某貨車(chē)駕駛室靜剛度試驗(yàn)與分析①

吳 江， 王 進(jìn)， 王香廷， 譚繼錦

(1.江淮汽車(chē)股份公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601;2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

非承載式貨車(chē)駕駛室與車(chē)架縱梁相連，在使用過(guò)程中，由于受到自重及負(fù)載作用而發(fā)生彎曲，受到路面不平導(dǎo)致的車(chē)架發(fā)生扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而駕駛室也發(fā)生扭轉(zhuǎn);因此為了使駕駛室滿足疲勞壽命和裝配及使用要求，其結(jié)構(gòu)需要有足夠的剛度和強(qiáng)度.目前國(guó)內(nèi)外轎車(chē)靜剛度分析和試驗(yàn)進(jìn)行的較多，理論和試驗(yàn)方案都比較完善[1～3]，但介紹駕駛室剛度試驗(yàn)的文章較少.本文介紹了如何建立貨車(chē)駕駛扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度測(cè)試系統(tǒng)，并重點(diǎn)分析了扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算方法，獲得了駕駛室扭彎工況下的總體變形規(guī)律和剛度特征數(shù)據(jù).為駕駛室研發(fā)與參考車(chē)型對(duì)標(biāo)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)建立了基礎(chǔ)[4，5].

1 靜剛度測(cè)試系統(tǒng)與方法

1.1 靜剛度測(cè)試系統(tǒng)的組成

1.1.1 駕駛室固定方案

按照實(shí)際的駕駛室結(jié)構(gòu)、前軸位置連接點(diǎn)和后部車(chē)架縱梁支撐點(diǎn)的連接形式，專門(mén)設(shè)計(jì)了連接夾具，在駕駛室底板與車(chē)架縱梁前部連接點(diǎn)處附近的螺栓孔，利用原車(chē)所配的連接件將其和白車(chē)身剛度試驗(yàn)臺(tái)前橫梁剛性固定;同理，駕駛室后縱梁支撐點(diǎn)處，通過(guò)連接件將其剛性固定在車(chē)身剛度試驗(yàn)臺(tái)后橫梁上.車(chē)身剛度試驗(yàn)臺(tái)為有兩條長(zhǎng)導(dǎo)軌的專用試驗(yàn)臺(tái)架，該試驗(yàn)臺(tái)前部有可轉(zhuǎn)動(dòng)的T形支架橫梁和后部可沿導(dǎo)軌移動(dòng)的后支架橫梁，駕駛室安裝可以實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)，角度可調(diào)，前后與左右位置可調(diào).通過(guò)固定駕駛室于試驗(yàn)臺(tái)上，將駕駛室前后左右調(diào)平，使中軸線和試驗(yàn)臺(tái)扭轉(zhuǎn)橫梁中心線一致.扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，前T形支架橫梁繞其中心旋轉(zhuǎn)一定角度，而彎曲剛度試驗(yàn)時(shí)，前T形支架橫梁加雙柱支撐保持水平.

1.1.2 加載裝置

主要包括:力傳感器、千斤頂和標(biāo)準(zhǔn)砝碼.測(cè)試扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，把千斤頂放置于力傳感器上對(duì)試驗(yàn)臺(tái)前T形支架橫梁施加一定數(shù)值的向上作用力，由此產(chǎn)生駕駛室受到的對(duì)應(yīng)扭矩;測(cè)試彎曲工況時(shí)，可按照實(shí)際的駕駛室承載情況，在駕駛室相應(yīng)位置放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼.

1.1.3測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

主要包括:門(mén)框和窗框變形尺規(guī)，水平儀，位移傳感器，固定傳感器的夾具及支座，電源、導(dǎo)線、電腦以及靜態(tài)測(cè)試儀等組成的測(cè)試系統(tǒng).

1.2 測(cè)點(diǎn)布置方案

根據(jù)實(shí)際的駕駛室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在駕駛室左右門(mén)檻梁上各布置有4個(gè)測(cè)點(diǎn)，前風(fēng)窗和左、右車(chē)門(mén)沿對(duì)角線各布置一對(duì)測(cè)點(diǎn)，前橫梁兩側(cè)各2個(gè)測(cè)點(diǎn)，前橫梁左右縱梁位置處各1點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)總數(shù)為18，構(gòu)成了較為完整的測(cè)點(diǎn)分布[5].由此可以獲得彎/扭工況下駕駛室個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器測(cè)得的垂直變形量和門(mén)/窗框變形情況，見(jiàn)圖1.

