基于臺架試驗的車架扭轉強度校核研究

張清奎 洪愷 徐敏 謝懷圣 周傲

摘 要：文章主要介紹商用車車架扭轉試驗，并通過仿真試驗對標的方式，對比臺架試驗與仿真模型的誤差。為以后車架扭轉仿真提供參考模型，并對試驗數據與仿真數據的差異進行了初步的探討，為以后的車架設計積累經驗。

關鍵詞：車架;扭轉試驗;仿真;對標

中圖分類號：U463.32 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-136-03

Research on Torsion Strength Check of Frame Based on Bench Test

Zhang Qingkui， Hong Kai， Xu Min， Xie Huaisheng， Zhou Ao

（?Hualing Star Horse Automobile （Group） Co.， Ltd.，?Anhui Ma'anshan 243000?）

Abstract：?This paper mainly introduces the torsion test of commercial vehicle frame， and compares the error between bench test and simulation model through the way of simulation test benchmarking.It provides a reference model for the later frame torsion simulation， and preliminarily discusses the difference between the test data and the simulation data， so as to accumulate experience for the later frame design.

Keywords： Frame; Torsion test; Simulation; Benchmarking

CLC NO.： U463.32 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-136-03

前言

車架是汽車的承載基體，支撐連接著駕駛室、發動機和傳動系等各大總成，是整車承受各種力和力矩的關鍵總成，尤其是重型牽引車經常在路面不平、超載嚴重等惡劣情況下行駛，車架很可能發生變形甚至開裂，嚴重影響車架的使用壽命^[1-2]。

近年來，隨著計算機技術的快速發展，有限元法在汽車強度、剛度、疲勞、碰撞分析等方面的應用越來越廣泛，而且隨著算法的不斷完善，計算精度越來越高，為汽車設計與改進提供了有力的依據，大大縮短了汽車的研發周期^[3]。本文通過試驗與仿真對標，驗證仿真模型的準確性，為以后該車型車架開發提供準確的數字模型，縮短開發周期。

1?車架扭轉試驗過程及結果

1.1 扭轉強度、剛度試驗

臺架的設計依據實際工況，為保證車架邊界條件足夠理想，臺架采用了剛度足夠大的工字鋼作為底座，且在部分區域增加了加強肋板。扭轉試驗是通過固定車架平衡軸中心線上兩點，在車架前軸固定點施加力矩，使車架總成在設計的試驗角度之間扭轉變形，實現車架扭轉變形^[4]。將樣品車架（車架+瓦楞板+鞍座）安裝在試驗臺上。應變計安裝在樣品的12個測量點（應變計主要安裝在大梁擾度最大區附近，擾度最大處應力幅值相對較大。大梁上下端面受擠壓或拉伸變形，應力狀態相對簡單，在上下端面安裝應變片，在側面安裝應變花。），位移傳感器安裝在樣品12個測量點處（位移傳感器在平衡軸上和前橋旋轉附近左右兩側各布置1組傳感器，以監測臺架剛度。大梁其他位置沿縱向每隔1300mm左右布置一組位移傳感器。檢測其上下位移變化。）。在前軸處施加扭矩，使前軸相對后軸產生±1°、±2°、±3°、±4°、±5°的扭轉角度，分別測量相應的應力值及變形量。

1.2 扭轉強度、剛度試驗結果

采集設備可以時刻動態采集數據，監測大梁的位移和應力的變化。位移傳感器輸出的正位移表示大梁上翹，輸出的是負值表示大梁下彎，單側大梁測量點輸出的位移如下表1所示（測試點2#、4#、6#、8#、10#、12#與1#、3#、5#、7#、9#、11#對稱）：

由臺架輸入扭矩及測試點測得位移計算車架的扭轉剛度，可從擬合曲線上看出擬合剛度為2.33kN/deg。

應變片只能檢測出單向應力，應變花可以確定一點的完整的應力狀態，測試軟件輸出第一、第二主應力。由于各向同性低碳鋼以Von mise應力來考察其強度^[5]。需將輸出的結果轉化為Von mise 應力， Von mise應力和主應力關系為σ={[σ₁²+σ₂²+（σ₁-σ₂）²]/2}^0.5，其中σ為Von mise 應力，σ₁為第一主應力，σ₂為第二主應力。1-6 #應變花測到應力經轉化后的結果如下表：

各點的應力狀態轉化為Von mise應力有利于減少仿真與分析的對標時的工作量。

2 仿真對標

對試驗車架做仿真分析，仿真模型的建模與試驗模型保持一致。其中工況設置和臺架試驗相同，在分析后處理中標注出與試驗車架上相同測量位置的各物理量。

扭轉試驗測試的是垂直向位移，即為圖5中的Y向位移。應力結果是Von mise 應力（僅以扭轉1°對標結果為例）。

仿真對標試驗時，位移對標重合度要高，位移對標誤差越小，應力對標誤差越小。在位移對標中首先要關注前后橋旋轉中心處的位移，要和試驗保持一致。這樣才能保證仿真臺架模型的剛度和試驗臺架模型剛度保持接近。然后再微調模型使多數測試點和試驗誤差，保證整體分布點趨于合理，不能出現車架大段無測量點的情況出現。仿真結果為Von mise 應力。這樣不用比較各應力分量，有利于比試驗、仿真應力的差異。

由于仿真為線性準靜態分析，仿真結果和試驗結果從小逐步增大過程中，仿真與試驗的差別也越來越明顯，除車架轉動中心處，誤差較大。此處理論為零位移。但實際不不能保證得到零位移。其他各點在小載荷去基本保持在10%以內，

仿真結果基本反映出大梁真實彎曲和應力大小情況。

從對標結果可以看出車架兩端剛度、強度較試驗有一定的誤差，產生誤差的原因可能有：一、是由于仿真臺架與試驗臺架存在一定差別;二、試驗加載幾何存在一定非線性行為，而仿真采用的是準靜態線性分析。

3?結論

扭轉試驗和仿真對標誤差基本在可接受的范圍之內，小角度扭轉測試結果與仿真所得結果對標較好，在大角度扭轉過程中由于產生非線性問題，需考慮幾何與材料的非線性問題，這里不做過多討論。

本文所述試驗和仿真對標是在扭轉工況所做的論述，對此工況下仿真分析有參考意義，該工況試驗目前尚無相關國家標準，因此只能作為車架設計的參考因素之一，對于車輛所面臨的各種復雜路況，還需要采集實時路況數據，進行更全面的標定工作。

參考文獻

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[2] 朱永振，楊擴，徐云杰. 重型自卸車車架有限元分析[J].山東交通學院學報，2014（04）.

[3] 廖日東，王健，左正興，等.有限元技術在載貨車輛車架分析中的應用[J].車輛與動力技術，2006（02）.

[4] 李鵬，譚志軍，倪城琳，黎朝琳，李承燕.基于臺架試驗重型商用車車架研究[J].四川兵工學報， 2014（07）.

[5] 丁智平，劉義倫，尹澤勇，楊治國，成曉鳴.鎳基單晶高溫合金的屈服準則研究[J].機械強度，2004（02）.