车架疲劳仿真分析与台架试验研究

汤科 回春 喻攀 张凯

中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司 湖北武汉 430057

1 前言

汽车上大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的，车架在底盘结构中是非常重要的组成部分，其功能是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。

汽车在复杂道路上行驶时，固定在车架上的各总成和部件之间应不发生干涉。当汽车通过不平整的路面时，车架在载荷作用下会产生扭转变形以及纵向平面内的弯曲变形，因此，整车对车架在刚度、疲劳强度上都有非常严格的要求。本文以某款轻型卡车车架为例，建立仿真模型，搭建车架试验台，进行车架扭转疲劳仿真分析与测试研究。

2 车架结构

本文选取某款轻型卡车的边梁式车架，其由两根位于两边相互平行的纵梁和多根横梁组成，如图1所示。

图1 某款轻型卡车的边梁式车架

纵梁为槽型不等高断面梁，由于纵梁中部受到完全力矩最大，故中部断面高度最大，由此向两端断面高度则逐渐减小。这样分布使得应力分布较为均匀，同时减小了车架质量。横梁不仅能支承汽车上主要部件，还保障车架的扭转刚度和承受纵向载荷。

3 车架的建模与仿真分析

3.1 车架模型搭建

本文选取某款轻型卡车的边梁式车架，搭建车架模型，薄壁板件采用四边形单元进行模拟，单元基本尺寸为8 mm；板簧吊耳铸造件采用四面体模拟；约束后悬架所有自由度，前悬架前轴中间位置施加绕纵轴方向的强制转动位移，大小为8°；依据施加情况在车架纵梁后部分施加载重4.5 t的载荷，整体有限元模型如图2所示[1]。

图2 车架有限元模型

3.2 车架仿真分析

基于上述有限元模型，对轻卡车架进行了静力学仿真分析，仿真结果显示车架第五横梁与纵梁交接处等效应力接近330 MPa，车架选用510L材料，未超过材料的屈服强度，但是等效应力值相对较高，多次试验容易造成疲劳开裂[2]。车架有限元分析结果如图3所示。

图3 车架有限元分析结果

4 车架试验台设计及试验方法研究

为了模拟汽车行驶过程中车架扭转状态，设计车架扭转疲劳耐久静态试台，对车架进行疲劳试验。

4.1 试验台组成

车架扭转疲劳耐久试验台的组成包括：伺服电缸、前桥铰接支座、车架、货厢、配重块、后桥固定座、应变片以及控制伺服电缸的运动控制器。车架测试试验台如图4、5所示。

图4 车架扭转疲劳耐久试验台机械结构三维图

图5 车架扭转疲劳耐久试验台实物图

汽车车架前桥安装点固定方式采取铰接方式，后桥安装点固定方式与横梁刚性连接。车架上装载货箱，载荷负重4.5 t。伺服电机通过铰接方式与夹具连接，使前轴与车架平面形成不同的角度α。

运动控制器控制伺服电缸，带动车架运行，同时根据测试要求，调整振动幅值。

4.2 试验台测试方法

根据有限元分析的结果以及同类车架在试验过程中失效的位置综合比对，在危险系数较大的位置布置应变花，应变花位置为车架第五横梁右侧下部分铆钉铆接处；将4.5 t的配重块装载于货厢内，记录该车架满载时状态；启动伺服电机，伺服电机带动夹具，给车架加载一定的位移，试验频率1 Hz，加载方式正弦波，如图6、7所示，一直循环此步骤，直到车架发生失效，此时记录车架失效的位置及车架失效时的试验次数。应变花粘贴位置如图8所示。

图6 车架扭转示意图

图7 车架加载示意图

5 测试结果分析及总结

在车架进行扭转疲劳试验测试过程中，进行8万多次测试后出现第五横梁开裂。在相同条件下，台架测试的应力值与仿真的应力结果相似，证明了利用有限元分析软件能近似代替台架试验，为汽车车架的设计与优化提供理论依据[3]。

图8 应变花粘贴位置