某轎車(chē)白車(chē)身靜態(tài)剛度試驗(yàn)方法研究*

朱天軍 孔現(xiàn)偉 索 乾 賈繼龍 朱玉剛

（1.河北工程大學(xué)；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心）

1 前言

在現(xiàn)代轎車(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，轎車(chē)車(chē)身大多采用全承載式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)幾乎承載了轎車(chē)使用過(guò)程中的各種載荷，主要包括扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲載荷等。在這些載荷作用下，轎車(chē)車(chē)身的剛度特性具有舉足輕重的作用。若轎車(chē)車(chē)身剛度不合理，將直接影響轎車(chē)的可靠性、安全性、操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)特性、NVH性能和燃油經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵性指標(biāo)[1～5]。因此，現(xiàn)代轎車(chē)的設(shè)計(jì)都是在汽車(chē)質(zhì)量盡量輕的前提下，最大限度地提高汽車(chē)剛度，通過(guò)對(duì)轎車(chē)車(chē)身剛度的研究來(lái)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

轎車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度分析是其動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，轎車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的主要靜態(tài)工況分析一直為國(guó)內(nèi)外汽車(chē)界所重視。本文通過(guò)對(duì)某轎車(chē)白車(chē)身靜態(tài)彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)測(cè)試及分析，指出了該車(chē)型存在的剛度不足問(wèn)題，明確了該車(chē)型概念設(shè)計(jì)階段的改進(jìn)方向。

2 白車(chē)身靜態(tài)剛度理論計(jì)算

白車(chē)身靜態(tài)剛度包括扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，其中扭轉(zhuǎn)剛度由前、后風(fēng)窗和四門(mén)框?qū)蔷€(xiàn)的變形量及車(chē)身扭轉(zhuǎn)角來(lái)衡量，彎曲剛度可由前懸架與后懸架之間車(chē)身底部垂直變形量和座椅位置垂直變形量來(lái)衡量。

2.1 扭轉(zhuǎn)剛度

扭轉(zhuǎn)剛度表示車(chē)身在凸凹不平路面上行駛時(shí)抵抗斜對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)變形的能力。當(dāng)車(chē)身受到扭矩作用時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角,車(chē)身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度GJ為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力，扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算式為:

式中，M為扭矩；θ為軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。

某截面i扭轉(zhuǎn)角如圖1所示。

扭轉(zhuǎn)角計(jì)算式為:

式中，θi為同一截面兩測(cè)點(diǎn)間的扭轉(zhuǎn)角；ΔR為右側(cè)縱梁（或門(mén)檻梁）測(cè)點(diǎn)的撓度；ΔL為左側(cè)縱梁（或門(mén)檻梁）測(cè)點(diǎn)的撓度；L為同一截面i兩測(cè)試點(diǎn)間的寬度。

2.2 彎曲剛度

彎曲剛度EI是指車(chē)身在負(fù)載下抵抗彎曲變形的能力，用車(chē)身所加載荷與縱梁或門(mén)檻梁處最大彎曲撓度的比值來(lái)衡量，計(jì)算式為:

式中，∑F為車(chē)身上所有加載力；δmax為車(chē)身上最大彎曲撓度。

3 白車(chē)身靜態(tài)剛度測(cè)試系統(tǒng)

3.1 測(cè)試設(shè)備

白車(chē)身靜態(tài)剛度試驗(yàn)臺(tái)由待測(cè)白車(chē)身、測(cè)試設(shè)備、加載裝置和固定裝置4部分組成。

待測(cè)白車(chē)身由前圍、側(cè)圍、后圍、頂蓋、車(chē)門(mén)、地板和翼子板等組成，并附帶前擋風(fēng)玻璃；測(cè)試設(shè)備包括位移傳感器和力傳感器，其布置形式如圖2所示。通過(guò)測(cè)試加載負(fù)荷和變形量，可得出彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。加載裝置包括加載電動(dòng)機(jī)、橫桿梁和拉桿；固定裝置包括T形槽地板、固定柱及夾具。

3.2 測(cè)試流程

白車(chē)身靜態(tài)剛度測(cè)試流程如圖3所示。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)時(shí)，需要將白車(chē)身前、后、左、右水平調(diào)整，使白車(chē)身左、右門(mén)檻梁處于同一水平位置。

