副車架疲勞臺架試驗及驗證

石云

上海交通大學機械與動力學院

前言

副車架可以看成是前后車橋的骨架，是前后車橋的組成部分。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］。副車架從整車裝配、包裝運輸到正常的行駛，都要承受各種不同的載荷，載荷性質也不盡相同，包括沖擊、靜力、交變載荷。車輛舒適、安全和輕量化對副車架在強度、振動、疲勞和質量方面提出了很高的要求。本文運用有限元軟件模擬實際的臺架試驗，對副車架強度進行分析，并在此基礎上對副車架疲勞分析并校核。

1 有限元模型建立

1.1 網格劃分

采用HyperMesh對副車架總成進行網格劃分，單元采用四邊形，焊縫模擬采用Shell模擬，長度與實際的焊縫長度相符。橡膠襯套采用實體單元。圖1為副車架有限元模型。

1.2 材料定義

鋼板參數：彈性模量2.1×105N／mm2，泊松比0.28。

圖1 副車架有限元模型Fig.1 The cradle finite element model

副車架有限元單元總數55658個，四邊形單元總數54054個，三角形單元總數1604個，零件之間的連接采用837個剛性單元和16個梁單元進行模擬。

2 副車架疲勞臺架試驗驗證分析

為了驗證副車架設計，對于樣件必須進行臺架疲勞試驗。副車架臺架試驗主要是針對車輛在使用過程中副車架常見工況進行，這些工況包括制動，轉彎或者加速。本章節針對制動工況和加速工況進行臺架試驗的CAE分析和驗證，并進行了比對。

2.1 疲勞工況有限元分析

疲勞分析過程中，假定載荷從0加載到最大載荷作為一個循環，時間歷程如圖2所示。

圖2 疲勞變形和時間關系圖Fig.2 Relationship diagram of fatigue deformation and time

同時假定：

1）50%存活率

2）Neuber彈塑性模型校正

3）Smith Watson Topper平均應力校正

4）絕對最大主應力應變組合使用

材料疲勞參數E－N曲線，如圖3。

圖3 材料疲勞參數E－N曲線Fig.3 Material fatigue paramenter E－N curve

2.2 邊界約束條件確定

模擬臺架試驗對副車架的裝配和約束，控制臂相對于副車架上下擺動，故在控制臂球鉸處施加垂直位移約束。副車架與車身連接的4個襯套處施加約束，約束施加于橡膠襯套中心孔表面。

2.3 載荷施加

縱向極限工況：施加載荷為制動載荷，根據臺架試驗規范，載荷大小為制動力7000N，與整車行駛方向相反如圖2所示。

由于球頭處只傳遞力而不傳遞力矩，載荷施加在球頭處。

圖4 副車架縱向力載荷示意圖Fig.4 The cradle longitudinal loading scheme

2.4 應力計算結果

應力云圖如圖5所示。通過應力云圖可知，副車架的應力分布比較均勻，最大應力區域是副車架搖臂支架與縱梁連接處，該區域的最大應力為339 MPa，小于材料的抗拉強度，說明副車架的強度是足夠的。

圖5 縱向力載荷副車架應力云圖Fig.5 Longitudinal loading cradle stress cloud diagram

2.5 臺架疲勞計算結果

按照臺架試驗要求，進行疲勞計算分析。圖6為副車架臺架試驗驗證的流程示意圖。圖7為縱向力載荷疲勞云圖。

圖6 副車架臺架試驗驗證的流程示意圖Fig.6 The flow process scheme of the cradle bench testing verification

圖7 縱向力載荷疲勞云圖Fig.7 Longitudinal loading fatigue cloud diagram

表1 臺架試驗有限元分析結果Table 1 Bench test finit element results

3 副車架疲勞壽命試驗

副車架所承受的是交變載荷，它的疲勞壽命符合維布爾曲線。通過試驗的方法，在一定的置信度下，必須要有足夠的樣本數，最低為6件，同時需要保證必須要有零件發生疲勞破壞，以此來獲得維布爾疲勞曲線，得出零件的疲勞壽命。在實際的設計開發中，如果單純通過試驗的方法得出零部件的疲勞壽命，在數據的可靠性上當然是最理想的，但是由于試驗必須要到零部件發生破壞才能截止，試驗周期長，成本高，尤其對于副車架這樣的復雜底盤結構承載件，在實際的疲勞試驗中，載荷循環達到一定數量后，往往零部件的本體尚未破壞，橡膠襯套就已經發生破壞，在此情況下，試驗只能終止，在更換新的橡膠襯套后再繼續試驗，因此將副車架做到發生疲勞失效，試驗周期將會更長，開發成本更高。實際的開發情況是，每一個疲勞臺架試驗，試驗規范都有一個最低的載荷施加次數，只要滿足了該循環次數，就可以認為零部件滿足該工況下的疲勞壽命，試驗就可以結束，不必單純追求零部件實際的疲勞壽命到底是多少。對于某副車架縱向力臺架試驗，試驗規范要求是載荷循環次數大于20萬次。循環次數大于20萬次后即認為該總成疲勞壽命符合縱向力試驗工況［1］。

3.1 試驗條件

載荷：F2＝－500±6 500N，頻率為3±2Hz，循環目標值≥200 000（1倍壽命）加載每隔1小時記錄循環次數，并檢查支架周圍材料及焊縫的狀態，若母材開裂長度不大于二倍材料厚度和焊縫裂紋不超過本身焊縫的20%，可繼續實驗，并在裂紋起始處作標記，每隔1小時記錄裂紋擴展長度，直止裂紋長度超過以上規范，需停止試驗，記錄總循環次數。

3.2 試驗結果

結果如下表所示表2至3所示。試驗樣件疲勞壽命統計如圖5～9所示。

臺架試驗的試件裂紋圖如圖8至11所示。

圖8 試件1裂紋圖325500次Fig.8 Speciment 1craic diagram 325500times

圖9 試件2裂紋圖449325次Fig.9 Speciment 2craic diagram 449325times

圖10 試件3裂紋圖244297次Fig.10 Speciment 3craic diagram 244297times

圖11 試件4裂紋圖322804次Fig.11 Speciment 4craic diagram 322804times

4 分析與結論

通過副車架疲勞臺架試驗和有限元疲勞分析，副車架在控制臂支架同縱梁焊縫處經過2.4萬次循環出現裂紋，兩者結果一致。這表明副車架疲勞CAE分析有一定的準確度。通過應用有限元與臺架試驗測試兩種手段相結合，大大提高有限元分析在副車架中的分析精度。目前CAE計算可以取代一部分物理試驗，從而可以降低開發成本和試驗周期。

表2 試驗數據Table 2 Testing datum

表3 試驗失效類型統計Table 3 Testing failure type statistics

［1］許勇.某副車架有限元分析及試驗驗證，［學位論文］，上海交通大學，2005.

［2］史科駿，靜波，等.轎車副車架模態試驗與分析.躁聲與振動控制，2003，2.