輕型商用車車架剛度及疲勞試驗(yàn)研究

陳軍，楊雷東

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

輕型商用車車架剛度及疲勞試驗(yàn)研究

陳軍，楊雷東

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

車架是汽車的主要承載部件，其剛度和疲勞強(qiáng)度性能對整車性能影響重大。文章對某輕型商用車車架的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了研究。建立了輕型商用車車架彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺，并進(jìn)行了單激振點(diǎn)集中加載方式的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)及其疲勞試驗(yàn)。車架在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象，經(jīng)分析是由焊接質(zhì)量差造成的，并據(jù)此提出了改進(jìn)措施。本試驗(yàn)結(jié)果為車架產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了有效的依據(jù)，并為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)驗(yàn)證提供了有效的途徑，最后探討了基于道路載荷譜的多激振點(diǎn)的譜加載車架疲勞試驗(yàn)方法。

車架；剛度試驗(yàn)；疲勞試驗(yàn)；譜加載試驗(yàn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.031

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-90-04

引言

車架是汽車的主要承載部件，安裝的部件有發(fā)動機(jī)、變速器、懸架、車廂、駕駛室等，它承受著各種復(fù)雜工況所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。車架的剛度和強(qiáng)度是其基本的性能要求。而車架的剛度和疲勞性能的好壞則直接決定著整車設(shè)計(jì)的成敗。因此，在開發(fā)階段進(jìn)行車架的剛度和疲勞強(qiáng)度性能的臺架試驗(yàn)驗(yàn)證非常有必要。

為了驗(yàn)證某輕型商用車的車架的輕量化設(shè)計(jì)效果，需要在試制階段進(jìn)行剛度和疲勞強(qiáng)度的臺架試驗(yàn)。本文就該車架的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞臺架試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

1、試驗(yàn)方案

根據(jù)其彎曲工況下的受力特征和現(xiàn)有的試驗(yàn)室資源情況，試驗(yàn)方案的內(nèi)容主要為制定試驗(yàn)的加載方式、載荷大小、固定方式和進(jìn)行測量點(diǎn)的選取以及疲勞加載循環(huán)次數(shù)的確定等。

首先是加載方式的確定。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)室資源，可以采用電子控制液伺服加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單激振點(diǎn)靜態(tài)加載和等幅值正弦循環(huán)加載。根據(jù)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的便利性和可操作性以及試驗(yàn)?zāi)M的有效性，簡化載荷，選擇集中加載的方式，彎曲加載點(diǎn)確定在車輛整車質(zhì)心在車架上的投影點(diǎn)位置。扭轉(zhuǎn)加載點(diǎn)在前懸架橫向軸線的夾具上的一端。

其次是載荷的確定。對于彎曲剛度工況，主要是靜態(tài)受力，所以根據(jù)車架設(shè)計(jì)最大承載能力（即車架上方的總質(zhì)量）來確定其大小。該試驗(yàn)最大彎曲靜載荷確定為20kN，試驗(yàn)時采用梯級加載方式，即從0～20kN逐級加載，加載步長為5kN。對于彎曲疲勞載荷，根據(jù)國內(nèi)普通公路和高速公路工況，載荷確定為靜態(tài)最大承載能力的（1±1.55）倍，即9～31kN。采用等幅值正弦加載，頻率1～2Hz，方向垂直向下。彎曲加載循環(huán)次數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)使用壽命和疲勞損傷累積等效原則確定為50萬次不損壞，載荷的方向?yàn)榇怪毕蛳隆?/p>

對于扭轉(zhuǎn)工況，剛度試驗(yàn)采用角度控制輸入，加載角度（前軸軸向方向與水平面的夾角）為1°～4°，梯級加載，加載步長為 1°。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)輸入依然是角度輸入，加載順序?yàn)?°（10萬次）→±2°（10萬次）→±3°（10萬次）→±4°（10萬次）。

第三是固定方式的確定。對于彎曲工況，固定的原則是約束點(diǎn)為懸架硬點(diǎn)，后懸架硬點(diǎn)限制Y和Z方向位移以及圍繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)自由度，前懸架硬點(diǎn)則限制X、Y、Z三個方向的位移以及圍繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)自由度。彎曲加載方案如圖1所示。