試驗(yàn)時(shí)傳感器布置應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

a.在車(chē)身上體現(xiàn)總體剛度的關(guān)鍵位置布置測(cè)點(diǎn)，如門(mén)檻梁、前縱梁、地板加強(qiáng)筋等。

b.如圖4所示，在車(chē)身兩側(cè)布置傳感器測(cè)點(diǎn)時(shí)，必須在前、后懸架位置處各布置一點(diǎn)，如車(chē)身右側(cè)的R3和R10；在前懸架與后懸架之間依次布置若干個(gè)點(diǎn)，如車(chē)身右側(cè)的 R4、R5、R6、R7、R8和 R9，兩測(cè)點(diǎn)間距離為 300～500 mm；在后懸架位置沿X軸反向在縱梁上布置2個(gè)點(diǎn)，如車(chē)身右側(cè)R11和R12，在前懸架位置沿X軸正向在縱梁上布置2個(gè)點(diǎn)，如右側(cè)車(chē)身R1和R2。同理，在車(chē)身左側(cè)依次布置測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)沿車(chē)身中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。

c.風(fēng)窗和門(mén)窗的傳感器應(yīng)呈對(duì)角線(xiàn)交叉布置，兩傳感器之間應(yīng)留有一定間隙，以避免在車(chē)身扭轉(zhuǎn)過(guò)程中兩傳感器出現(xiàn)干涉。

3.4 測(cè)試方法

3.4.1 車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試

3.4.1.1 試驗(yàn)載荷

在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，在白車(chē)身前懸架塔形支撐處施加扭矩，分 4級(jí)加載，依次為 1020 N·m、2040 N·m、3060 N·m和4080 N·m，左右往返至少各進(jìn)行1次。

3.4.1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為消除安裝或車(chē)身間隙導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，在試驗(yàn)前需要對(duì)車(chē)身進(jìn)行往返預(yù)加載各1次，預(yù)加載扭矩為最大加載扭矩的1/2。

3.4.1.3 約束方式

在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，前懸架與支撐盤(pán)通過(guò)螺栓剛性連接，在支撐盤(pán)與支撐架之間通過(guò)球鉸鏈（通過(guò)螺栓釋放自由度）連接，并釋放X方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5a所示；車(chē)身后懸架要進(jìn)行完全約束，無(wú)自由度，如圖5b所示。

3.4.1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可得到各測(cè)點(diǎn)在各級(jí)扭矩作用下的扭轉(zhuǎn)角，表1為同截面下各對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)（i1～i12）在各級(jí)扭轉(zhuǎn)力矩下的扭轉(zhuǎn)角。各測(cè)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)分別如圖6和圖7所示。

表1 各對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)在同截面各級(jí)扭轉(zhuǎn)力矩下的扭轉(zhuǎn)角

圖7中，YL=25954.4x+6.58為白車(chē)身順時(shí)針加載擬合扭轉(zhuǎn)剛度方程，剛度值YL=25954.4 N·m/（°）；YR=24092.4x+82.72為白車(chē)身逆時(shí)針加載擬合扭轉(zhuǎn)剛度方程，剛度值 YR=24092.4 N·m/（°）。

由圖7可知,白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度為順、逆剛度的平均值， 即 GJ=（25954.4+24092.4)/2=25023.4 N·m/（°），CAE仿真值為 27012 N·m/（°）， 試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)剛度與CAE仿真值誤差為7.95%，在允許誤差范圍內(nèi)。

前門(mén)窗、后門(mén)窗和后風(fēng)窗位移傳感器布置位置如 圖 8 所 示 。 圖 8 中 ，LEFR1、LEFR2、LERE1 和LERE2為左側(cè)車(chē)門(mén)測(cè)點(diǎn)；REW1和REW2為行李箱蓋風(fēng)窗測(cè)點(diǎn)；RIFR1、RIFRE2、RIRE1 和 RIRE2 為右側(cè)車(chē)門(mén)測(cè)點(diǎn)。

后風(fēng)窗和門(mén)窗變形量見(jiàn)圖9和表2。圖9中，F(xiàn)RW1和FRW2為前風(fēng)窗測(cè)點(diǎn)。

從圖9可看出，在4080 N·m扭矩下，后風(fēng)窗兩對(duì)角線(xiàn)位置突出變形，對(duì)角線(xiàn)1變形量為1.408 mm，對(duì)角線(xiàn)2變形量為1.746 mm，表明后風(fēng)窗結(jié)構(gòu)較薄弱，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。圖10為后風(fēng)窗薄弱位置圖。

