基于台架试验的车架扭转强度校核研究

张清奎 洪恺 徐敏 谢怀圣 周傲

摘 要：文章主要介绍商用车车架扭转试验，并通过仿真试验对标的方式，对比台架试验与仿真模型的误差。为以后车架扭转仿真提供参考模型，并对试验数据与仿真数据的差异进行了初步的探讨，为以后的车架设计积累经验。

关键词：车架;扭转试验;仿真;对标

中图分类号：U463.32  文献标识码：A  文章编号：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

车架是汽车的承载基体，支撑连接着驾驶室、发动机和传动系等各大总成，是整车承受各种力和力矩的关键总成，尤其是重型牵引车经常在路面不平、超载严重等恶劣情况下行驶，车架很可能发生变形甚至开裂，严重影响车架的使用寿命^[1-2]。

近年来，随着计算机技术的快速发展，有限元法在汽车强度、刚度、疲劳、碰撞分析等方面的应用越来越广泛，而且随着算法的不断完善，计算精度越来越高，为汽车设计与改进提供了有力的依据，大大缩短了汽车的研发周期^[3]。本文通过试验与仿真对标，验证仿真模型的准确性，为以后该车型车架开发提供准确的数字模型，缩短开发周期。

1 车架扭转试验过程及结果

1.1 扭转强度、刚度试验

台架的设计依据实际工况，为保证车架边界条件足够理想，台架采用了刚度足够大的工字钢作为底座，且在部分区域增加了加强肋板。扭转试验是通过固定车架平衡轴中心线上两点，在车架前轴固定点施加力矩，使车架总成在设计的试验角度之间扭转变形，实现车架扭转变形^[4]。将样品车架（车架+瓦楞板+鞍座）安装在试验台上。应变计安装在样品的12个测量点（应变计主要安装在大梁扰度最大区附近，扰度最大处应力幅值相对较大。大梁上下端面受挤压或拉伸变形，应力状态相对简单，在上下端面安装应变片，在侧面安装应变花。），位移传感器安装在样品12个测量点处（位移传感器在平衡轴上和前桥旋转附近左右两侧各布置1组传感器，以监测台架刚度。大梁其他位置沿纵向每隔1300mm左右布置一组位移传感器。检测其上下位移变化。）。在前轴处施加扭矩，使前轴相对后轴产生±1°、±2°、±3°、±4°、±5°的扭转角度，分别测量相应的应力值及变形量。

1.2 扭转强度、刚度试验结果

采集设备可以时刻动态采集数据，监测大梁的位移和应力的变化。位移传感器输出的正位移表示大梁上翘，输出的是负值表示大梁下弯，单侧大梁测量点输出的位移如下表1所示（测试点2#、4#、6#、8#、10#、12#与1#、3#、5#、7#、9#、11#对称）：

由臺架输入扭矩及测试点测得位移计算车架的扭转刚度，可从拟合曲线上看出拟合刚度为2.33kN/deg。

应变片只能检测出单向应力，应变花可以确定一点的完整的应力状态，测试软件输出第一、第二主应力。由于各向同性低碳钢以Von mise应力来考察其强度^[5]。需将输出的结果转化为Von mise 应力， Von mise应力和主应力关系为σ={[σ₁²+σ₂²+（σ₁-σ₂）²]/2}^0.5，其中σ为Von mise 应力，σ₁为第一主应力，σ₂为第二主应力。1-6 #应变花测到应力经转化后的结果如下表：

各点的应力状态转化为Von mise应力有利于减少仿真与分析的对标时的工作量。

2 仿真对标

对试验车架做仿真分析，仿真模型的建模与试验模型保持一致。其中工况设置和台架试验相同，在分析后处理中标注出与试验车架上相同测量位置的各物理量。

扭转试验测试的是垂直向位移，即为图5中的Y向位移。应力结果是Von mise 应力（仅以扭转1°对标结果为例）。

仿真对标试验时，位移对标重合度要高，位移对标误差越小，应力对标误差越小。在位移对标中首先要关注前后桥旋转中心处的位移，要和试验保持一致。这样才能保证仿真台架模型的刚度和试验台架模型刚度保持接近。然后再微调模型使多数测试点和试验误差，保证整体分布点趋于合理，不能出现车架大段无测量点的情况出现。仿真结果为Von mise 应力。这样不用比较各应力分量，有利于比试验、仿真应力的差异。

由于仿真为线性准静态分析，仿真结果和试验结果从小逐步增大过程中，仿真与试验的差別也越来越明显，除车架转动中心处，误差较大。此处理论为零位移。但实际不不能保证得到零位移。其他各点在小载荷去基本保持在10%以内，

仿真结果基本反映出大梁真实弯曲和应力大小情况。

从对标结果可以看出车架两端刚度、强度较试验有一定的误差，产生误差的原因可能有：一、是由于仿真台架与试验台架存在一定差别;二、试验加载几何存在一定非线性行为，而仿真采用的是准静态线性分析。

3 结论

扭转试验和仿真对标误差基本在可接受的范围之内，小角度扭转测试结果与仿真所得结果对标较好，在大角度扭转过程中由于产生非线性问题，需考虑几何与材料的非线性问题，这里不做过多讨论。

本文所述试验和仿真对标是在扭转工况所做的论述，对此工况下仿真分析有参考意义，该工况试验目前尚无相关国家标准，因此只能作为车架设计的参考因素之一，对于车辆所面临的各种复杂路况，还需要采集实时路况数据，进行更全面的标定工作。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造（下）[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 朱永振，杨扩，徐云杰. 重型自卸车车架有限元分析[J].山东交通学院学报，2014（04）.

[3] 廖日东，王健，左正兴，等.有限元技术在载货车辆车架分析中的应用[J].车辆与动力技术，2006（02）.

[4] 李鹏，谭志军，倪城琳，黎朝琳，李承燕.基于台架试验重型商用车车架研究[J].四川兵工学报， 2014（07）.

[5] 丁智平，刘义伦，尹泽勇，杨治国，成晓鸣.镍基单晶高温合金的屈服准则研究[J].机械强度，2004（02）.