轎車(chē)白車(chē)身彎扭靜剛度試驗(yàn)方法研究

王多華

（重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司，重慶 404100）

1 引言

轎車(chē)在不平路面行駛或高速行駛時(shí)，時(shí)刻承受著彎曲、扭轉(zhuǎn)、空氣阻力等多方面作用力，若是汽車(chē)自身剛度不夠，或剛度分布不合理，就很有可能出現(xiàn)車(chē)身整體或局部變形過(guò)大，嚴(yán)重影響乘員乘坐舒適性和安全性的情況。現(xiàn)代轎車(chē)車(chē)身多采用全承載式結(jié)構(gòu)，據(jù)相關(guān)研究表明白車(chē)身剛度對(duì)整車(chē)剛度的貢獻(xiàn)率達(dá)60%以上[1]，因此合理設(shè)計(jì)白車(chē)身靜剛度，對(duì)提升整車(chē)性能有著至關(guān)重要的作用。本文主要對(duì)多種白車(chē)身剛度測(cè)試試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并提出了試驗(yàn)方法的改進(jìn)方案及建議。

2 白車(chē)身靜剛度的計(jì)算方法

剛度的定義為在外力作用下抵抗變形的能力，剛度越大，抵抗變形能力越強(qiáng)，白車(chē)身靜剛度一般分為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為：；其中M表示扭轉(zhuǎn)力矩，，加載點(diǎn)一般為白車(chē)身左右兩側(cè)前懸支撐點(diǎn)位置，L表示左右兩側(cè)加載點(diǎn)之間的距離，如圖1所示。彎曲剛度計(jì)算公式為：；其中，F(xiàn)表示集中載荷，Z表示垂直最大撓度，如圖2所示。

3 白車(chē)身彎扭剛度試驗(yàn)影響因素分析

由于國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)沒(méi)有出臺(tái)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行規(guī)定，各大車(chē)企之間都是現(xiàn)基本都是按在自己企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。而使用不同的試驗(yàn)方法得到的相關(guān)結(jié)果都有明顯差異。試驗(yàn)方法的差異主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖1 扭轉(zhuǎn)變形示意圖

圖2 彎曲變形示意圖

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

車(chē)身一般都由鈑金件焊接而成，強(qiáng)度一般較高，車(chē)輛使用過(guò)程中車(chē)身承受的載荷主要來(lái)自于乘員和座椅，為模擬實(shí)際情況，試驗(yàn)過(guò)程中所施加的載荷一般都不大，車(chē)身變形也很小，0.01mm 的誤差可能剛度計(jì)算值誤差好幾百，見(jiàn)表1，最好用千分表或者精度更高的采集設(shè)備。另外還需要制作可靠的基座來(lái)固定這些位移測(cè)量工具，在彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，由于車(chē)身的變形以及車(chē)身骨架本身的不規(guī)則會(huì)導(dǎo)致位移測(cè)量工具與車(chē)身接觸點(diǎn)位置出現(xiàn)左右或者前后的滑移，從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。

表1 0.01mm誤差對(duì)結(jié)果影響

3.2 車(chē)身附件

在做白車(chē)身剛度試驗(yàn)時(shí)，除非有特殊要求，副車(chē)架、電池、風(fēng)擋玻璃、罩蓋等車(chē)身附件都不應(yīng)帶入白車(chē)身彎扭試驗(yàn)過(guò)程。車(chē)身附件的存在一般都會(huì)對(duì)車(chē)身剛度進(jìn)行加強(qiáng)，有學(xué)者在其研究中發(fā)現(xiàn)某款車(chē)整備車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度是白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的 1.72倍[2]，當(dāng)有車(chē)門(mén)、車(chē)窗的存在，車(chē)輛變形時(shí)這些附件勢(shì)必會(huì)承擔(dān)載荷，還會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的門(mén)洞變形量也會(huì)偏小，這樣會(huì)使我們對(duì)白車(chē)身車(chē)身剛度值產(chǎn)生誤判，進(jìn)而得不到準(zhǔn)確剛度值。