圖1 駕駛室左、右、前各測(cè)點(diǎn)布置與靜剛度測(cè)試系統(tǒng)及駕駛室剛度試驗(yàn)照片

2 靜剛度試驗(yàn)原理和結(jié)果

2.1 試驗(yàn)加載方案

2.1.1 扭轉(zhuǎn)工況

試驗(yàn)之前需進(jìn)行預(yù)加載，以消除駕駛室連接間隙及產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力.扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)共進(jìn)行6次，先左側(cè)加載重復(fù)3次，再右側(cè)加載重復(fù)3次;每次加載均需分4級(jí)載荷逐級(jí)加載;試驗(yàn)完成后，3次重復(fù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)值需取平均值進(jìn)行剛度計(jì)算和繪制扭轉(zhuǎn)變形曲線;其中分級(jí)載荷為:300kg，600kg，900kg，1200kg.

2.1.2 彎曲工況

彎曲試驗(yàn)也需要進(jìn)行預(yù)加載，彎曲載荷根據(jù)駕駛室實(shí)際受載，按前排三座和后排兩部分，分兩次進(jìn)行加卸載.其中分級(jí)載荷為:75kg，225kg，300kg，375kg.

2.2 扭轉(zhuǎn)工況數(shù)據(jù)結(jié)果和扭轉(zhuǎn)剛度

(1)扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式:

式中:Kniu為駕駛室整體扭轉(zhuǎn)剛度，M為駕駛室前端所受扭矩，F(xiàn)為所施加載荷，a為加載力到轉(zhuǎn)軸中心距離，L為左右測(cè)點(diǎn)的距離，h為左右兩測(cè)點(diǎn)的垂向位移絕對(duì)值之和;分母項(xiàng)Φ即為白車(chē)身左右安裝點(diǎn)相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，單位一般取(°).

(2)扭轉(zhuǎn)工況數(shù)據(jù)結(jié)果

1)各測(cè)點(diǎn)變形量(左側(cè)加載下)見(jiàn)表1，左側(cè)與右側(cè)加載下駕駛室底版縱橫梁各測(cè)點(diǎn)變形曲線如圖3～6.扭轉(zhuǎn)剛度值見(jiàn)表2;相應(yīng)變化曲線如圖7～8.

表1 各測(cè)點(diǎn)位置在不同載荷下的變形量

2)扭轉(zhuǎn)剛度值及其變化曲線

表2 不同載荷下的扭轉(zhuǎn)剛度及扭轉(zhuǎn)角

3)計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度Kniu

貨車(chē)駕駛室不同于一般的承載式車(chē)身，其主要載荷由車(chē)架承擔(dān).駕駛室除了承擔(dān)自身重量外，分擔(dān)多少車(chē)架傳過(guò)來(lái)的載荷，尚缺乏理論分析依據(jù).考慮到駕駛室扭轉(zhuǎn)是隨車(chē)架扭轉(zhuǎn)一起運(yùn)動(dòng)的實(shí)際，因此確定駕駛室扭轉(zhuǎn)工況可以從車(chē)架扭轉(zhuǎn)變形著手，以車(chē)架變形作為參考，確定駕駛室變形指標(biāo).對(duì)此提出兩種方法加以確定:

圖2 右側(cè)扭轉(zhuǎn)工況下左右縱梁變形曲線(左略)

圖3 左側(cè)扭轉(zhuǎn)工況下前橫梁變形曲線

圖4 右側(cè)扭轉(zhuǎn)工況下前橫梁變形曲線

一為直接法，根據(jù)前輪突起值，換算到前支撐臂處位移值，以此確定車(chē)身所承受的載荷及對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)剛度.

二為間接法，參考乘用車(chē)風(fēng)窗及前門(mén)框變形指標(biāo)，反算車(chē)身底板所承受的載荷，進(jìn)一步確定車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度.參考承載式轎車(chē)車(chē)身在最大扭轉(zhuǎn)剛度下的變形量推薦值指標(biāo):前風(fēng)窗框?qū)蔷€變形≤5.0mm;前門(mén)框?qū)蔷€變形≤3.0mm.

