某轎車白車身靜剛度試驗臺設計方案研究

陸玉兵

（六安職業(yè)技術(shù)學院 汽車與機電工程學院，安徽 六安 237158）

基于人們環(huán)保意識的增強和機動車節(jié)能減排的環(huán)保標準不斷提高，輕量化設計性要求成為當前轎車設計主導趨勢，為了降低用材質(zhì)量，全承載式結(jié)構(gòu)設計正成為轎車車身設計首選方案，全承載式結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點在于汽車行駛過程中，車身能夠承受彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種載荷。汽車在兩種載荷作用下，轎車車身的靜態(tài)剛度特性設計對車身行駛過程中的安全性起著決定性作用。若轎車車身的靜剛度不符合要求，不僅影響著駕駛?cè)藛T的安全性、可靠性和操縱穩(wěn)定性，還影響著轎車本身的動力響應特性和轎車啟動時的噪音、振動和行駛過程中的油耗等關鍵性指標。轎車車身結(jié)構(gòu)動態(tài)研究是建立在車身靜態(tài)剛度的基礎上，雖然國內(nèi)外科研機構(gòu)已經(jīng)開始對車身靜剛度試驗臺進行相關研究，但這些機構(gòu)都是針對某一款車型搭建出相應的車身剛度試驗平臺，進而導致目前市場上存在的車身靜剛度試驗臺均存在著測試不準、安裝定位過約束、加載效率低等問題。因此，研究設計出適應多種車型白車身靜剛度的試驗臺，具有重要的市場應用價值。

1 車身靜態(tài)剛度理論

車身的靜剛度是指轎車在行駛過程中車身在遭遇內(nèi)、外載荷時轎車車身抵抗變形的能力，這種抵抗變形的能力是評價轎車性能的關鍵指標。分析轎車白車身靜剛度并對其進行試驗的目的，是找出影響車身靜態(tài)剛度不足的原因，為車身輕量化設計提供參考性依據(jù)。車身的彎曲剛度是指在承受內(nèi)部或外部負載工況下這種抵抗彎曲變形的特性，在轎車車身靜剛度檢測中，為方便、簡化操作，行業(yè)中多以車身承受的總載荷與門檻處的最大彎曲撓度的比值來表征車身的彎曲剛度，其代號為EI，其公式為。

式中EI 為車身彎曲剛度，單位為N/mm；∑F為施加在車身上的載荷，單位為N；δ為車身門檻處最大彎曲撓度，單位為mm。

車身的扭轉(zhuǎn)剛度是指轎車在高低不平的路面上行駛時，車身在承受內(nèi)外部載荷時抵抗扭轉(zhuǎn)變形的特性，為方便理論計算，可將汽車的車身假設為典型的力學模型，運用剛度計算公式計算出車身的扭轉(zhuǎn)剛度。當轎車車身受到外部扭矩作用時，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，假設車身具有均勻扭轉(zhuǎn)剛度，車身的扭轉(zhuǎn)剛度即表示為單位扭轉(zhuǎn)角所承受到的力，可用代號G表示，其公式為：

式中G為車身扭轉(zhuǎn)剛度，單位為（N·m）/（°）；M 為加載在車身上的外部扭矩，單位為（N·m）；θ為車身受到外部扭矩作用時，前、后軸相互間產(chǎn)生的相對扭轉(zhuǎn)角度，單位為（°）。

2 試驗臺結(jié)構(gòu)組成

本方案研究的試驗臺能夠?qū)崿F(xiàn)轎車車身在承受載荷時的車身靜態(tài)彎曲剛度、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和車門、風窗洞口變形量兩種類型試驗項目，同時可以對試驗結(jié)果進行數(shù)值處理、打印和保存。本試驗臺適用于各類轎車、MPV、SUV 等各種乘用車，車身尺寸長度小于等于6 米、寬度小于等于2 米、高度小于等于2 米的靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度試驗。試驗臺主要由鐵地板、安裝臺架、加載裝置、彎曲剛度施力臺架、扭轉(zhuǎn)剛度施力臺架、測量控制系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和計算機控制柜等部分組成，試驗臺方案模型如圖1，試驗臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 試驗臺方案模型