對于扭轉(zhuǎn)工況，固定原則為后懸架保證六個方向自由度不受約束，前懸架保證圍繞X軸的旋轉(zhuǎn)自由度不收約束，如圖2。

第四是測量點(diǎn)的選擇。測量點(diǎn)位于車架縱梁上，左右對稱，根據(jù)受力狀態(tài)選取合適的間距，原則是能夠客觀反映車架剛度性能。測量點(diǎn)布置見圖3和圖4。

2、試驗(yàn)臺的建立

2.1試驗(yàn)設(shè)備和儀器系統(tǒng)

試驗(yàn)設(shè)備和儀器系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大部分。

試驗(yàn)加載系統(tǒng)采用電子控制液壓伺服系統(tǒng)，作動器為伺服液壓缸，采用先進(jìn)的中文自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)時間及速度設(shè)定、力控制模式或者位移控制模式的自動加載功能。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)加載和基于多種波形的等幅值循環(huán)加載試驗(yàn)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括獨(dú)立的LVDT位移傳感器、集成在作動器上的位移傳感器和力傳感器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集軟件。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)位移和力信號的實(shí)時自動采集、存儲、實(shí)時顯示和回放等功能。

2.2試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)

試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)基本原則是具有足夠的剛度和強(qiáng)度，設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是實(shí)車結(jié)構(gòu)和受力分析。

根據(jù)車架的受力分析確定需要連接固定的點(diǎn)為前后懸架的硬點(diǎn)。如圖1所示。

根據(jù)實(shí)車結(jié)構(gòu)的情況確定需要模擬的汽車零部件。該車型前懸架結(jié)構(gòu)采用扭桿彈簧和副車架，后懸架則采用了鋼板彈簧結(jié)構(gòu)。因此前懸架夾具采用剛性件模擬扭桿彈簧和副車架及其連接件；后懸架則采用剛性件模擬鋼板彈簧。

根據(jù)圖1和圖2的加載方案，前懸架夾具與固定于鐵地板的支架之間采用鉸接方式；后懸架模擬鋼板彈簧與車架之間的連接采用鉸接方式模擬彈簧吊耳結(jié)構(gòu)，彎曲工況模擬鋼板彈簧與地面的連接為滾動方式，扭轉(zhuǎn)工況模擬鋼板彈簧與地面連接為兩端球形鉸鏈的三根支柱組成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

根據(jù)車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行夾具材料的選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其剛度和強(qiáng)度校核。本項(xiàng)目采用H型鋼模擬鋼板彈簧，這樣方便臺架的布置和連接件的安裝。采用圓鋼模擬扭桿彈簧，采用矩形管材模擬副車架。最后進(jìn)行模擬鋼板彈簧的抗彎剛度和強(qiáng)度的校核以及模擬扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度校核及副車架的剛度和強(qiáng)度校核。因?yàn)槟M部件的受力較為簡單，利用材料力學(xué)手段進(jìn)行了手工校核。

彎曲剛度試驗(yàn)臺見圖5，扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)臺見圖6。彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)臺是彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)臺分別撤除LVDT位移傳感器之后的臺架。

3、剛度和疲勞試驗(yàn)

3.1彎曲剛度及疲勞試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)既定的方案，將車架樣品安裝在試驗(yàn)夾具上，并固定于鐵地板上，搭建試驗(yàn)臺架。出于運(yùn)動補(bǔ)償?shù)哪康?，加載作動器與車架之間的連接采用球形鉸接方式。將標(biāo)定好的位移傳感器布置在選取的測量點(diǎn)處，并連接數(shù)據(jù)采集器和電腦。

根據(jù)既定的梯級加載方案進(jìn)行加載，同時采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)進(jìn)行了三次，最終結(jié)果取三次結(jié)果的平均值。各測量點(diǎn)的撓度見圖7，3點(diǎn)和8點(diǎn)的位移—載荷曲線見圖8。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，左右縱梁上的測量點(diǎn)的撓度對稱性很好，并且隨著載荷的增加而增加。這說明試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)、傳感器布置合理及加載運(yùn)行情況良好。

