一種汽車副車架疲勞耐久試驗臺架的設計

滕 斌，王均天，郝建濤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007）

0 引言

近年來，各個國家對汽車安全性的要求日益提高，副車架作為前橋關鍵的零部件之一，其性能的好壞對汽車的行駛安全性有著非常重要的影響［1］。副車架看成是前后車橋的骨架，是前后車橋的重要組成部分。副車架并非完整的車架，只是支承前后車橋、懸掛的支架，使車橋、懸掛通過它再與“正車架”相連，習慣上稱為“副架”［2］。由于副車架所起的作用至關重要，它不斷地接受外界給與的激勵，所以驗證副車架的疲勞耐久特性是開發過程中的重要環節。本文通過對副車架臺架試驗的研究設計了一種可以對副車架縱向或側向進行耐久試驗的臺架，該試驗臺架通用于不同副車架，調整安裝簡單，操作維護方便。

1 臺架組成

試驗臺架按照功能大致可分為驅動部分、樣件固定部分、導向部分、冷卻部分4個部分。試驗臺架既可以進行副車架的單邊加載測試，又可以進行副車架雙邊同時加載測試。單邊加載測試時，在副車架需要加載的一側利用驅動部分與導向部分進行加載。在單邊加載的基礎上在對面一側再增加一套驅動部分及導向部分，即可對副車架進行雙邊同時加載測試。通過轉換驅動部分與導向部分對副車架的角度，又可以實現副車架的縱向加載及側向加載的方向轉換。試驗人員可以根據不同的試驗需求及目的進行靈活的組合及轉換，試驗臺架滿足的試驗需求范圍廣。

驅動部分與導向部分均固定在可以調節高度的升降反力架上，通過升降反力架可以調節驅動部分與導向部分距離地面的高度，樣件固定部分可以通過調節夾箍在立柱上的高度位置來調節樣件水平距離地面的高度，通過調節升降反力架與樣件固定部分可以調節臺架整體的高度。升降反力架與樣件固定部分的立柱通過地腳螺釘或壓塊與鐵平臺進行連接。汽車副車架耐久試驗臺架整體結構如圖1所示。

圖1 汽車副車架耐久試驗臺架整體結構

1.1 驅動部分

驅動部分是由安裝在升降反力架上的液壓作動器來承擔的，液壓作動器可以穩定地實現往復的推拉動作，并且它的性能優越，可以實現的動作頻率上限較高，且配備力和位移傳感器可以根據實際需求設置所需要的試驗參數，操作簡單，試驗數據的準確性及精度較高。可以實時監控試驗過程中的力和位移的變化，并且可以設置力和位移的報警值，當試驗過程中出現力值或位移超過保護值時，立即停止并報警通知巡視人員。在液壓作動器的前后兩端分別有兩個作動器球鉸，大作動器球鉸位于液壓作動器尾部與升降反力架相連，在液壓作動器的前端有一個小作動器球鉸，與試驗工裝相連。作動器球鉸可以使液壓作動器在試驗過程中實現小角度的偏擺，并且能有效減小側向力，試驗過程的波形更加準確。

1.2 樣件固定部分

樣件固定部分主體是4根豎直放置于鐵平臺的立柱，立柱的下端有一塊方板，方板上有通孔，立柱可以通過地腳螺釘與鐵平臺固定。如果立柱無法通過地腳螺釘固定，可以通過壓塊壓緊方板的方式固定，所以立柱固定的方式比較靈活。在每根立柱上都有環抱的夾箍，夾箍分為兩部分，夾箍的兩部分抱緊立柱后還存在一定間隙，由于間隙的存在，通過鎖緊夾箍兩部分的連接螺栓可以實現夾箍與立柱之間的夾緊并固定。夾箍與副車架則是通過過渡板連接，過渡板的一端連接夾箍，另一端連接副車架安裝點，使副車架與工裝形成一個整體。不同的副車架安裝點可能存在螺栓孔距或數量的不同，這時只需根據副車架安裝點重新更換過渡板即可。夾箍在立柱上的上下移動可以實現副車架與地面之間的高度調節，由于4根立柱彼此之間相互獨立，則安裝不同大小的副車架可通過移動立柱的位置來實現不同型號的副車架的安裝。

