雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機設計與仿真分析

劉 超，吳 娜，王素鳳，楊志安

(1.唐山學院 a.交通與車輛工程系，b.河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室， 河北 唐山 063000； 2.唐山亞特專用汽車有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

橋殼作為汽車傳動系的重要承載件，其疲勞強度直接影響著車輛的行駛性能[1]，因此，對汽車橋殼的疲勞強度進行檢測尤為重要。目前檢驗汽車橋殼疲勞強度的方法主要有實驗室臺架試驗、實車道路試驗、虛擬疲勞試驗三種。實驗室臺架試驗具有試驗周期短、成本低等優點[2]，成為汽車橋殼研發過程中的重要檢驗手段。

比如，單新平等[3]在對橋殼疲勞壽命進行預測的研究中，應用垂向雙激勵橋殼臺架對橋殼進行了試驗數據的采集?？渍窈５萚4]采用縱向雙激勵橋殼臺架對某商用車驅動橋殼進行了疲勞試驗，進而驗證了模擬分析的可靠性。張志遠等[5]通過垂向橋殼臺架試驗與仿真相結合的方法，對比了沖焊橋殼和鑄鋼橋殼的耐久性能指標，表明鑄鋼橋殼的疲勞耐久性能強于沖焊橋殼的疲勞耐久性能，采用鑄鋼橋殼的重型牽引車可有效提高結構的可靠性。

目前國內橋殼的實驗室臺架試驗多采用單向加載方式，該方式雖然能夠模擬汽車橋殼在某一方向力作用下的疲勞強度，但這種單向加載的作用方式與橋殼實際受力情況不相符，以致試驗結果與實際情況存在一定差異[6-9]。汽車橋殼疲勞試驗機的雙向加載方式相比單向加載方式，能夠在垂向和縱向兩個方向上施加載荷，可以更真實地反映橋殼在汽車運動過程中的受力情況。對于雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機，雖有學者對其液控系統方面進行了一定的研究[10-11]，但對其主體框架設計及性能研究的報道還不多見。因此，本文設計了一款雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機，并對其關鍵零部件進行仿真分析。

首先根據橋殼在汽車行駛不同工況下的受力情況，確定雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機的整體結構；然后應用有限元分析軟件對其關鍵零部件進行靜力分析和模態分析，進而驗證雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機結構的可靠性，以期為雙向加載式橋殼疲勞試驗機的進一步優化升級提供技術支持。

1 雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機的受力分析和結構設計

本設計以某載重13 t貨車橋殼為研究對象，分析橋殼在汽車滿載工況下的受力情況，確定雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機的主體框架結構。

1.1 汽車不同工況下橋殼的受力分析

1.1.1 滿載靜止工況

當汽車裝滿貨物靜止停放時，在垂直方向上橋殼支撐整車質量，受力點在鋼板彈簧座位置，橋殼左右兩處的鋼板彈簧座分別接收來自鋼板彈簧的作用力，為G/2，如圖1所示。

圖1 汽車滿載靜止工況下橋殼受力簡圖

1.1.2 沖擊載荷工況

汽車在顛簸路面上行駛時，不考慮縱向力和側向力，在垂直方向上橋殼受靜止載荷和沖擊載荷作用。參考相關標準[12]，對于此工況下的這兩個載荷，本設計分別取汽車滿載靜止時相應載荷的2.5倍。

1.1.3 最大牽引力工況

最大牽引力工況是指汽車滿載掛一擋行駛在平整路面上。不考慮沖擊載荷及側向力，此時橋殼受到垂向和縱向兩個方向的作用力，以及由于垂向力和驅動力引起的垂向彎矩、水平彎矩和轉矩。受力情況如圖2所示。

圖2 汽車最大牽引力工況下橋殼受力簡圖

作用在橋殼左右鋼板彈簧座處的垂向力GK/2為：

GK/2=m2×G/2=82 810 N。

(1)