圖2 試驗臺結(jié)構(gòu)圖

2.1 鐵地板

鐵地板的結(jié)構(gòu)設計為T 型槽式結(jié)構(gòu)，設計總體尺寸為4000mm×6000mm×250mm，材料采用HT200。鐵地板在安裝時，需要用水平儀對其進行水平校準，且保證工作面平面誤差不大于1mm，以確保在試驗時，施加在平板上的載荷能夠被均勻地分散到各支撐點上。在制造時，由于鐵地板毛坯為鑄造成型，其表面留有硬殼且質(zhì)地不均勻，因此在鐵地板平臺粗、精加工前需要回火等熱處理，消除平臺內(nèi)部殘余應力，從而保證平臺穩(wěn)定不變形。鐵地板要求具有良好的承重性，能夠有效阻隔振動，并能承載不小于5T/m外部壓力。

2.2 試驗臺架

為了保證試驗臺在工作時各機構(gòu)運行的穩(wěn)定性，試驗臺整體設計為架式結(jié)構(gòu)，并將傳感器部件、固定機構(gòu)、支撐部件、外部載荷加載裝置等依次安裝在試驗臺的平臺上。為了滿足和適應不同車型和長寬尺寸要求，試驗臺需設計為縱向、橫向定位裝夾機構(gòu)可調(diào)，橫向可調(diào)范圍±0.4m，調(diào)整功能通過T 型工作臺來實現(xiàn)，T 型工作臺的寬度為2m，縱向調(diào)整可直接通過后懸安裝夾具的移動來實現(xiàn)。

該試驗臺T 型臺架由連接軸、支撐座和衍架等幾部分組成，為防止工作時產(chǎn)生軸向竄動，在連接軸處設計有能防止衍架沿軸向竄動的定位元件，衍架和支撐座之間采用連接軸鉸接，衍架的鉸接點選定在中部，而支撐座的鉸接點應選在上端，定位元件設置在衍架兩側(cè)面的支撐座上，能有效地防止衍架軸向串動，可提高該試驗臺的扭轉(zhuǎn)剛度試驗精度。

2.3 加載裝置

加載裝置由六個相互獨立的加載系統(tǒng)作為施力源，每個力加載系統(tǒng)均是由伺服步進電動機、減速器（又稱為減速機）、測力用傳感器、絲桿等主要構(gòu)件組成。工作時，兩個加載系統(tǒng)作為扭轉(zhuǎn)檢測加載施力源，同時作用時可實現(xiàn)扭矩試驗，另外四部電機作為彎曲檢測加載施力源，同時作用時可實現(xiàn)彎矩試驗。伺服電機要求加載力≥2000N，并可實現(xiàn)階梯加載，加載步幅可調(diào)范圍為300-1500N，伺服電機加載速度≤0.001m/s，其值可通過改變每秒鐘伺服電機脈沖數(shù)實現(xiàn)。

2.4 測量控制系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)采用力控制、位移控制或復合控制形式，試驗中，選用計算機控制柜和高精度模擬量采集卡的控制信號與采集信號，該設備可通過自行或外協(xié)設計編程軟件，對伺服電機的驅(qū)動電壓進行調(diào)節(jié)與控制，以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速與載荷的隨機控制。在試驗過程中，先根據(jù)檢測要求設定出標準中規(guī)定力的初始值，當加載達到該值時，軟件就會對力載荷及其相應的位移量等相關數(shù)據(jù)進行采集和數(shù)據(jù)處理，顯示出對應的剛度數(shù)值，并同時繪制出載荷-剛度關系曲線。在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)檢測時，加載點位于前懸安裝架距中心1m 處，此點是固定的，不因車型不同而變化。在靜態(tài)彎曲試驗時，加載點為前后排座椅安裝點，加載單元與加載點的連接順序依次為直線位移加載桿、牽引軟鋼纜、力傳感器、關節(jié)軸承和加載點。靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗時，加載單元固定不動。靜態(tài)彎曲試驗時，加載單元隨加載點的不同而變化。

