轻型商用车车架刚度及疲劳试验研究

陈军，杨雷东

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

轻型商用车车架刚度及疲劳试验研究

陈军，杨雷东

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

车架是汽车的主要承载部件，其刚度和疲劳强度性能对整车性能影响重大。文章对某轻型商用车车架的弯曲、扭转刚度及弯曲、扭转疲劳试验进行了研究。建立了轻型商用车车架弯曲、扭转刚度和疲劳强度试验台，并进行了单激振点集中加载方式的弯曲、扭转刚度试验及其疲劳试验。车架在扭转疲劳试验时出现焊缝开裂现象，经分析是由焊接质量差造成的，并据此提出了改进措施。本试验结果为车架产品开发和设计改进提供了有效的依据，并为同类产品的设计开发验证提供了有效的途径，最后探讨了基于道路载荷谱的多激振点的谱加载车架疲劳试验方法。

车架；刚度试验；疲劳试验；谱加载试验

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.031

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-90-04

引言

车架是汽车的主要承载部件，安装的部件有发动机、变速器、悬架、车厢、驾驶室等，它承受着各种复杂工况所产生的弯曲和扭转载荷。车架的刚度和强度是其基本的性能要求。而车架的刚度和疲劳性能的好坏则直接决定着整车设计的成败。因此，在开发阶段进行车架的刚度和疲劳强度性能的台架试验验证非常有必要。

为了验证某轻型商用车的车架的轻量化设计效果，需要在试制阶段进行刚度和疲劳强度的台架试验。本文就该车架的弯曲、扭转刚度及弯曲、扭转疲劳台架试验进行了研究。

1、试验方案

根据其弯曲工况下的受力特征和现有的试验室资源情况，试验方案的内容主要为制定试验的加载方式、载荷大小、固定方式和进行测量点的选取以及疲劳加载循环次数的确定等。

首先是加载方式的确定。根据现有的试验室资源，可以采用电子控制液伺服加载系统实现单激振点静态加载和等幅值正弦循环加载。根据实现试验的便利性和可操作性以及试验模拟的有效性，简化载荷，选择集中加载的方式，弯曲加载点确定在车辆整车质心在车架上的投影点位置。扭转加载点在前悬架横向轴线的夹具上的一端。

其次是载荷的确定。对于弯曲刚度工况，主要是静态受力，所以根据车架设计最大承载能力（即车架上方的总质量）来确定其大小。该试验最大弯曲静载荷确定为20kN，试验时采用梯级加载方式，即从0～20kN逐级加载，加载步长为5kN。对于弯曲疲劳载荷，根据国内普通公路和高速公路工况，载荷确定为静态最大承载能力的（1±1.55）倍，即9～31kN。采用等幅值正弦加载，频率1～2Hz，方向垂直向下。弯曲加载循环次数根据设计使用寿命和疲劳损伤累积等效原则确定为50万次不损坏，载荷的方向为垂直向下。

对于扭转工况，刚度试验采用角度控制输入，加载角度（前轴轴向方向与水平面的夹角）为1°～4°，梯级加载，加载步长为 1°。扭转疲劳试验输入依然是角度输入，加载顺序为1°（10万次）→±2°（10万次）→±3°（10万次）→±4°（10万次）。

第三是固定方式的确定。对于弯曲工况，固定的原则是约束点为悬架硬点，后悬架硬点限制Y和Z方向位移以及围绕X轴和Z轴旋转自由度，前悬架硬点则限制X、Y、Z三个方向的位移以及围绕X轴和Z轴旋转自由度。弯曲加载方案如图1所示。

对于扭转工况，固定原则为后悬架保证六个方向自由度不受约束，前悬架保证围绕X轴的旋转自由度不收约束，如图2。

第四是测量点的选择。测量点位于车架纵梁上，左右对称，根据受力状态选取合适的间距，原则是能够客观反映车架刚度性能。测量点布置见图3和图4。

2、试验台的建立

2.1试验设备和仪器系统

试验设备和仪器系统包括加载系统、数据采集系统两大部分。

试验加载系统采用电子控制液压伺服系统，作动器为伺服液压缸，采用先进的中文自动控制系统，能够实现时间及速度设定、力控制模式或者位移控制模式的自动加载功能。该系统能够实现静态加载和基于多种波形的等幅值循环加载试验。

