輕型商用車車架剛度及疲勞試驗研究

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、扭轉剛度及彎曲、扭轉疲勞試驗進行了研究。建立了輕型商用車車架彎曲、扭轉剛度和疲勞強度試驗臺，并進行了單激振點集中加載方式的彎曲、扭轉剛度試驗及其疲勞試驗。車架在扭轉疲勞試驗時出現焊縫開裂現象，經分析是由焊接質量差造成的，并據此提出了改進措施。本試驗結果為車架產品開發和設計改進提供了有效的依據，并為同類產品的設計開發驗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的譜加載車架疲勞試驗方法。

車架；剛度試驗；疲勞試驗；譜加載試驗

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，安裝的部件有發動機、變速器、懸架、車廂、駕駛室等，它承受著各種復雜工況所產生的彎曲和扭轉載荷。車架的剛度和強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計的成敗。因此，在開發階段進行車架的剛度和疲勞強度性能的臺架試驗驗證非常有必要。

為了驗證某輕型商用車的車架的輕量化設計效果，需要在試制階段進行剛度和疲勞強度的臺架試驗。本文就該車架的彎曲、扭轉剛度及彎曲、扭轉疲勞臺架試驗進行了研究。

1、試驗方案

根據其彎曲工況下的受力特征和現有的試驗室資源情況，試驗方案的內容主要為制定試驗的加載方式、載荷大小、固定方式和進行測量點的選取以及疲勞加載循環次數的確定等。

首先是加載方式的確定。根據現有的試驗室資源，可以采用電子控制液伺服加載系統實現單激振點靜態加載和等幅值正弦循環加載。根據實現試驗的便利性和可操作性以及試驗模擬的有效性，簡化載荷，選擇集中加載的方式，彎曲加載點確定在車輛整車質心在車架上的投影點位置。扭轉加載點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，主要是靜態受力，所以根據車架設計最大承載能力（即車架上方的總質量）來確定其大小。該試驗最大彎曲靜載荷確定為20kN，試驗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，根據國內普通公路和高速公路工況，載荷確定為靜態最大承載能力的（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。彎曲加載循環次數根據設計使用壽命和疲勞損傷累積等效原則確定為50萬次不損壞，載荷的方向為垂直向下。

對于扭轉工況，剛度試驗采用角度控制輸入，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°。扭轉疲勞試驗輸入依然是角度輸入，加載順序為1°（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為懸架硬點，后懸架硬點限制Y和Z方向位移以及圍繞X軸和Z軸旋轉自由度，前懸架硬點則限制X、Y、Z三個方向的位移以及圍繞X軸和Z軸旋轉自由度。彎曲加載方案如圖1所示。

對于扭轉工況，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軸的旋轉自由度不收約束，如圖2。

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

2、試驗臺的建立

2.1試驗設備和儀器系統

試驗設備和儀器系統包括加載系統、數據采集系統兩大部分。

試驗加載系統采用電子控制液壓伺服系統，作動器為伺服液壓缸，采用先進的中文自動控制系統，能夠實現時間及速度設定、力控制模式或者位移控制模式的自動加載功能。該系統能夠實現靜態加載和基于多種波形的等幅值循環加載試驗。

數據采集系統包括獨立的LVDT位移傳感器、集成在作動器上的位移傳感器和力傳感器、數據采集器和數據采集軟件。該系統能夠實現位移和力信號的實時自動采集、存儲、實時顯示和回放等功能。

2.2試驗夾具設計

試驗夾具的設計基本原則是具有足夠的剛度和強度，設計的基本依據是實車結構和受力分析。

根據車架的受力分析確定需要連接固定的點為前后懸架的硬點。如圖1所示。

根據實車結構的情況確定需要模擬的汽車零部件。該車型前懸架結構采用扭桿彈簧和副車架，后懸架則采用了鋼板彈簧結構。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構，彎曲工況模擬鋼板彈簧與地面的連接為滾動方式，扭轉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定結構。

根據車架結構特點進行夾具材料的選取、結構設計及其剛度和強度校核。本項目采用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。最后進行模擬鋼板彈簧的抗彎剛度和強度的校核以及模擬扭桿彈簧扭轉剛度和強度校核及副車架的剛度和強度校核。因為模擬部件的受力較為簡單，利用材料力學手段進行了手工校核。

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

3、剛度和疲勞試驗

3.1彎曲剛度及疲勞試驗結果

根據既定的方案，將車架樣品安裝在試驗夾具上，并固定于鐵地板上，搭建試驗臺架。出于運動補償的目的，加載作動器與車架之間的連接采用球形鉸接方式。將標定好的位移傳感器布置在選取的測量點處，并連接數據采集器和電腦。

