車(chē)架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法研究

徐文雅　申娟　胡宏

摘 要：常規(guī)的車(chē)架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法主要是單獨(dú)考核車(chē)架的彎曲疲勞及扭轉(zhuǎn)疲勞，隨著汽車(chē)行業(yè)對(duì)臺(tái)架道路模擬的重視，對(duì)車(chē)架疲勞試驗(yàn)提出了新的要求。本文介紹了幾種主要的車(chē)架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法，并對(duì)比了幾種試驗(yàn)

方法的優(yōu)劣性。關(guān)鍵詞：車(chē)架；疲勞試驗(yàn)；道路模擬試驗(yàn)

1 引言

車(chē)架作為汽車(chē)各總成的安裝基體，需承受各總成及貨物的質(zhì)量。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，車(chē)架還承受了十分復(fù)雜的動(dòng)載荷。為了應(yīng)對(duì)節(jié)能減排的要求，車(chē)架這一主要零部件被選為重要的輕量化對(duì)象。在這種情況下，對(duì)車(chē)架的精細(xì)化設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)的耐久可靠性考核顯得至關(guān)重要。常規(guī)的車(chē)架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法主要是單獨(dú)考核車(chē)架的彎曲疲勞及扭轉(zhuǎn)疲勞，隨著汽車(chē)行業(yè)對(duì)臺(tái)架道路模擬的重視，對(duì)車(chē)架疲勞試驗(yàn)提出了新的要求。本文介紹了幾種主要的車(chē)架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法，并對(duì)比了幾種試驗(yàn)方法的優(yōu)劣性。

2 常規(guī)的車(chē)架彎扭疲勞試驗(yàn)

對(duì)車(chē)架進(jìn)行受力分析，安裝在車(chē)架上的各總成質(zhì)量及車(chē)廂里的貨物質(zhì)量使車(chē)架主要承受彎曲載荷產(chǎn)生彎曲變形。而在汽車(chē)行駛過(guò)程中，路面的不平度使車(chē)架主要承受扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。常規(guī)的車(chē)架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法即是分別模擬車(chē)架的彎曲工況及扭轉(zhuǎn)工況。

2.1 彎曲疲勞試驗(yàn)

設(shè)計(jì)某車(chē)型車(chē)架彎曲疲勞試驗(yàn)方案如圖 1所示。車(chē)架前端用工裝模擬鋼板彈簧，在板簧中心使用滾動(dòng)軸承使車(chē)架前軸釋放沿整車(chē)坐標(biāo)系 X向的平動(dòng)自由度及繞 Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。車(chē)架后軸通過(guò)連接座固定在支撐臺(tái)上，釋放其繞 Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。由于掛車(chē)的質(zhì)

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量通過(guò)牽引座施加在牽引車(chē)車(chē)架上，所以牽引車(chē)車(chē)架的彎曲載荷集中施加在牽引座上。其他重型車(chē)車(chē)架承受的彎曲載荷可簡(jiǎn)化為貨箱質(zhì)心處的集中載荷（在條件具備的情況下載荷也可以均勻分布施加）如圖 1所示。

彎曲載荷加載方式為 Z向等幅正弦波，載荷幅值由滿(mǎn)載質(zhì)量和強(qiáng)化系數(shù)決定，頻率通常為 1Hz，頻次通常為 30萬(wàn)次至 50萬(wàn)次。

2.2 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)

設(shè)計(jì)某車(chē)型車(chē)架扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)方案如圖 2所示，用工裝模擬鋼板彈簧及車(chē)橋。車(chē)架前端通過(guò)模擬板簧、模擬前橋及前端固定支架固定在地板上。模擬前橋中心通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與固定支架相連，釋放車(chē)架前軸在前橋中心處繞 X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。車(chē)架后端通過(guò)模擬板簧、模擬后橋及后端固定支座固定在地板上。模擬板簧通過(guò)騎馬螺栓與車(chē)架上的平衡軸座相連，模擬后橋通過(guò)三只二力桿分別與后端固定支座相連，如圖 2所示。

伺服缸通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與位于前橋一側(cè)的連接座相連，對(duì)車(chē)架按等幅正弦波施加扭矩。使車(chē)架前軸相對(duì)后軸依次產(chǎn)生一至五度的扭角，每個(gè)角度進(jìn)行 10萬(wàn)次疲勞。

3 車(chē)架垂向道路模擬疲勞試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)車(chē)架受力分析可知車(chē)架最主要的疲勞工況為彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞，而這兩種工況均由垂向載荷產(chǎn)生。由此設(shè)計(jì)車(chē)架垂向道路模擬疲勞試驗(yàn)方案如圖 3所示，按實(shí)車(chē)載荷譜進(jìn)行車(chē)架垂向道路模擬疲勞試驗(yàn)，可同時(shí)考核車(chē)架的彎曲疲勞及扭轉(zhuǎn)疲勞。

樣品選用帶牽引座、懸架系統(tǒng)及車(chē)橋的車(chē)架總成，以保證車(chē)架所受載荷的傳遞路徑與整車(chē)一致。車(chē)架前端固定裝置允許車(chē)架在受力狀態(tài)下自由變形，牽引座固定在龍門(mén)架上與實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)保持一致，釋放了車(chē)架后軸繞 Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，和前端固定裝置一起組成一個(gè)穩(wěn)定的試驗(yàn)臺(tái)架。六支液壓伺服缸通過(guò)連接工裝與軸頭相連，eDAQ數(shù)據(jù)采集器采集軸頭相對(duì)于車(chē)架的位移做為迭代目標(biāo)并反饋至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制伺服缸對(duì)軸頭進(jìn)行加載。載荷按實(shí)車(chē)路徑通過(guò)車(chē)橋及懸架系統(tǒng)傳遞給車(chē)架，使車(chē)架同時(shí)產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，從而實(shí)現(xiàn)在臺(tái)架上按載荷譜進(jìn)行車(chē)架垂向道路模擬疲勞試驗(yàn)。