数据采集系统包括独立的LVDT位移传感器、集成在作动器上的位移传感器和力传感器、数据采集器和数据采集软件。该系统能够实现位移和力信号的实时自动采集、存储、实时显示和回放等功能。

2.2试验夹具设计

试验夹具的设计基本原则是具有足够的刚度和强度，设计的基本依据是实车结构和受力分析。

根据车架的受力分析确定需要连接固定的点为前后悬架的硬点。如图1所示。

根据实车结构的情况确定需要模拟的汽车零部件。该车型前悬架结构采用扭杆弹簧和副车架，后悬架则采用了钢板弹簧结构。因此前悬架夹具采用刚性件模拟扭杆弹簧和副车架及其连接件；后悬架则采用刚性件模拟钢板弹簧。

根据图1和图2的加载方案，前悬架夹具与固定于铁地板的支架之间采用铰接方式；后悬架模拟钢板弹簧与车架之间的连接采用铰接方式模拟弹簧吊耳结构，弯曲工况模拟钢板弹簧与地面的连接为滚动方式，扭转工况模拟钢板弹簧与地面连接为两端球形铰链的三根支柱组成的稳定结构。

根据车架结构特点进行夹具材料的选取、结构设计及其刚度和强度校核。本项目采用H型钢模拟钢板弹簧，这样方便台架的布置和连接件的安装。采用圆钢模拟扭杆弹簧，采用矩形管材模拟副车架。最后进行模拟钢板弹簧的抗弯刚度和强度的校核以及模拟扭杆弹簧扭转刚度和强度校核及副车架的刚度和强度校核。因为模拟部件的受力较为简单，利用材料力学手段进行了手工校核。

弯曲刚度试验台见图5，扭转刚度试验台见图6。弯曲和扭转疲劳试验台是弯曲刚度和扭转刚度试验台分别撤除LVDT位移传感器之后的台架。

3、刚度和疲劳试验

3.1弯曲刚度及疲劳试验结果

根据既定的方案，将车架样品安装在试验夹具上，并固定于铁地板上，搭建试验台架。出于运动补偿的目的，加载作动器与车架之间的连接采用球形铰接方式。将标定好的位移传感器布置在选取的测量点处，并连接数据采集器和电脑。

根据既定的梯级加载方案进行加载，同时采集数据。试验进行了三次，最终结果取三次结果的平均值。各测量点的挠度见图7，3点和8点的位移—载荷曲线见图8。

根据试验结果可以看出，左右纵梁上的测量点的挠度对称性很好，并且随着载荷的增加而增加。这说明试验夹具的设计、传感器布置合理及加载运行情况良好。

车架的弯曲刚度采用挠度最大的测量点进行计算，即整车质心位置投影点所在横向轴线与纵梁的交点（测量点3和测量点 8）的数据进行计算。通过数据拟合，最终得出的车架总成的弯曲刚度为 2173N/mm，见图 5。这个结果满足车架弯曲刚度性能的设计要求。

根据既定的加载方案，弯曲疲劳试验进行了50万次循环后，车架仍然完好。将载荷加大至30kN继续进行试验，直到70万次循环结束试验。试验后，车架完好，没有发现裂纹等损坏的现象。该车架样品的弯曲疲劳强度满足设计要求。

3.2扭转刚度及疲劳试验结果

按照既定方案搭建好试验台。经过三次测试，取平均值，得出的结果见图 9。图中经过拟合计算得出的车架刚度为2043.3Nm/°，计算时取前轴中心线上的纵梁上点的数据。该结果满足车架扭转刚度的设计要求。

扭转疲劳在进行总循环次数为25万次时（3°工况）从前往后数车架第二和第三横梁与纵梁结合处焊缝出现裂纹，见图10。该结果未满足产品设计要求。

4、问题分析及产品改进措施

扭转工况时横梁和纵梁结合处焊缝出现疲劳裂纹。通过分析研究，排除了结构和材料因素的影响，得出的结论是：造成焊缝强度不足的原因主要是采用普通的手工电弧焊焊接工艺，焊接质量差，焊缝不规则，焊脚偏大，焊瘤引起应力集中，从而导致疲劳裂纹。据此，提出的改进措施为：改进焊接工艺，采用气体保护焊工艺，并改进焊接工装，适当减小焊脚长度，提高焊接质量。