式中，m2為汽車在加速行駛時的質量轉移系數，貨車的質量轉移系數取值范圍為1.1～1.3[13]，本設計取1.3。

作用在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎矩M1為：

M1=GK/2×(A-B)/2=34 366.15 N·m。

(2)

式中，A為車輪的輪距，本設計取1.84 m；B為鋼板彈簧中心距，本設計取1.01 m。

橋殼縱向受力即為牽引汽車加速行駛的動力F，作用位置垂直于橋殼鋼板彈簧座平面：

(3)

式中，Temax為發動機最大扭矩，取2 080 N·m；ig為變速箱一擋傳動比，取12.1；i0為驅動橋的主減速比，取4.44；ηT為傳動系傳動效率，取0.8；rr為驅動車輪滾動半徑，輪胎型號為12R22.5，對應的輪胎半徑為0.541 m。

垂直于鋼板彈簧座平面的作用力為：

FL=FR=F/2=82 622 N。

(4)

式中，FL和FR分別為左側和右側垂直于鋼板彈簧座平面的作用力。

作用在兩鋼板彈簧座之間的水平彎矩M2為：

M2=F/2×(A-B)/2=34 288.13 N·m。

(5)

驅動橋傳遞驅動轉矩，等效為作用在橋殼鋼板彈簧座平面上的力矩T：

(6)

1.1.4 最大制動力工況

當汽車滿載正常行駛，遇到突發情況需要緊急制動時，不考慮橋殼受到的側向力，此時橋殼受到垂向、縱向的作用力如圖3所示。

圖3 汽車最大制動力工況下橋殼受力簡圖

(7)

(8)

橋殼受到的縱向力為F′，作用在橋殼左右鋼板彈簧位置的作用力為：

(9)

式中，φ為汽車行駛時的地面附著系數，本設計取0.8。

(10)

車輪處受到的縱向力，等效為作用在橋殼兩端鋼板彈簧上的切向力矩T′：

(11)

1.2 雙向加載式汽車疲勞試驗機的整體結構

根據不同工況下汽車運行時橋殼的受力情況，設計雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機，整體結構的三維模型如圖4所示。

1-龍門架立柱；2-橫梁；3-上梁；4-垂向作動器；5-縱向作動器；6-縱向立柱；7-橋殼夾具；8-汽車橋殼；9-T型槽基座

橋殼疲勞試驗機由龍門架模塊、作動器模塊、作動器固定模塊、橋殼支撐裝夾模塊、T型槽基座模塊和作動器位置調整模塊六部分組成。龍門架模塊作為橋殼疲勞試驗機的主體模塊，由上梁、龍門架立柱和橫梁組成，上梁焊接在龍門架立柱上，橫梁通過螺栓組固定在龍門架立柱上，龍門架立柱通過螺栓組固定在地面上。作動器模塊作為橋殼疲勞試驗機作用力的加載模塊，由垂向作動器和縱向作動器組成。垂向作動器固定在龍門架橫梁上，縱向作動器固定在縱向立柱上，縱向立柱通過螺栓組固定在T型槽基座上。橋殼支撐裝夾模塊由立柱支撐部分和橋殼裝夾部分組成，支撐部分通過螺栓組固定在T型槽基座上，裝夾部分通過螺栓組固定在立柱支撐部分上。T型槽基座是橋殼疲勞測試的平臺，用于固定縱向作動器固定模塊、橋殼支撐裝夾模塊。作動器位置調整模塊是指在龍門架立柱和縱向立柱上設置的螺栓孔，該模塊的作用是調節橫梁和作動器的相對位置，完成對不同尺寸橋殼的疲勞測試。

基于上述汽車不同工況下橋殼的受力分析結果，按照垂向作動器提供325 kN(2.5倍的汽車重力)垂向載荷以及縱向作動器提供400 kN(2.5倍的最大牽引力)的縱向載荷，設計疲勞試驗機框架，其各部分材料均選用H型鋼材料。橫梁截面尺寸為H 550×300×11×18(mm)，長度為2 878 mm；龍門架立柱截面尺寸為H 502×465×15×25(mm)，高度為3 030 mm；縱向立柱截面為H 440×300×11×18(mm)，高度為1 200 mm。

