副车架疲劳台架试验及验证

石云

上海交通大学机械与动力学院

前言

副车架可以看成是前后车桥的骨架，是前后车桥的组成部分。副车架并非完整的车架，只是支承前后车桥、悬挂的支架，使车桥、悬挂通过它再与“正车架”相连，习惯上称为“副架”［2］。副车架从整车装配、包装运输到正常的行驶，都要承受各种不同的载荷，载荷性质也不尽相同，包括冲击、静力、交变载荷。车辆舒适、安全和轻量化对副车架在强度、振动、疲劳和质量方面提出了很高的要求。本文运用有限元软件模拟实际的台架试验，对副车架强度进行分析，并在此基础上对副车架疲劳分析并校核。

1 有限元模型建立

1.1 网格划分

采用HyperMesh对副车架总成进行网格划分，单元采用四边形，焊缝模拟采用Shell模拟，长度与实际的焊缝长度相符。橡胶衬套采用实体单元。图1为副车架有限元模型。

1.2 材料定义

钢板参数：弹性模量2.1×105N／mm2，泊松比0.28。

图1 副车架有限元模型Fig.1 The cradle finite element model

副车架有限元单元总数55658个，四边形单元总数54054个，三角形单元总数1604个，零件之间的连接采用837个刚性单元和16个梁单元进行模拟。

2 副车架疲劳台架试验验证分析

为了验证副车架设计，对于样件必须进行台架疲劳试验。副车架台架试验主要是针对车辆在使用过程中副车架常见工况进行，这些工况包括制动，转弯或者加速。本章节针对制动工况和加速工况进行台架试验的CAE分析和验证，并进行了比对。

2.1 疲劳工况有限元分析

疲劳分析过程中，假定载荷从0加载到最大载荷作为一个循环，时间历程如图2所示。

图2 疲劳变形和时间关系图Fig.2 Relationship diagram of fatigue deformation and time

同时假定：

1）50%存活率

2）Neuber弹塑性模型校正

3）Smith Watson Topper平均应力校正

4）绝对最大主应力应变组合使用

材料疲劳参数E－N曲线，如图3。

图3 材料疲劳参数E－N曲线Fig.3 Material fatigue paramenter E－N curve

2.2 边界约束条件确定

模拟台架试验对副车架的装配和约束，控制臂相对于副车架上下摆动，故在控制臂球铰处施加垂直位移约束。副车架与车身连接的4个衬套处施加约束，约束施加于橡胶衬套中心孔表面。

2.3 载荷施加

纵向极限工况：施加载荷为制动载荷，根据台架试验规范，载荷大小为制动力7000N，与整车行驶方向相反如图2所示。

由于球头处只传递力而不传递力矩，载荷施加在球头处。

图4 副车架纵向力载荷示意图Fig.4 The cradle longitudinal loading scheme

2.4 应力计算结果

应力云图如图5所示。通过应力云图可知，副车架的应力分布比较均匀，最大应力区域是副车架摇臂支架与纵梁连接处，该区域的最大应力为339 MPa，小于材料的抗拉强度，说明副车架的强度是足够的。

图5 纵向力载荷副车架应力云图Fig.5 Longitudinal loading cradle stress cloud diagram

2.5 台架疲劳计算结果

按照台架试验要求，进行疲劳计算分析。图6为副车架台架试验验证的流程示意图。图7为纵向力载荷疲劳云图。

图6 副车架台架试验验证的流程示意图Fig.6 The flow process scheme of the cradle bench testing verification

图7 纵向力载荷疲劳云图Fig.7 Longitudinal loading fatigue cloud diagram

表1 台架试验有限元分析结果Table 1 Bench test finit element results

3 副车架疲劳寿命试验

副车架所承受的是交变载荷，它的疲劳寿命符合维布尔曲线。通过试验的方法，在一定的置信度下，必须要有足够的样本数，最低为6件，同时需要保证必须要有零件发生疲劳破坏，以此来获得维布尔疲劳曲线，得出零件的疲劳寿命。在实际的设计开发中，如果单纯通过试验的方法得出零部件的疲劳寿命，在数据的可靠性上当然是最理想的，但是由于试验必须要到零部件发生破坏才能截止，试验周期长，成本高，尤其对于副车架这样的复杂底盘结构承载件，在实际的疲劳试验中，载荷循环达到一定数量后，往往零部件的本体尚未破坏，橡胶衬套就已经发生破坏，在此情况下，试验只能终止，在更换新的橡胶衬套后再继续试验，因此将副车架做到发生疲劳失效，试验周期将会更长，开发成本更高。实际的开发情况是，每一个疲劳台架试验，试验规范都有一个最低的载荷施加次数，只要满足了该循环次数，就可以认为零部件满足该工况下的疲劳寿命，试验就可以结束，不必单纯追求零部件实际的疲劳寿命到底是多少。对于某副车架纵向力台架试验，试验规范要求是载荷循环次数大于20万次。循环次数大于20万次后即认为该总成疲劳寿命符合纵向力试验工况［1］。

3.1 试验条件

载荷：F2＝－500±6 500N，频率为3±2Hz，循环目标值≥200 000（1倍寿命）加载每隔1小时记录循环次数，并检查支架周围材料及焊缝的状态，若母材开裂长度不大于二倍材料厚度和焊缝裂纹不超过本身焊缝的20%，可继续实验，并在裂纹起始处作标记，每隔1小时记录裂纹扩展长度，直止裂纹长度超过以上规范，需停止试验，记录总循环次数。

3.2 试验结果

结果如下表所示表2至3所示。试验样件疲劳寿命统计如图5～9所示。

台架试验的试件裂纹图如图8至11所示。

图8 试件1裂纹图325500次Fig.8 Speciment 1craic diagram 325500times

图9 试件2裂纹图449325次Fig.9 Speciment 2craic diagram 449325times

图10 试件3裂纹图244297次Fig.10 Speciment 3craic diagram 244297times

图11 试件4裂纹图322804次Fig.11 Speciment 4craic diagram 322804times

4 分析与结论

通过副车架疲劳台架试验和有限元疲劳分析，副车架在控制臂支架同纵梁焊缝处经过2.4万次循环出现裂纹，两者结果一致。这表明副车架疲劳CAE分析有一定的准确度。通过应用有限元与台架试验测试两种手段相结合，大大提高有限元分析在副车架中的分析精度。目前CAE计算可以取代一部分物理试验，从而可以降低开发成本和试验周期。

表2 试验数据Table 2 Testing datum

表3 试验失效类型统计Table 3 Testing failure type statistics

［1］许勇.某副车架有限元分析及试验验证，［学位论文］，上海交通大学，2005.

［2］史科骏，静波，等.轿车副车架模态试验与分析.躁声与振动控制，2003，2.