1.3 導向部分

由于副車架的疲勞試驗是通過副車架擺臂來加載的，而擺臂在試驗加載過程中所處位置是懸空位置的下方，缺少支撐，如果直接使用液壓作動器進行加載會在施加推力時上下亂跳，所以需要一個導向機構來過渡。導向機構的主體是一個箱體框架，在箱體的內部固定4個滾動滑輪，箱體內部上面2個滑輪前后并排固定，箱體下面同樣與上面對稱固定2個滾動滑輪，將方形導軌夾在滾動滑輪中間，使導軌無法上下擺動，試驗時方形導軌在滾動滑輪上前后移動。由于受擺臂安裝點的橡膠襯套影響，在對擺臂實施縱向推拉過程中，擺臂會出現小幅度的左右擺動，使擺臂球銷與液壓作動器不在同一條直線上，所以滑輪寬度需要略寬于方型導軌，使導軌可以左右小幅擺動。副車架擺臂則通過擺臂球銷連接工裝與方形導軌相連，方形導軌另一端與液壓作動器連接。整個導向部分箱體固定在安裝板上，安裝板與升降反力架相連，可以實現導向部分整體的高度調節。導向部分結構如圖2所示。

圖2 導向部分結構

1.4 冷卻部分

疲勞耐久試驗過程中需要不斷擠壓擺臂橡膠襯套，擺臂橡膠襯套會產生大量的熱，如果不及時對其進行冷卻，橡膠襯套會因過熱老化開裂。橡膠襯套起到緩沖作用，老化開裂后會造成試驗結果不準確，所以需要選擇合適的冷卻裝置。該臺架采用空氣放大器接入壓縮空氣的方式進行冷卻，空氣放大器接入壓縮空氣通過節流閥可以根據實際需要調節氣流大小，相對節約成本，冷卻過程中產生的噪聲較小，體積小巧，調節移動方便。

在空氣放大器左右兩側分別有一個螺紋孔，通過該螺紋孔可以將空氣放大器左右兩側各與一個安裝支架相連接。安裝支架呈“L”形，一側有通孔可以連接空氣放大器，另一側帶有一個弧形長孔。安裝支架通過該弧形長孔與主體支架用螺栓連接固定，扭松該螺栓空氣放大器則可以通過這個弧形長孔來調節空氣放大器的繞Y軸旋轉的吹風角度。而主體支架與安裝支架弧形長孔相連接的是豎直方向的長條孔，空氣放大器可以利用該長條孔來調節豎直方向的高度。所以松開該處的固定螺栓既可以調節空氣放大器的吹風角度，又可以調節空氣放大器的豎直高度。

主體支架通過水平部分的2個螺栓孔用螺栓與底座固定連接，底座部分均等分布著4個弧形長孔，弧形長孔所組成的圓的直徑與鐵平臺的“T”形槽距離相等，這樣鐵平臺可以用“T”形槽內的螺栓通過底座的弧形長孔固定冷卻部分的底座。由于底座弧形長孔的存在，可以通過弧形長孔調節整個空氣放大器整體繞Z軸旋轉的吹風角度。這樣通過空氣放大器、安裝支架、主體支架、底座等組成的冷卻部分既可以調節整體的高度，又可以調節空氣放大器繞Z軸旋轉與繞Y軸旋轉的吹風角度。冷卻部分如圖3所示。

圖3 冷卻部分

2 臺架整體實施過程

首先調整液壓作動器距離地面的高度到一個合適的位置，將導向部分的方形導軌一端與液壓作動器的前端球鉸相連接，然后調節導向部分的高度，用水平儀測量液壓作動器是否水平，因為液壓作動器尾部球鉸已經固定在升降反力架上，另一端球鉸所連接的是方形導軌，如水平儀測得結果水平則說明方形導軌的高度已經調整好，方向導軌與作動器處于同一高度。