車架的彎曲剛度采用撓度最大的測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，即整車質(zhì)心位置投影點(diǎn)所在橫向軸線與縱梁的交點(diǎn)（測量點(diǎn)3和測量點(diǎn) 8）的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。通過數(shù)據(jù)擬合，最終得出的車架總成的彎曲剛度為 2173N/mm，見圖 5。這個結(jié)果滿足車架彎曲剛度性能的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)既定的加載方案，彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了50萬次循環(huán)后，車架仍然完好。將載荷加大至30kN繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到70萬次循環(huán)結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)后，車架完好，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等損壞的現(xiàn)象。該車架樣品的彎曲疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2扭轉(zhuǎn)剛度及疲勞試驗(yàn)結(jié)果

按照既定方案搭建好試驗(yàn)臺。經(jīng)過三次測試，取平均值，得出的結(jié)果見圖 9。圖中經(jīng)過擬合計(jì)算得出的車架剛度為2043.3Nm/°，計(jì)算時取前軸中心線上的縱梁上點(diǎn)的數(shù)據(jù)。該結(jié)果滿足車架扭轉(zhuǎn)剛度的設(shè)計(jì)要求。

扭轉(zhuǎn)疲勞在進(jìn)行總循環(huán)次數(shù)為25萬次時（3°工況）從前往后數(shù)車架第二和第三橫梁與縱梁結(jié)合處焊縫出現(xiàn)裂紋，見圖10。該結(jié)果未滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

4、問題分析及產(chǎn)品改進(jìn)措施

扭轉(zhuǎn)工況時橫梁和縱梁結(jié)合處焊縫出現(xiàn)疲勞裂紋。通過分析研究，排除了結(jié)構(gòu)和材料因素的影響，得出的結(jié)論是：造成焊縫強(qiáng)度不足的原因主要是采用普通的手工電弧焊焊接工藝，焊接質(zhì)量差，焊縫不規(guī)則，焊腳偏大，焊瘤引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致疲勞裂紋。據(jù)此，提出的改進(jìn)措施為：改進(jìn)焊接工藝，采用氣體保護(hù)焊工藝，并改進(jìn)焊接工裝，適當(dāng)減小焊腳長度，提高焊接質(zhì)量。

5、基于道路載荷譜的車架多軸加載疲勞試驗(yàn)探討

本項(xiàng)目的彎曲疲勞試驗(yàn)采用的是正弦波形等幅值循環(huán)加載方式。這是一種較為簡單易于實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)方法。

一種更好的車架疲勞試驗(yàn)方案可以采用基于道路載荷譜的多激振點(diǎn)譜加載的試驗(yàn)方法。該方法的基本過程是：首先進(jìn)行車架道路載荷譜的采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成試驗(yàn)載荷譜，然后通過多軸譜加載設(shè)備進(jìn)行多激振點(diǎn)疲勞試驗(yàn)。

車架疲勞試驗(yàn)迭代點(diǎn)的確定可以參考 CAE仿真分析結(jié)果確定的受力薄弱點(diǎn)進(jìn)行選取。該方法最重要的步驟是道路載荷譜的采集、數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)載荷譜的生成和試驗(yàn)迭代。其中難點(diǎn)在于試驗(yàn)載荷譜的生成，這個過程包含了大量的道路載荷譜的數(shù)據(jù)提取和異常數(shù)據(jù)的剔除，并根據(jù)疲勞損傷累積理論和車輛的設(shè)計(jì)使用壽命綜合考慮而制定，并且需要大量的車輛實(shí)際使用情況數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。

而且該方法對設(shè)備儀器的要求較高，數(shù)據(jù)采集將采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，加載設(shè)備將采用可復(fù)現(xiàn)道路工況的電子控制液壓伺服系統(tǒng)。這些儀器和設(shè)備造價昂貴。

因此，進(jìn)行譜加載試驗(yàn)技術(shù)方面和成本方面的門檻很高。但是該方法和本文討論的傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比，能夠復(fù)現(xiàn)道路工況，試驗(yàn)?zāi)M更接近實(shí)際情況。車架的彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)可同時進(jìn)行，只需要一套試驗(yàn)臺架即可，而傳統(tǒng)的方法是彎曲疲勞強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)是分開進(jìn)行的，需要兩套試驗(yàn)臺架。

