臺架試驗

由于整車存在尺寸設(shè)計和裝配方式等各種各樣的因素，使新設(shè)計車型的車間需要通過整車道路試驗和相關(guān)臺架試驗進行驗證，保證最終的設(shè)計產(chǎn)品達到設(shè)計要求。通過傳統(tǒng)的整車可靠性道路試驗驗證車架設(shè)計結(jié)構(gòu)的時間長，消耗人力財力大，且對試驗場地要求嚴格。與之相比，利用臺架試驗方法檢驗車架不僅可以縮短開發(fā)和試制的驗證時間，而且節(jié)約成本，為新型車架的研制和改進提供了科學(xué)的有效途徑。由于目前還沒有統(tǒng)一的、可借鑒的車架總成可靠性考核的方法及標準，針對車架總成的可靠性考核是根據(jù)自主設(shè)計的臺架試驗方法和相關(guān)設(shè)備，對車架總成實現(xiàn)臺架試驗的。作為國內(nèi)首創(chuàng)的商用車車架臺架試驗，該試驗在車輛在批量生產(chǎn)之前，利用試驗設(shè)備模擬實際工況對車架的彎曲應(yīng)力、彎曲變形、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)疲勞的參數(shù)進行驗證，從而檢查車架結(jié)構(gòu)是否達到設(shè)計要求。

商用車車架作為底盤系統(tǒng)的重要組成部分，其受力狀況比較復(fù)雜，因此對其受力情況和疲勞強度的校核至關(guān)重要。根據(jù)車架的實際受力情況分析，車架所受到的主要載荷為彎曲、扭轉(zhuǎn)、側(cè)向載荷和縱向載荷等。當汽車在平坦的道路上以較高車速行駛時，由于車架的自身質(zhì)量和附加質(zhì)量與垂直振動加速度使車架產(chǎn)生彎曲變形。此時車輛的多個車輪可能不在同一平面上，從而使車架發(fā)生歪斜，使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。車架的工況可以分為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況。彎曲工況是模擬在四輪著地時汽車在良好路面勻速直線行駛狀態(tài)下的車架變形情況。扭轉(zhuǎn)工況是模擬一個車輪懸空而另外一個車輪被抬高時汽車的車架受力狀態(tài)。

通過分析車架實際工況下的受力情況，以及相關(guān)試驗方法和車架設(shè)計經(jīng)驗公式，設(shè)計的車架臺架試驗包括彎曲應(yīng)力試驗、彎曲變形試驗、彎曲疲勞試驗、扭轉(zhuǎn)剛度試驗和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。根據(jù)試驗要求，在試驗之前將車架總成水平放置，安裝在試驗臺架上，并把測試點安置在車架總成上，如圖1和圖2中所示分別為彎曲變形、彎曲應(yīng)力測速點位置和扭轉(zhuǎn)剛度測速點位置。

圖1 彎曲變形、彎曲應(yīng)力測量點

圖2 扭轉(zhuǎn)剛度測量點

3 試驗分析

3.1 彎曲應(yīng)力和彎曲變形

根據(jù)車架臺架試驗的內(nèi)容和步驟，彎曲應(yīng)力和彎曲變形的試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。隨著在鞍座上施加的載荷增大，彎曲應(yīng)力和彎曲變形逐漸增大。在前軸中心線至平衡軸中心線，車架的彎曲應(yīng)力和彎曲變形也是呈線性增加。最大彎曲應(yīng)力和彎曲變形出現(xiàn)了鞍座中心線附加，即試驗載荷施加位置附加。

圖3 彎曲應(yīng)力－載荷圖

圖4 彎曲變形－載荷圖

試驗中施加的載荷超過標準載荷的30%，其最大彎曲應(yīng)力為108 MPa。而車架采用510L汽車大梁鋼，屈服強度為355 MPa。因此，在安全系數(shù)為2時，試驗車架滿足設(shè)計要求，所以車架的強度是足夠的。車架縱梁的最大撓度計算如式(1)，其中Jx為梁的抗彎剛度系數(shù)，E為彈性模量，l為汽車軸距，F(xiàn)為縱梁中點受到的集中載荷，Ymax為梁的撓度。結(jié)合車架使用要求和設(shè)計經(jīng)驗，車架通常的最大撓度不得超過10 mm。試驗車架的最大變形量為7.36 mm，同樣滿足設(shè)計要求。試驗結(jié)果說明該車架具有良好的抗變形能力，有利于提高整車的操控性，使輪胎與路面的接地性增大，從而增強車輛的抓地力，使行駛平穩(wěn)。

3.2 彎曲疲勞

車輛長期在不平整的路面行駛時，容易產(chǎn)生不斷變化的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致車架彎曲變形，引起彎曲疲勞。為驗證試驗車架的彎曲疲勞強度，在車架的牽引座上施加160～300 kN的垂直載荷，載荷的施加和釋放要求循環(huán)20萬次;再對牽引座上施加210～410 kN的垂直載荷，循環(huán)10萬次。因為通常的試驗規(guī)范要求是載荷循環(huán)次數(shù)大于20萬次，循環(huán)次數(shù)大于20萬次后即認為疲勞壽命符合試驗工況，所以不再追求疲勞壽命是多少。經(jīng)過彎曲疲勞試驗后，車架總成未出現(xiàn)破損等缺陷，說明車架彎曲疲勞壽命的符合要求。

3.3 扭轉(zhuǎn)剛度

車架的扭轉(zhuǎn)剛度直接影響車輛的操作性、平順性和通過能力。因為車架的縱梁具有折彎面，橫梁也不是等距離布置，所以車架的扭轉(zhuǎn)剛度不是固定的，只能利用定性的比較性計算，再通過實驗來確定。圖5為6個測試點分別在不同加載力矩的作用下，轉(zhuǎn)動角度的變換。