3.4.2 車(chē)身彎曲剛度測(cè)試

在進(jìn)行彎曲測(cè)試前，在踏板和前、后排座椅的下方縱梁上對(duì)稱(chēng)布置6個(gè)位移傳感器，如圖11所示。

表2 后風(fēng)窗和門(mén)窗變形量

3.4.2.1 試驗(yàn)載荷

在彎曲試驗(yàn)前，將風(fēng)窗和門(mén)窗的傳感器去掉，并釋放沿車(chē)身Y軸旋轉(zhuǎn)的自由度。彎曲試驗(yàn)時(shí)，在白車(chē)身前、后排座椅固定位置處分4級(jí)進(jìn)行加載，分別加載 1500 N、3000 N、4500 N 和 6000 N。

3.4.2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前對(duì)車(chē)身進(jìn)行預(yù)加載，加載力為試驗(yàn)最大加載力的1/2，以消除安裝所產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。

3.4.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

門(mén)檻梁和縱梁上各測(cè)點(diǎn)區(qū)域變形量如表3和圖12所示。

表3 車(chē)身左右各對(duì)稱(chēng)點(diǎn)區(qū)域變形量平均值

由表3和圖12可知，彎曲剛度EI=6000/0.218=27522.9N/mm，CAE仿真分析的彎曲剛度為29753N/mm，試驗(yàn)彎曲剛度與CAE仿真誤差為8.1%，在允許誤差范圍內(nèi)。

座椅和踏板處的垂直變形量分別如表4和圖13所示。

表4 座椅處和踏板處垂直變形量

由表4和圖13可知，座椅處地板最大垂直變形量為0.656 mm，說(shuō)明白車(chē)身駕駛員座椅和副駕駛座椅的地板位置相對(duì)較薄弱；在同一截面上，測(cè)點(diǎn) RD2（圖 11d）的變形量比測(cè)點(diǎn) LD2（圖 11c）的變形量大，這與該白車(chē)身結(jié)構(gòu)有關(guān)，一是此處與周?chē)Y(jié)構(gòu)之間有漏焊，二是此處為加載位置，局部變形量較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立了白車(chē)身靜態(tài)剛度試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)并提出理論計(jì)算方法，利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某轎車(chē)白車(chē)身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，得到了該白車(chē)身在彎曲、扭轉(zhuǎn)靜態(tài)工況下的剛度及關(guān)鍵部位的剛度變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果與CAE計(jì)算基本吻合；并發(fā)現(xiàn)該轎車(chē)白車(chē)身座椅地板剛度較低，為廠家提供了改進(jìn)方向。

1 鐘翠霞.基于試驗(yàn)的車(chē)身靜態(tài)剛度特性研究.科技信息，2008（21）:38～39.

2 鄔耀明，席桂東，戴云.某商用車(chē)白車(chē)身靜剛度試驗(yàn)方法研究.技術(shù)縱橫，2011，258（257）:20～23.

3 桂良進(jìn)，范子杰，周長(zhǎng)路，等.“長(zhǎng)安之星”微型客車(chē)白車(chē)身剛度研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40（9）:195～198.

4 張雷，陶其銘，丁錫幸.轎車(chē)白車(chē)身靜剛度分析.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（9）:105～107.

5 王輝.轎車(chē)白車(chē)身靜態(tài)剛度的試驗(yàn)研究.科技信息，2008（24）:30～31.

6 靳曉雄，單莘，張強(qiáng)，等.轎車(chē)白車(chē)身靜剛度試驗(yàn)中若干問(wèn)題的探討.機(jī)械設(shè)計(jì)與理論，2009,25（4）:92～95.

7 魏洪革，譚繼錦，阮仁宇，等.基于分析和試驗(yàn)的微型客車(chē)白車(chē)身剛度研究.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（1）:147～151.

8 伊廣德，何東偉，王陽(yáng)陽(yáng).汽車(chē)車(chē)身靜剛度的試驗(yàn)研究.機(jī)電一體化，2008，14（9）:53～56.

9 鄧承浩，范子杰，桂良進(jìn).轎車(chē)白車(chē)身扭轉(zhuǎn)靜剛度試驗(yàn)平臺(tái)約束方案設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).試驗(yàn)技術(shù)與管理，2012,29（1）:68～82.

10 陳鑫.轎車(chē)車(chē)身靜態(tài)剛度分析及機(jī)構(gòu)優(yōu)化研究:[學(xué)位論文].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2003.