用于道路模擬疲勞試驗(yàn)的載荷譜按相應(yīng)規(guī)范采集所得。下圖截取了某一段軸頭相對(duì)于車(chē)架的位移載荷譜，以例舉對(duì)不同疲勞工況的模擬。圖 4所示載荷段主要體現(xiàn)車(chē)架的彎曲疲勞，圖 5所示載荷段主要體現(xiàn)車(chē)架的扭轉(zhuǎn)疲勞，各種載荷隨機(jī)切換，以進(jìn)行車(chē)架垂向道路模擬疲勞試驗(yàn)。

4 車(chē)架多軸道路模擬疲勞試驗(yàn)

車(chē)輛在直線勻速行駛過(guò)程中，主要承受垂向載荷；在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，主要承受側(cè)向載荷；在制動(dòng)及驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，主要承受縱向載荷。這些載荷都會(huì)通過(guò)車(chē)輪及懸架系統(tǒng)傳遞給車(chē)架，對(duì)車(chē)架造成疲勞損傷。由此設(shè)計(jì)了某車(chē)型車(chē)架多軸道路模擬疲勞試驗(yàn)方案如圖 6所示，在臺(tái)架上全面模擬車(chē)架的受力形式，考核其耐久性。

樣品選用帶牽引座、懸架系統(tǒng)及車(chē)橋的車(chē)架總成，以保證車(chē)架所受載荷的傳遞路徑與整車(chē)一致。車(chē)架的固定方式也與垂向道路模擬試驗(yàn)方案相同，允許車(chē)架在受力狀態(tài)下的自由變形。設(shè)計(jì)軸頭復(fù)合加載工裝，與加載單元連接，使垂向力、縱向力、側(cè)向力可以同時(shí)施加在軸頭上，進(jìn)而傳遞給車(chē)架。加載單元由反力架、伺服缸、三角臂和二力桿組成，巧妙的節(jié)約了臺(tái)架的布置空間。

5 三種試驗(yàn)方法的優(yōu)劣性

5.1 常規(guī)的車(chē)架彎扭疲勞試驗(yàn)

常規(guī)的車(chē)架彎扭疲勞試驗(yàn)原理清晰、方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)成本較低，大量試驗(yàn)結(jié)果證明了其有效性，是過(guò)去十年車(chē)架疲勞試驗(yàn)的首選方案。其缺點(diǎn)在于，加載方式簡(jiǎn)化，載荷有效性相對(duì)于道路模擬試驗(yàn)較低，不能滿(mǎn)足部分客戶(hù)的精確模擬要求。

5.2 車(chē)架垂向道路模擬疲勞試驗(yàn)

道路模擬加載方式極大的提高了試驗(yàn)精度，采用一定的設(shè)備資源高效的同時(shí)完成了車(chē)架最主要的彎曲疲勞及扭轉(zhuǎn)疲勞。樣品保留了懸架系統(tǒng)，使載荷傳遞路徑和實(shí)車(chē)保持一致，并且可以同時(shí)考核車(chē)架及懸架系統(tǒng)的耐久性。其缺點(diǎn)在于試驗(yàn)成本比常規(guī)的車(chē)架彎扭疲勞試驗(yàn)更高，對(duì)車(chē)架的耐久性考核也不夠全面。

5.3 車(chē)架多軸道路模擬疲勞試驗(yàn)

車(chē)架多軸道路模擬疲勞試驗(yàn)方案是目前比較完善的車(chē)架疲勞試驗(yàn)方案，可在臺(tái)架上全面模擬車(chē)架的受力形式，考核其耐久性。其試驗(yàn)有效性及準(zhǔn)確性?xún)?yōu)于以上兩個(gè)車(chē)架疲勞試驗(yàn)方案。其缺點(diǎn)在于試驗(yàn)難度較大，占用的設(shè)備資源較多，試驗(yàn)成本過(guò)高。

6 結(jié)論

作者所在公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大量的車(chē)架疲勞試驗(yàn)方法研究和總結(jié)，設(shè)計(jì)了以上三種車(chē)架疲勞試驗(yàn)方案。本文詳細(xì)介紹了其相應(yīng)的臺(tái)架方案及試驗(yàn)方法，并對(duì)比了其優(yōu)劣性。對(duì)國(guó)內(nèi)車(chē)架的臺(tái)架驗(yàn)證具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]申娟，歐家福，劉德輝 .重型車(chē)車(chē)架彎曲、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方案研究 [J].重型汽車(chē) .2011（6）： 11-12.

[2] 陳家瑞 .汽車(chē)構(gòu)造（第四版）[M].北京：人民交通出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介

徐文雅：本科畢業(yè)于西南交通大學(xué)汽車(chē)工程專(zhuān)業(yè)，在職就讀于重慶大學(xué)汽車(chē)工程專(zhuān)業(yè)工程碩士。本科畢業(yè)后就職于中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，從事汽車(chē)底盤(pán)零部件檢測(cè)工作。