6、結(jié)論及展望

通過彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度和疲勞試驗(yàn)，獲得了某輕型商用車車架試制階段的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能，驗(yàn)證了其輕量化設(shè)計(jì)的效果。通過本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該車架扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度性能的相關(guān)問題，并提出了相應(yīng)的產(chǎn)品改進(jìn)措施。試驗(yàn)結(jié)果為車架的設(shè)計(jì)開發(fā)工作提供了有效的參考依據(jù)。同時為同類產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)的驗(yàn)證工作提供了有效途徑。

通過對多激振點(diǎn)譜加載疲勞試驗(yàn)的討論，我們可以得知車架的疲勞性能是有可能通過譜加載方法進(jìn)行考核驗(yàn)證的，而且同時考核了彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度性能。

多激振點(diǎn)譜加載試驗(yàn)是汽車零部件疲勞試驗(yàn)的發(fā)展方向，雖然技術(shù)門檻和經(jīng)濟(jì)門檻較高，目前國內(nèi)此類設(shè)備和儀器極少，尤其是譜加載多軸電子控制液壓伺服系統(tǒng)。但也不是遙不可及，預(yù)計(jì)不久國內(nèi)便會出現(xiàn)汽車關(guān)鍵零部件譜加載多軸疲勞試驗(yàn)設(shè)備，屆時就可以進(jìn)行包括車架在內(nèi)的汽車關(guān)鍵零部件的復(fù)現(xiàn)道路工況的多激振點(diǎn)譜加載疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

本項(xiàng)目未同時進(jìn)行CAE仿真試驗(yàn)，今后可以參照試驗(yàn)的約束條件進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證車架的剛度和疲勞性能。

[1] 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004:10.

[2] 申娟,歐家福,劉德輝.牽引車車架彎曲、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺研制[J].機(jī)床與液壓,2012 (18) : 85-86.

[3] 鄭默思,周曉軍.多通道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺電液伺服系統(tǒng)的分析[J].機(jī)床與液壓,2007 (04): 136-138.

[4]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊：試驗(yàn)篇[M]. 北京:人民交通出版社,2001.

[5] 韓振南,古迎春.DL4100型半掛牽引車車架彎扭工況強(qiáng)度分析及改進(jìn)[J].汽車技術(shù), 2011 (04): 22-25.

[6] 張潤生,侯煒.車架剛度及強(qiáng)度的有限元分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2007(04):29-30+33.

[7] 馬迅,盛勇生.車架剛度及模態(tài)的有限元分析與優(yōu)化[J].客車技術(shù)與研究,2004 (04):8-11.

[8] 桂良進(jìn),范子杰,陳宗渝等.“長安之星”微型客車車架剛度研究[J].汽車技術(shù),2003 (06):28-30.

Research on Stiffness & Fatigue Test of a Light Commercial Vehicle Chassis Frame

Chen Jun, Yang Leidong
（China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Chongqing 401122）

Chassis frame is the main load bearing assembly of a vehicle. Its stiffness and fatigue performance affect the vehicle performance significantly. The paper discussed the bending & torsion stiffness and fatigue test of a light commercial vehicle chassis frame. The test benches of stiffness and fatigue of a light commercial vehicle were established. The bending & torsion stiffness and fatigue tests in the way of single excitation point were carried out. Cracking occurred in the welds during the torsion fatigue test. Through analysis the concluded reason of cracking was the bad welding. According to this, the improvement method was proposed. The case provided the basis for development of the chassis frame product and an effective way of validation for similar products development. The paper also discussed the spectrum load test of multiple excitation points for chassis frame based on road load spectrum.

Chassis Frame; Stiffness Tes; Fatigue Test; Spectrum Loading Test

U467.3

A

1671-7988（2015）09-90-04

陳軍，高級工程師，就職于中國汽車工程研究院股份有限公司，研究方向?yàn)槠嚨妆P試驗(yàn)研究、汽車車身試驗(yàn)研究、汽車風(fēng)洞技術(shù)、汽車空氣動力學(xué)。