車架疲勞仿真分析與臺架試驗研究

湯科 回春 喻攀 張凱

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430057

1 前言

汽車上大多數部件和總成都是通過車架來固定其位置的，車架在底盤結構中是非常重要的組成部分，其功能是支承連接汽車的各零部件，并承受來自車內外的各種載荷。

汽車在復雜道路上行駛時，固定在車架上的各總成和部件之間應不發生干涉。當汽車通過不平整的路面時，車架在載荷作用下會產生扭轉變形以及縱向平面內的彎曲變形，因此，整車對車架在剛度、疲勞強度上都有非常嚴格的要求。本文以某款輕型卡車車架為例，建立仿真模型，搭建車架試驗臺，進行車架扭轉疲勞仿真分析與測試研究。

2 車架結構

本文選取某款輕型卡車的邊梁式車架，其由兩根位于兩邊相互平行的縱梁和多根橫梁組成，如圖1所示。

圖1 某款輕型卡車的邊梁式車架

縱梁為槽型不等高斷面梁，由于縱梁中部受到完全力矩最大，故中部斷面高度最大，由此向兩端斷面高度則逐漸減小。這樣分布使得應力分布較為均勻，同時減小了車架質量。橫梁不僅能支承汽車上主要部件，還保障車架的扭轉剛度和承受縱向載荷。

3 車架的建模與仿真分析

3.1 車架模型搭建

本文選取某款輕型卡車的邊梁式車架，搭建車架模型，薄壁板件采用四邊形單元進行模擬，單元基本尺寸為8 mm；板簧吊耳鑄造件采用四面體模擬；約束后懸架所有自由度，前懸架前軸中間位置施加繞縱軸方向的強制轉動位移，大小為8°；依據施加情況在車架縱梁后部分施加載重4.5 t的載荷，整體有限元模型如圖2所示[1]。

圖2 車架有限元模型

3.2 車架仿真分析

基于上述有限元模型，對輕卡車架進行了靜力學仿真分析，仿真結果顯示車架第五橫梁與縱梁交接處等效應力接近330 MPa，車架選用510L材料，未超過材料的屈服強度，但是等效應力值相對較高，多次試驗容易造成疲勞開裂[2]。車架有限元分析結果如圖3所示。

圖3 車架有限元分析結果

4 車架試驗臺設計及試驗方法研究

為了模擬汽車行駛過程中車架扭轉狀態，設計車架扭轉疲勞耐久靜態試臺，對車架進行疲勞試驗。

4.1 試驗臺組成

車架扭轉疲勞耐久試驗臺的組成包括：伺服電缸、前橋鉸接支座、車架、貨廂、配重塊、后橋固定座、應變片以及控制伺服電缸的運動控制器。車架測試試驗臺如圖4、5所示。

圖4 車架扭轉疲勞耐久試驗臺機械結構三維圖

圖5 車架扭轉疲勞耐久試驗臺實物圖

汽車車架前橋安裝點固定方式采取鉸接方式，后橋安裝點固定方式與橫梁剛性連接。車架上裝載貨箱，載荷負重4.5 t。伺服電機通過鉸接方式與夾具連接，使前軸與車架平面形成不同的角度α。

運動控制器控制伺服電缸，帶動車架運行，同時根據測試要求，調整振動幅值。

4.2 試驗臺測試方法

根據有限元分析的結果以及同類車架在試驗過程中失效的位置綜合比對，在危險系數較大的位置布置應變花，應變花位置為車架第五橫梁右側下部分鉚釘鉚接處；將4.5 t的配重塊裝載于貨廂內，記錄該車架滿載時狀態；啟動伺服電機，伺服電機帶動夾具，給車架加載一定的位移，試驗頻率1 Hz，加載方式正弦波，如圖6、7所示，一直循環此步驟，直到車架發生失效，此時記錄車架失效的位置及車架失效時的試驗次數。應變花粘貼位置如圖8所示。

圖6 車架扭轉示意圖

圖7 車架加載示意圖

5 測試結果分析及總結

在車架進行扭轉疲勞試驗測試過程中，進行8萬多次測試后出現第五橫梁開裂。在相同條件下，臺架測試的應力值與仿真的應力結果相似，證明了利用有限元分析軟件能近似代替臺架試驗，為汽車車架的設計與優化提供理論依據[3]。

圖8 應變花粘貼位置