5、基于道路载荷谱的车架多轴加载疲劳试验探讨

本项目的弯曲疲劳试验采用的是正弦波形等幅值循环加载方式。这是一种较为简单易于实现的试验方法。

一种更好的车架疲劳试验方案可以采用基于道路载荷谱的多激振点谱加载的试验方法。该方法的基本过程是：首先进行车架道路载荷谱的采集，然后进行数据处理，生成试验载荷谱，然后通过多轴谱加载设备进行多激振点疲劳试验。

车架疲劳试验迭代点的确定可以参考 CAE仿真分析结果确定的受力薄弱点进行选取。该方法最重要的步骤是道路载荷谱的采集、数据处理、试验载荷谱的生成和试验迭代。其中难点在于试验载荷谱的生成，这个过程包含了大量的道路载荷谱的数据提取和异常数据的剔除，并根据疲劳损伤累积理论和车辆的设计使用寿命综合考虑而制定，并且需要大量的车辆实际使用情况数据和试验数据的支持。

而且该方法对设备仪器的要求较高，数据采集将采用动态数据采集系统，加载设备将采用可复现道路工况的电子控制液压伺服系统。这些仪器和设备造价昂贵。

因此，进行谱加载试验技术方面和成本方面的门槛很高。但是该方法和本文讨论的传统的试验方法相比，能够复现道路工况，试验模拟更接近实际情况。车架的弯曲和扭转疲劳试验可同时进行，只需要一套试验台架即可，而传统的方法是弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度试验是分开进行的，需要两套试验台架。

6、结论及展望

通过弯曲、扭转刚度和疲劳试验，获得了某轻型商用车车架试制阶段的弯曲和扭转性能，验证了其轻量化设计的效果。通过本试验发现该车架扭转疲劳强度性能的相关问题，并提出了相应的产品改进措施。试验结果为车架的设计开发工作提供了有效的参考依据。同时为同类产品的开发和设计的验证工作提供了有效途径。

通过对多激振点谱加载疲劳试验的讨论，我们可以得知车架的疲劳性能是有可能通过谱加载方法进行考核验证的，而且同时考核了弯曲和扭转疲劳强度性能。

多激振点谱加载试验是汽车零部件疲劳试验的发展方向，虽然技术门槛和经济门槛较高，目前国内此类设备和仪器极少，尤其是谱加载多轴电子控制液压伺服系统。但也不是遥不可及，预计不久国内便会出现汽车关键零部件谱加载多轴疲劳试验设备，届时就可以进行包括车架在内的汽车关键零部件的复现道路工况的多激振点谱加载疲劳强度试验。

本项目未同时进行CAE仿真试验，今后可以参照试验的约束条件进行仿真分析，进一步验证车架的刚度和疲劳性能。

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Research on Stiffness & Fatigue Test of a Light Commercial Vehicle Chassis Frame

Chen Jun, Yang Leidong
（China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Chongqing 401122）

Chassis frame is the main load bearing assembly of a vehicle. Its stiffness and fatigue performance affect the vehicle performance significantly. The paper discussed the bending & torsion stiffness and fatigue test of a light commercial vehicle chassis frame. The test benches of stiffness and fatigue of a light commercial vehicle were established. The bending & torsion stiffness and fatigue tests in the way of single excitation point were carried out. Cracking occurred in the welds during the torsion fatigue test. Through analysis the concluded reason of cracking was the bad welding. According to this, the improvement method was proposed. The case provided the basis for development of the chassis frame product and an effective way of validation for similar products development. The paper also discussed the spectrum load test of multiple excitation points for chassis frame based on road load spectrum.

Chassis Frame; Stiffness Tes; Fatigue Test; Spectrum Loading Test

U467.3

A

1671-7988（2015）09-90-04

陈军，高级工程师，就职于中国汽车工程研究院股份有限公司，研究方向为汽车底盘试验研究、汽车车身试验研究、汽车风洞技术、汽车空气动力学。