某重型商用車車架臺架試驗研究

張磊，田朋濤，王博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

車架是汽車的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量和性能的好壞，直接影響到整車的性能，如平順性、舒適性、安全性和經(jīng)濟性等。本文利用車架臺架試驗檢測了某重型商用牽引車的車架剛度、疲勞性能，并結(jié)合車輛路試情況，判斷車架臺架試驗的準(zhǔn)確性。

1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備包括加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

加載系統(tǒng)為液壓伺服系統(tǒng)，采用液壓伺服作動器，能夠?qū)崿F(xiàn)力控制、位移控制模式自動加載，同時帶數(shù)據(jù)記錄功能。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)加載和基于各種波形（正弦波、梯形波、斜波等）的等幅值循環(huán)加載。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)位移、力、應(yīng)變和加速度等常用數(shù)據(jù)實時采集、存儲工作。

2 彎曲試驗簡介

2.1 彎曲試驗簡介

本次試驗所進行的樣件為某商用車車架總成。彎曲試驗?zāi)M車輛在路面行駛時由于車架自身質(zhì)量及附加質(zhì)量在垂向振動加速度情況下的彎曲變形。試驗之前將車架總成水平安裝在試驗臺上。如圖1所示。

圖1 彎曲試驗示例

2.2 彎曲剛度、應(yīng)力測量

在車架加載位置分級進行垂直加載。載荷加載至 1.5倍滿載質(zhì)量。在車架前后軸中心位置即車架最大變形量處縱梁下翼面布置位移傳感器，測試車架加載情況下的變形。測量結(jié)果剛度曲線見圖2。根據(jù)CAE彎曲報告，在車架前后軸中心、靠近加載位置下翼面應(yīng)力較大的6個點布置應(yīng)變片，進行應(yīng)力測量，車架彎曲應(yīng)變結(jié)果見圖3。

圖2 車架彎曲曲線

圖3 車架彎曲應(yīng)力曲線

如圖3所示，車架最大應(yīng)力為102MPa，因此安全系數(shù)取2時，試驗車架滿足設(shè)計要求，所以該牽引車型車架強度符合設(shè)計要求。

2.3 彎曲疲勞試驗

車輛在不平路面行駛時，會出現(xiàn)不斷變化的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致車架彎曲疲勞。彎曲疲勞試驗約束形式同剛度試驗相同，考慮該車型為標(biāo)載車型不超載，所以定義其動態(tài)系數(shù)為1.5。在加載位置施加16～24T載荷和耐久次數(shù)，進行疲勞試驗。

經(jīng)過50萬次車架彎曲疲勞試驗，車架未出現(xiàn)裂紋，樣件完好，說明車架彎曲疲勞壽命符合設(shè)計要求。

3 車架扭轉(zhuǎn)試驗

3.1 扭轉(zhuǎn)試驗簡介

圖4 車架扭轉(zhuǎn)試驗示例

車輛在路面行駛時多個車輪不在同一平面，從而使車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)工況模擬車輛車輪一端墊高一端懸空時車架的受力狀況。試驗之前將車架總成水平安裝在試驗臺上，如圖4所示。

3.2 扭轉(zhuǎn)剛度、應(yīng)力

根據(jù)CAE扭轉(zhuǎn)分析報告，在車架縱梁及橫梁上應(yīng)力危險點布置10個應(yīng)變片，測量各點應(yīng)力。液壓作動器在車架前軸處施加位移，使得車架前軸處上翼面相對平衡軸處上翼面產(chǎn)生夾角。記錄夾角與施加扭矩的關(guān)系，計算出車架的扭轉(zhuǎn)剛度值。在剛度過程中同時記錄各點應(yīng)力值的大小。

如圖5和圖6所示，車架扭轉(zhuǎn)過程中最大應(yīng)力120MPa。

圖5 車架扭轉(zhuǎn)應(yīng)力曲線

圖6 車架扭轉(zhuǎn)剛度曲線

3.3 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗

約束及加載同扭轉(zhuǎn)剛度試驗。因為車架在±1°循環(huán)時車架受力較小，疲勞損傷過小，為提高試驗效率，疲勞試驗從±2°開始加載。

圖7 車架尾梁小裂紋

車架在-2°～2°扭轉(zhuǎn)時車架未出現(xiàn)異常，-3°～3°工況時車架未出現(xiàn)異常，-5°～5°工況時車架尾梁出現(xiàn)細小裂紋。試驗中-5°～5°的載荷工況屬于模擬實際工況中十分惡劣道路情況，并且其加載力矩是該商用車超載嚴重的情況下的的力矩。雖然試驗中出現(xiàn)尾梁裂紋現(xiàn)象，但是只出現(xiàn)在-5°～5°工況且試驗結(jié)果未出現(xiàn)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。試驗完成對細微裂紋分析，裂紋原因是樣件為試制樣件，倒角處出現(xiàn)小豁口造成應(yīng)力集中所致。另外按照相關(guān)規(guī)范，在±4°工況完成即達到試驗?zāi)繕?biāo)。因此扭轉(zhuǎn)疲勞試驗結(jié)果說明車架的結(jié)構(gòu)是滿足要求和實際使用工況需求的。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與整車路試

車架臺架試驗雖然驗證了車架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，但還存在可優(yōu)化和改進的地方。再結(jié)合CAE分析軟件對車架的結(jié)構(gòu)進行分析，使車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果更加顯著，車架臺架試驗實用價值更加明顯。

從整車道路試驗采集的車架數(shù)據(jù)與臺架試驗采集的數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)，兩者在車架總成上的應(yīng)力分布情況、變形趨勢結(jié)果一致，這證明了車架扭轉(zhuǎn)臺架試驗數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果的可靠性。臺架試驗結(jié)果還需要通過整車道路試驗來校驗，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。

5 結(jié)語

根據(jù)臺架試驗結(jié)果和整車道路試驗結(jié)果的一致性的對比，可以得出以下結(jié)論：通過車架臺架試驗，能夠快速、準(zhǔn)確的驗證新產(chǎn)品車架的疲勞耐久性能，且與道路可靠性試驗結(jié)果相一致。車架臺架試驗為車架的設(shè)計和改進提供了驗證手段和參考工具，提升了整個零部件的試驗?zāi)芰?，縮短了試驗周期，節(jié)約了委外試驗費用，具有顯著的經(jīng)濟效益。