2 關鍵零部件靜力分析

2.1 仿真模型建立

雙向加載式汽車橋殼疲勞試驗機主要框架所用材料均為Q390C鋼，其材料屬性如表1所示。

表1 Q390C鋼材料屬性

將在設計軟件CATIA中建立的疲勞試驗機框架各部分的模型導入有限元分析軟件ABAQUS。假設焊接為理想焊接，焊接部分的強度與其他部分強度一致，選用四面體二次單元C3D10對框架各部分進行網格劃分，網格大小設置為8 mm。按照疲勞試驗機框架各部分與作動器的連接狀態施加約束及載荷后，其關鍵零部件的仿真模型如圖5所示。

圖5 關鍵零部件的仿真模型

2.2 結果分析

2.2.1 橫梁

圖6為橫梁仿真結果。橫梁中間位置的應力最大，如圖6(a)所示，最大應力為230 MPa，小于材料的屈服應力，故橫梁設計滿足剛度要求。橫梁在載荷作用位置位移最大，如圖6(b)所示，最大位移為2.021 mm，設計滿足剛度要求。

圖6 橫梁仿真結果

2.2.2 龍門架立柱

圖7為龍門架立柱仿真結果。如圖7(a)所示，最大應力在載荷作用的中心位置，應力大小為41.5 MPa，小于材料的屈服應力。最大位移為0.93 mm，發生在應力最大位置，如圖7(b)所示，最大位移在允許的變形范圍內，符合設計要求。

圖7 龍門架立柱仿真結果

2.2.3 縱向立柱

圖8為縱向立柱仿真結果。根據應力云圖8(a)可知，最大應力為201 MPa，小于材料的屈服應力。根據位移云圖8(b)可知，立柱最大的位移發生在載荷作用位置的邊緣處，最大位移為0.9 mm，在允許的變形范圍內。

圖8 縱向立柱仿真結果

3 模態分析

將上述三維模型導入ABAQUS，并進行簡化處理，忽略三維模型中較小的倒角和圓孔，并假定焊接位置為理想焊接，焊接部分的強度與橫梁其他部分強度相等。

3.1 龍門架

模態分析為線性攝動，特征值求解器為蘭索斯法(Lanczons)。模態分析考慮的外部激勵為不平整路面對汽車橋殼的激勵，振動頻率為20 Hz。經模態分析得到龍門架的各階模態振型圖(放大50倍)，如圖9所示。

圖9 龍門架的前6階模態振型圖

龍門架各階模態的頻率和位移如表2所示。各階模態的頻率均避開了來自路面的激勵頻率20 Hz，不會發生共振，說明龍門架具有較好的振動性，符合使用要求。

表2 龍門架各階模態的頻率和位移

3.2 縱向立柱

模態分析振動頻率設置為20 Hz。經模態分析得到縱向立柱各階模態振型圖(放大50倍)，如圖10所示。

圖10 縱向立柱的前6階模態振型圖

縱向立柱各階模態的頻率和位移如表3所示。由表3可知，縱向立柱前6階模態頻率之間存在一定的差值，頻率呈增長趨勢。1階、2階頻率接近，4階、5階頻率接近，兩組模態頻率差值接近。1階、4階模態振型相似，都是Y方向擺動和彎曲，2階、5階、6階模態振型相似，變形沿Z方向扭轉。縱向作動器固定在縱向立柱上，縱向作動器的工作頻率小于縱向立柱1階頻率，且兩者差值較大，不會發生共振。

表3 縱向立柱前6階模態的頻率和位移

4 結論

(1)通過分析橋殼在汽車幾種典型工況下的受力情況，設計出雙向加載式橋殼疲勞試驗機的整體結構，并確定了其所用金屬的材料和尺寸。

(2)通過靜力分析可知，雙向加載式橋殼疲勞試驗機各個部件的設計符合剛度和強度要求；通過模態分析可知，各個部件的固有頻率與作動器的工作頻率差值很大，不會發生共振。