調整液壓作動器的活塞桿伸出的長度，讓導向部分的滾動滑輪處于方形導軌的中間位置，避免試驗過程中行程不夠，造成方形導軌兩端的其中一端與箱體其他部分干涉。并觀察液壓作動器活塞桿剩余行程是否足夠試驗過程的作動器位移量，由于液壓作動器活塞桿的位移行程是固定的一個范圍，所以剩余行程不夠試驗所需的作動器位移量則需將導向部分整體做出相應的移動。如果液壓作動器回拉方向的位移量不夠，則將液壓作動器活塞桿繼續伸出一定位移，使活塞桿回拉方向位移滿足試驗需求，并將導向部分整體相應地向前移動，使滾動滑輪處于方形導軌中間位置。如果液壓作動器伸出方向的位移量不足，則將液壓作動器活塞桿收回一部分，使活塞桿伸出方向的位移滿足試驗需求，并將導向部分相應的整體向后移動，使滾動滑輪處于方形導軌中間位置。總之，要確保液壓作動器活塞桿的位置在調整完畢的狀態下推拉位移范圍滿足試驗時的推拉位移量，并且導向部分滾動滑輪處于方形導軌中間位置，防止滾動滑輪偏向一邊試驗時造成干涉。

將副車架與擺臂在樣件固定部分固定，擺臂球銷與導向部分的擺臂球銷連接夾具相連，利用三坐標測量調整副車架高度，使副車架與擺臂球銷之間達到試驗要求的高度差，根據縱向加載或側向加載的試驗要求，相應地調整副車架與驅動部分的角度。至此臺架安裝臺調整完畢，將所有與鐵平臺固定部分用壓塊壓緊，將所有連接螺栓上緊并用記號筆畫線，如巡視時發現畫線標記發生錯位，則螺栓出現松動；或在螺栓連接位置用螺栓扭矩標記膏進行畫線標記，畫線標記干燥后如果螺栓或螺母松動且扭矩衰減時，則螺栓扭矩標記膏的畫線標記發生斷裂，需讓巡視檢查人員觀察螺栓是否出現松動。

將冷卻部分接入壓縮空氣，調整空氣放大器的角度，讓其吹出的風能夠完全覆蓋到擺臂橡膠襯套。調節壓縮空氣大小，避免吹出的風過小達不到冷卻效果，吹出的風過大則浪費能源。

3 設置試驗參數

在臺架搭建工作實施完畢后，使用反差增強劑噴灑在副車架及擺臂的焊接處，噴灑過反差劑的位置干燥后會形成一層白色薄膜，以便試驗檢查人員檢查各焊接處的焊縫是否開裂變形。試驗前在液壓作動器的控制器上編制試驗程序，先將傳感器的力值置零，設定好試驗相關參數，根據試驗條件的力值設置試驗時的力值保護，試驗的力值保護范圍比試驗條件的力值大5%左右，避免設置的保護范圍過大造成保護失去作用。將編輯好的試驗程序在臺架上運行進行試機，觀察試驗過程中是否有異常情況，如試驗正常則記錄試驗過程的位移變化范圍，此時根據試驗過程的位移范圍設置試驗過程的位移保護范圍，力與位移的保護設置完成后即所有試驗參數設置完畢，可進行試驗。試驗過程中如出現樣件開裂或者臺架工裝出現異常情況，則力或位移的值會超出試驗前設置的保護范圍。這時試驗會自動停止，并且發出警報提醒巡視人員及時確認樣件或臺架工裝的狀態。

以上就是整個副車架耐久試驗臺架的設計與實施過程，使用該試驗臺架結合相應的試驗要求可以為副車架疲勞耐久性開發提供準確的數據支持。

4 結語

室內臺架試驗具有縮短研發周期、減少研發成本、便于采集試驗數據等一系列優點［3］。通過對副車架疲勞耐久試驗的研究并結合現場的實際需求成功設計出一套副車架疲勞耐久試驗臺架，該臺架具備進行副車架的縱向或橫向耐久性試驗；實時監測試驗中的力與位移的變化；操作簡便、結構簡單；自動化控制，提高試驗數據的準確性及真實性，降低勞動強度，優化人機工程等優點，在多個項目的副車架疲勞試驗項目中良好地完成試驗任務，幫助產品開發人員發現了許多潛在風險。目前該臺架已經申請了國家專利，后續會對該臺架繼續改進，為更多的試驗項目服務。