2.5 計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)全部集成在一臺專用的計算機控制柜中，該系統(tǒng)可由專業(yè)中高配置通用計算機改制或由專業(yè)企業(yè)協(xié)作生產(chǎn)，計算機控制柜外觀采用鋼制材質(zhì)臺體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為電氣部分和機械部分兩大模塊，并用控制電纜將其與檢測臺架和傳感器測量柜連接。

2.6 夾具系統(tǒng)

試驗臺中的夾具影響著其在試驗過程中的便捷性和安全性，并對車身固定起著關鍵性作用。試驗時，夾具所產(chǎn)生的夾緊力要能夠模擬車身在實際行駛過程中的受力情況。用球鉸鏈將車身夾具分別與車身前、后減振器支座連接，用銷軸將前部扭轉(zhuǎn)梁、后部固定臺架與連接桿連接，從而避免了過約束對載荷的影響。由于不同車型的前傾角和外傾角是不同的，為適應不同車型的車身裝夾要求，前懸安裝夾具設計要具有一定柔性。后懸安裝夾具采用兩點約束或四點約束，并能在室內(nèi)的槽式鋼制地板上實現(xiàn)縱向移動（設為X 方向），以適應不同車型和軸距的裝夾要求，同時后懸安裝夾具也可實現(xiàn)橫向（設為Y方向）移動以適應不同車寬要求。為使車身在試驗時能夠處于水平狀態(tài)，后懸安裝夾具要能夠?qū)崿F(xiàn)上、下（設為Z方向）移動的調(diào)整絲桿，可使車身處于試驗前的水平狀態(tài)。試驗時，為保證施加的載荷能夠處于垂直方向，用球鉸鏈將前軸的扭轉(zhuǎn)夾具、后軸的固定夾具分別連接在前置減震塔、后置減震塔上。

3 試驗及數(shù)據(jù)處理

3.1 車身靜態(tài)彎曲剛度試驗

將轎車車身安裝在試驗臺上時，以車身和扭轉(zhuǎn)橫梁的中心線為參考，將兩者調(diào)整到等高位置，并使車身的左、右、前、后四個方位均能處于水平狀態(tài)。試驗時，根據(jù)白車車身要檢測的結(jié)構(gòu)參數(shù)，把車身固定在前懸安裝架和后懸安裝架上，并在鐵地板上調(diào)整前懸安裝架與后懸安裝架的位置。調(diào)整施力裝置到合適的位置并固定牢固。根據(jù)試驗需要，在不同的檢測點安裝合適的傳感器，并使其固定牢固。各檢測點要根據(jù)具體情況恰當?shù)剡x擇在車身結(jié)構(gòu)的關鍵點、承受主要載荷結(jié)構(gòu)的結(jié)合處、車身地板結(jié)構(gòu)中心點等關鍵位置，如前縱梁、門檻梁、門檻梁與前、后橫梁的交接處等位置。

為防止在試驗過程中因車身下沉對檢測結(jié)果的影響，通過計算機對施力裝置加載控制時，以設置的最大載荷值的二分之一為標準量，對車身進行加載，如此反復兩至三次。計算機控制施力裝置緩慢加載，直到力達到規(guī)定的數(shù)值。在加載過程中，計算機自動記錄各測量點的變形量，并形成在不同加載力值時相關測量點的變形曲線。在對白車身門檻梁進行彎曲剛度試驗時，只需限制車身前懸掛點的X、Y、Z 方向三個平動自由度，后懸掛點在XY方向平面上采用自由支撐，并對其Z方向的平動自由度進行限制。伺服電機加載時，在轎車車身的兩排座椅安裝固定處使用4 個電機在垂直方向上分四次階梯式進行加載。