根據既定的梯級加載方案進行加載，同時采集數據。試驗進行了三次，最終結果取三次結果的平均值。各測量點的撓度見圖7，3點和8點的位移—載荷曲線見圖8。

根據試驗結果可以看出，左右縱梁上的測量點的撓度對稱性很好，并且隨著載荷的增加而增加。這說明試驗夾具的設計、傳感器布置合理及加載運行情況良好。

車架的彎曲剛度采用撓度最大的測量點進行計算，即整車質心位置投影點所在橫向軸線與縱梁的交點（測量點3和測量點 8）的數據進行計算。通過數據擬合，最終得出的車架總成的彎曲剛度為 2173N/mm，見圖 5。這個結果滿足車架彎曲剛度性能的設計要求。

根據既定的加載方案，彎曲疲勞試驗進行了50萬次循環后，車架仍然完好。將載荷加大至30kN繼續進行試驗，直到70萬次循環結束試驗。試驗后，車架完好，沒有發現裂紋等損壞的現象。該車架樣品的彎曲疲勞強度滿足設計要求。

3.2扭轉剛度及疲勞試驗結果

按照既定方案搭建好試驗臺。經過三次測試，取平均值，得出的結果見圖 9。圖中經過擬合計算得出的車架剛度為2043.3Nm/°，計算時取前軸中心線上的縱梁上點的數據。該結果滿足車架扭轉剛度的設計要求。

扭轉疲勞在進行總循環次數為25萬次時（3°工況）從前往后數車架第二和第三橫梁與縱梁結合處焊縫出現裂紋，見圖10。該結果未滿足產品設計要求。

4、問題分析及產品改進措施

扭轉工況時橫梁和縱梁結合處焊縫出現疲勞裂紋。通過分析研究，排除了結構和材料因素的影響，得出的結論是：造成焊縫強度不足的原因主要是采用普通的手工電弧焊焊接工藝，焊接質量差，焊縫不規則，焊腳偏大，焊瘤引起應力集中，從而導致疲勞裂紋。據此，提出的改進措施為：改進焊接工藝，采用氣體保護焊工藝，并改進焊接工裝，適當減小焊腳長度，提高焊接質量。

5、基于道路載荷譜的車架多軸加載疲勞試驗探討

本項目的彎曲疲勞試驗采用的是正弦波形等幅值循環加載方式。這是一種較為簡單易于實現的試驗方法。

一種更好的車架疲勞試驗方案可以采用基于道路載荷譜的多激振點譜加載的試驗方法。該方法的基本過程是：首先進行車架道路載荷譜的采集，然后進行數據處理，生成試驗載荷譜，然后通過多軸譜加載設備進行多激振點疲勞試驗。

車架疲勞試驗迭代點的確定可以參考 CAE仿真分析結果確定的受力薄弱點進行選取。該方法最重要的步驟是道路載荷譜的采集、數據處理、試驗載荷譜的生成和試驗迭代。其中難點在于試驗載荷譜的生成，這個過程包含了大量的道路載荷譜的數據提取和異常數據的剔除，并根據疲勞損傷累積理論和車輛的設計使用壽命綜合考慮而制定，并且需要大量的車輛實際使用情況數據和試驗數據的支持。

而且該方法對設備儀器的要求較高，數據采集將采用動態數據采集系統，加載設備將采用可復現道路工況的電子控制液壓伺服系統。這些儀器和設備造價昂貴。

因此，進行譜加載試驗技術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的試驗方法相比，能夠復現道路工況，試驗模擬更接近實際情況。車架的彎曲和扭轉疲勞試驗可同時進行，只需要一套試驗臺架即可，而傳統的方法是彎曲疲勞強度和扭轉疲勞強度試驗是分開進行的，需要兩套試驗臺架。

6、結論及展望

通過彎曲、扭轉剛度和疲勞試驗，獲得了某輕型商用車車架試制階段的彎曲和扭轉性能，驗證了其輕量化設計的效果。通過本試驗發現該車架扭轉疲勞強度性能的相關問題，并提出了相應的產品改進措施。試驗結果為車架的設計開發工作提供了有效的參考依據。同時為同類產品的開發和設計的驗證工作提供了有效途徑。

通過對多激振點譜加載疲勞試驗的討論，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行考核驗證的，而且同時考核了彎曲和扭轉疲勞強度性能。

多激振點譜加載試驗是汽車零部件疲勞試驗的發展方向，雖然技術門檻和經濟門檻較高，目前國內此類設備和儀器極少，尤其是譜加載多軸電子控制液壓伺服系統。但也不是遙不可及，預計不久國內便會出現汽車關鍵零部件譜加載多軸疲勞試驗設備，屆時就可以進行包括車架在內的汽車關鍵零部件的復現道路工況的多激振點譜加載疲勞強度試驗。

本項目未同時進行CAE仿真試驗，今后可以參照試驗的約束條件進行仿真分析，進一步驗證車架的剛度和疲勞性能。

[1] 姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京:國防工業出版社，2004:10.

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

[3] 鄭默思,周曉軍.多通道結構試驗臺電液伺服系統的分析[J].機床與液壓,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度分析及改進[J].汽車技術, 2011 (04): 22-25.

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

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

[8] 桂良進,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,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，研究方向為汽車底盤試驗研究、汽車車身試驗研究、汽車風洞技術、汽車空氣動力學。