3.3 加載位置與加載方式

對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)，加載位置，各試驗(yàn)者加載點(diǎn)均為減震器安裝位置。對(duì)于彎曲剛度試驗(yàn)，加載方式有很大不同，主要有集中加載法和分散加載法。集中加載法是一般指將在載荷集中加在質(zhì)心位置，對(duì)于白車(chē)身一般加在前后排座椅之間,分散加載法指在每個(gè)座椅都同時(shí)施加載荷，合力大小等于集中載荷大小。如若把白車(chē)身看成彎曲剛度均勻的簡(jiǎn)支梁，就能很明顯的感受到集中加載與分布加載的區(qū)別，如圖3、圖4所示。其中L為梁長(zhǎng)度，F(xiàn)為集中力，q為分布力，q=F/L。根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算公式很容易得到兩種情況下剛度，在集中載荷下最大撓度為：；在分布力載荷下最大撓度為：。很明顯，雖然施加在簡(jiǎn)支梁上面合力大小一樣，施加分布比施加集中力所獲得的撓度小。但是由于白車(chē)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，前軸至后軸之間的各點(diǎn)的剛度分布都不均勻的，將其看作簡(jiǎn)支梁只能理論上分析施加集中力與施加分布力區(qū)別，對(duì)于獲得準(zhǔn)確剛度數(shù)值無(wú)幫助。

圖3 集中加載示意

圖4 分布加載示意

加載力值方面主要使用的分級(jí)加載[3-6]，分級(jí)加載的好處是可以觀測(cè)不同載荷條件下白車(chē)身的變形趨勢(shì)情況，如若后面某一次曲線(xiàn)趨勢(shì)出現(xiàn)異常，可以根據(jù)趨勢(shì)分析出白車(chē)身薄弱點(diǎn)，較準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)車(chē)身變形情況。加載力力值大小不同研究者都有自己的選擇，因?yàn)闇y(cè)量白車(chē)身剛度都是在白車(chē)身自身彈性限度內(nèi)開(kāi)展的，如果白車(chē)身強(qiáng)度足夠，在不同加載力下，其他條件相同，所得的剛度值應(yīng)該是近似的。

3.4 約束方式

在做彎扭剛度試驗(yàn)時(shí)，每一個(gè)試驗(yàn)者都希望盡可能的模擬白車(chē)身在整車(chē)上的真實(shí)安裝狀態(tài)，以最合理的安裝姿態(tài)得到最實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果，由于目前沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的約束方式各不相同，特別是彎曲試驗(yàn)[4,7-10]，見(jiàn)表2所示，其中數(shù)字代表約束位置的6個(gè)方向自由度（1、2、3分別代表x、y、z三個(gè)方向平動(dòng)約束，4、5、6分別代表x、y、z三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)約束）。

表2 彎曲試驗(yàn)約束方式

而約束方式的不同，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響明顯，彎曲結(jié)果可能相差1倍之多[11]。表2中序號(hào)8表示全約束，由于約束方式的多變，有學(xué)者提出了最小約束法[4]，通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)過(guò)度約束會(huì)使車(chē)身產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致所測(cè)剛度值偏大。

4 結(jié)論

白車(chē)身彎扭剛度試驗(yàn)的目的是為了為汽車(chē)白車(chē)身的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向，從而提升汽車(chē)的綜合性能。有本文研究可以看出，由于試驗(yàn)方法的不統(tǒng)一，即使對(duì)同一個(gè)白車(chē)身進(jìn)行試驗(yàn)，得到的剛度值可能各有不同。所以要評(píng)價(jià)一個(gè)白車(chē)身的剛度值，試驗(yàn)條件必須一同考慮，否則結(jié)果沒(méi)有意義。目前由于各大汽車(chē)廠(chǎng)商試驗(yàn)方法的多樣性的存在，導(dǎo)致不同汽車(chē)廠(chǎng)商之間試驗(yàn)結(jié)果相互可參考性降低。為節(jié)約資源、提升效率，方法統(tǒng)一、便于開(kāi)展的試驗(yàn)方法很有必要被討論出來(lái)。