綜合考慮非承載式駕駛室前風(fēng)窗對(duì)角線變形可以略大于轎車(chē)前風(fēng)窗變形，前門(mén)變形要求基本一致的實(shí)際情況，參照表1各測(cè)點(diǎn)變形值，選取600kg載荷量級(jí)，相當(dāng)于施加于駕駛室扭矩為5298Nm，取左右側(cè)加載扭轉(zhuǎn)剛度的平均值有:

圖5 彎曲加載左門(mén)檻梁變形曲線(右略)

2.3 彎曲工況數(shù)據(jù)結(jié)果和彎曲剛度

(1)彎曲剛度計(jì)算公式:

其中:Kwan白車(chē)身彎曲剛度，W為所施加垂向載荷;d為縱梁的最大變形量.

(2)彎曲工況數(shù)據(jù)結(jié)果

各測(cè)點(diǎn)彎曲變形量見(jiàn)表3，駕駛室左右門(mén)檻梁各測(cè)點(diǎn)變形曲線如圖9～10.

表3 彎曲工況下各測(cè)點(diǎn)變形值

1－8 對(duì)角線 0.09 0.31 0.45 0.49 0.43 2－7 右門(mén) 0.16－0.66－0.88－1.03－0.82 2－8 對(duì)角線 0.07 0.45 0.53 0.65 0.55 1－9 前風(fēng)窗 0.03－0.01－0.07－0.13－0.18 2－9 對(duì)角線0－0.25－0.26－0.17－0.18

根據(jù)左右門(mén)檻梁的最大變形量計(jì)算彎曲剛度并取平均值為:Kwan=3557N/mm.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

該試驗(yàn)樣車(chē)白車(chē)身目前處于試制階段，按照車(chē)身正向開(kāi)發(fā)流程，需要大量的性能數(shù)據(jù)支撐研發(fā)，本文僅列出了部分測(cè)試結(jié)果.

靜剛度試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)該駕駛室在扭轉(zhuǎn)與彎曲工況下各測(cè)點(diǎn)變形曲線平滑、無(wú)突變，左右門(mén)檻梁變形曲線對(duì)稱性好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性好，表明試驗(yàn)方案合理，測(cè)量系統(tǒng)精確，該車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝良好.

(2)對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況，該駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度值計(jì)算方法有別于一般的承載式車(chē)身.另外上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表，反映了駕駛室地板變形與門(mén)框變形綜合情況，為全面了解和掌握該型車(chē)身靜態(tài)剛度性能建立了基礎(chǔ).

(3)對(duì)于彎曲工況，該貨車(chē)駕駛室有別于承載式車(chē)身，作為非承載式駕駛室其彎曲試驗(yàn)下各測(cè)點(diǎn)變形較小，反映在駕駛室彎曲載荷工況下其結(jié)構(gòu)彎曲性能良好.一般而言，貨車(chē)駕駛室主要分析四種靜態(tài)工況，即彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、正面碰撞工況與頂部靜壓工況，其中彎曲工況分析尚需要結(jié)合其他工況共同分析判斷車(chē)身結(jié)構(gòu)性能，而非采用單一指標(biāo).

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于非承載式駕駛室，由于所受垂向載荷一般不大，試驗(yàn)表明該駕駛室彎曲剛度特性滿足使用要求，對(duì)于駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度特性需要區(qū)別對(duì)待.駕駛室結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度剛度以保證其疲勞壽命和裝配及使用要求，駕駛室剛度試驗(yàn)與分析的關(guān)鍵在于確定其合理載荷及目標(biāo)值.利用靜態(tài)駕駛室剛度試驗(yàn)獲得的扭轉(zhuǎn)/彎曲剛度值、各測(cè)點(diǎn)變形值、扭轉(zhuǎn)/彎曲變形曲線等各項(xiàng)重要數(shù)據(jù)，可以客觀地對(duì)駕駛室剛度性能進(jìn)行評(píng)價(jià).

從上述意義上講，車(chē)身剛度試驗(yàn)正是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有車(chē)輛的測(cè)試來(lái)把握其基本的力學(xué)性能指標(biāo)，建立起自有的一套車(chē)身剛度指標(biāo)體系，并且將其與競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型作對(duì)比，進(jìn)而對(duì)開(kāi)發(fā)新系列車(chē)型有清晰的認(rèn)識(shí).

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