試驗時，計算機根據(jù)采集的各檢測點至前軸距離和相應的位移量，經(jīng)過系統(tǒng)處理，并繪制出各檢測點位移-變形量曲線圖。加載力為14700N，各測試點變形量曲線如圖3 所示，圖中所示曲線圖的X 坐標軸表示測試點至前軸距離，Y 坐標軸表示門檻梁在承受外部載荷時的變形量。

圖3 白車身門檻梁各檢測點位移-變形量曲線圖

在如圖3 變形曲線上，找出在Y 坐標方向上的位移變形量為最大位置處（最高處）的變形量值約為2.5mm，根據(jù)彎曲剛度公式（1）計算出白車身門檻梁彎曲剛度數(shù)值EI=14700/2.5=5880N/mm，該值與運用ANSYS 受力仿真分析軟件分析的結(jié)果6000N/mm 較為接近，即該裝置檢測的彎曲剛度與ANSYS仿真的誤差率小于5.0%，在正常允許誤差范圍內(nèi)。

3.2 車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗

對轎車車身進行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗時，車身的安裝固定方法要求和靜態(tài)彎曲剛度試驗安裝方法不同點在于進行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗時，需要在門檻梁和前后縱梁兩處分別增設相應傳感器，用來測量整車身在接受外部載荷時的變形量，特別是布置在前后懸架上的傳感器，此位置測量數(shù)據(jù)是進行前、后懸架相對扭轉(zhuǎn)角計算的基礎。在進行車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度檢測時，前懸掛點限制X、Y和Z 方向三個平動自由度，后懸掛點需限制X、Y和Z三個方向的平動和繞軸的三個轉(zhuǎn)動共六個自由度。

在完成車身安裝固定和傳感器安裝后，同樣需要進行兩到三次的預加載，除了防止加載時車身下垂對測量的影響外，還可消除車身安裝時可能產(chǎn)生的間隙。計算機控制的施力裝置進行緩慢加載，直到扭矩達到預先規(guī)定的數(shù)值。在加載過程中，計算機自動記錄各測量點的變形量，并形成在不同加載扭矩值時相關測量點的位移曲線。加載時，以1000Nm 逐級加載，直到達到最大值，期間每1000Nm 采集一次各點變形值，順時針和逆時針各做三次，各測點位移變形量以及扭轉(zhuǎn)角變化曲線如圖4所示。

圖4 白車身各測點位移變形量和扭轉(zhuǎn)角曲線圖

在如圖4 變形曲線上，找出在Y 坐標方向上扭轉(zhuǎn)角最大位置處（前懸位置）的扭轉(zhuǎn)角分別約為0.06°、0.11°、0.16°和0.22°，根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度計算公式（2）計算出每次加載時的扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值，取四次平均值后得出身的扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值G=17945.08（N·m）/（°），該值與運用ANSYS 受力仿真分析軟件分析的結(jié)果18000（N·m）/（°）較為接近，即該試驗臺檢測的彎曲剛度與ANSYS 仿真的誤差率小于5.0%，在正常允許誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

基于靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度理論基礎，研究出用于白車車身靜態(tài)剛度檢測系統(tǒng)的試驗臺，并利用該試驗臺在靜態(tài)工況下，檢測轎車白車身或其主要部件的靜態(tài)剛度，得出白車身或其主要部件的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值及剛度的變化規(guī)律，并依據(jù)靜剛度計算公式得出彎曲扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值，進而做出車身的靜態(tài)剛度合格性判定。試驗時，通過設定、記錄和顯示力、變量等檢測數(shù)據(jù)的關系圖，并可選擇性地保存檢測數(shù)據(jù)，形成并打印檢測報告，為轎車廠家車身輕量化優(yōu)化過程中的車身剛度設計提供參考。除此之外，本裝置可通過程序控制對檢測項目和參數(shù)功能進行任意選擇和組合，以適應不同場合需要。