圖5 扭轉(zhuǎn)變形圖

由于臺架試驗主要針對車架前段扭轉(zhuǎn)剛度的變化進行研究，因此，相對接近試驗固定點的測試點5和測試點6，其轉(zhuǎn)動角度明顯小于車架前段的測試點。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，試驗車架的扭轉(zhuǎn)剛度為3 509.41 Nm/°，車架未出現(xiàn)破損，開裂等異常情況。

3.4 扭轉(zhuǎn)疲勞

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗是通過固定車架平衡軸中心線上兩點，且在車架前段固定點施加循環(huán)力矩，使車架總成在設(shè)計的試驗角度之間形成不斷扭轉(zhuǎn)變形，實現(xiàn)車架扭轉(zhuǎn)疲勞。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗內(nèi)容如表1，試驗中的最大扭轉(zhuǎn)角度為±5°。

表1 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗內(nèi)容

從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車架在－2°～2°之間扭轉(zhuǎn)變形在循環(huán)10萬次后，均為出現(xiàn)斷裂等異?，F(xiàn)象。而在－3°～3°時，變截面橫梁與縱梁對稱連接螺栓出現(xiàn)剪斷現(xiàn)象。其后的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗也出現(xiàn)了相同情況。該現(xiàn)象可能是因為車架總成裝配或螺栓強度問題導(dǎo)致的，屬于可避免的試驗結(jié)果。在－5°～5°工況下，循環(huán)到9萬次的時候，縱梁折彎處的一側(cè)加強版出現(xiàn)斷裂，平衡軸橫梁出現(xiàn)裂紋，之后未再出現(xiàn)更嚴重的異常現(xiàn)象，如圖6、圖7所示。

圖6 縱梁加強板斷裂

圖7平衡軸上橫梁裂縫

圖6 和圖7為扭轉(zhuǎn)疲勞試驗產(chǎn)生的疲勞變形情況。雖無法考察此處是否在開裂之前有某種缺陷導(dǎo)致斷裂和出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，但從零件的其他部位看，存在明顯的疲勞裂紋擴展紋路。試驗中，－5°～5°的載荷工況，屬于模擬實際工況中非常惡劣道路情況，并且其加載的是在該重型商用車超載30%的情況下的力矩。雖然試驗中出現(xiàn)加強版斷裂情況，但是只出現(xiàn)在±5°時，且試驗結(jié)果未出現(xiàn)常見的因扭轉(zhuǎn)疲勞而導(dǎo)致縱梁下翼面斷裂或更為嚴重的斷裂情況。另外，按照相關(guān)規(guī)范，在±4°工況下循環(huán)10萬次即達到試驗?zāi)繕?。因此，扭轉(zhuǎn)疲勞試驗結(jié)果說明車架的結(jié)構(gòu)是滿足設(shè)計要求和實際工況需要的。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與整車道路試驗

車架臺架試驗雖然驗證了車架結(jié)構(gòu)是滿足設(shè)計要求的，但還存在可優(yōu)化和改進的地方，例如車架縱梁長度、車架寬度、車架加強板的位置、以及車架橫梁形式的改進等。再結(jié)合有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果更加顯著，車架臺架試驗的實用價值更加明顯。

另外，車架臺架試驗?zāi)M的工況與實際道路工況依然存在一定的差別。其試驗結(jié)果的可靠性需要通過整車道路試驗來檢驗。從整車道路試驗采集的數(shù)據(jù)與臺架試驗數(shù)據(jù)進行比較分析后發(fā)現(xiàn)，靜載作用下的車架臺架試驗與實際路況下承重載荷的道路試驗相比較，兩者在車架總成上的應(yīng)力分布規(guī)律和變形情況基本吻合，這證明了車架臺架試驗數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果的可靠性。同時，利用整車道路試驗數(shù)據(jù)還可對優(yōu)化臺架試驗方法和內(nèi)容起到關(guān)鍵作用，為提高臺架試驗品質(zhì)和可靠性有效提供幫助。

5 結(jié)論

在商用車車架結(jié)構(gòu)驗證過程中引入臺架試驗，一方面可以最大限度地節(jié)省大量的試驗費用，具有十分顯著的經(jīng)濟效益;另一方面，通過實現(xiàn)車架臺架試驗與相關(guān)設(shè)計工作相輔相成，可盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并及時進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高設(shè)計的可靠性和設(shè)計質(zhì)量，大大縮短設(shè)計周期。

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(責(zé)任編輯周江川)

Heavy-duty Commercial Vehicle Frame Based on the Bench Test

LIPeng，TAN Zhi－jun，NICheng－lin，SONG Hua，LICheng－yan
(SAIC－IVECO Hongyan Commercial Co.Ltd，Chongqing 401122，China)

This paper analyzed the force of the frame of heavy commercial vehicles in motion，expounded the frame bench testmethods，and through the use of the frame of the bench test analysis bending stress，deformation and fatigue，aswell as torsional stiffness and fatigue.Itachieves validation purposes of the reliability of the frame structure，and provides an effective basis for the design of tomeet the requirements of strength and rigidity of the frame.

frame;bench test;test analysis

:A

1006－0707(2014)07－0064－04

format:LIPeng，TAN Zhi－jun，NICheng－lin，et al.Heavy－duty Commercial Vehicle Frame Based on the Bench Test［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):64－66.

本文引用格式:李鵬，譚志軍，倪城琳，等.基于臺架試驗的重型商用車車架研究［J］.四川兵工學(xué)報，2014(7):64－66.

10.11809/scbgxb2014.07.019

2013－07－29

李鵬(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事商用車車架設(shè)計研究。

U467.3