基于對(duì)標(biāo)的商用白車身靜態(tài)剛度試驗(yàn)與分析

摘要：白車身剛度是車身開發(fā)階段研究的重要內(nèi)容之一，對(duì)汽車穩(wěn)定性、舒適性等具有十分重要的意義。針對(duì)某款商用車白車身，進(jìn)行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度實(shí)驗(yàn)，并將樣車與標(biāo)桿車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析、評(píng)價(jià)，得出樣車剛度性能指標(biāo)及進(jìn)一步改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：樣車；靜剛度；標(biāo)桿車；對(duì)標(biāo)分析

中圖分類號(hào)：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）01-0040-04

The Experiment and Analysis of the BIW Static Stiffness Based on Benchmarking

ZHANG Dai-sheng，XU Yin-sheng，TAN Ji-jin，Liang Hui-ren

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract:The stiffness of the body-in-white is one of the important researching contents during the design of the vehicle body. It makes great significance in the car stability and comfort. This paper studies the body-in-white with torsion and bending experiments；compared with the data of benchmark car and makes evaluation.Then gets the performance index of the sample car and the direction of further improvement.

Key words:sample；static；benchmark；benchmarking

在某款新型商用車開發(fā)過(guò)程中，采用正向設(shè)計(jì)流程選定標(biāo)桿樣車，并進(jìn)行相關(guān)剛度性能試驗(yàn)，建立車身整體剛度及門窗開口變形等指標(biāo)。同時(shí)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期進(jìn)行CAE仿真分析，完成初步車身對(duì)標(biāo)工作。在樣車試制階段，進(jìn)行樣車白車身靜態(tài)剛度實(shí)驗(yàn)，一方面修正有限元模型，另一方面與標(biāo)桿車剛度性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)樣車不足及結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改進(jìn)之處，為新車型開發(fā)積累數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［1］。圖1為該白車身CAE模型，圖2為靜態(tài)剛度試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析基本流程。

1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)與方法

1.1 靜剛度測(cè)試系統(tǒng)

靜剛度測(cè)試系統(tǒng)包括靜剛度試驗(yàn)臺(tái)、加載裝置、測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（1）靜剛度試驗(yàn)臺(tái)

靜剛度試驗(yàn)臺(tái)主要是依據(jù)該車身結(jié)構(gòu)以及前后懸架的安裝形式，采用專用夾具將白車身與試驗(yàn)臺(tái)剛性連接，車身前后調(diào)平，中軸線和扭轉(zhuǎn)橫梁中心線一致。對(duì)于彎曲剛度測(cè)試和扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)前T形支架的狀態(tài)是不同的，后支架始終處于固定狀態(tài)。彎曲剛度測(cè)試時(shí)，前T形支架加雙柱支撐，而扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試時(shí)，前T形支架繞其中心旋轉(zhuǎn)一定角度［2］。

（2）加載裝置

加載裝置包括千斤頂、力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)砝碼。對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況，通過(guò)放在力傳感器上的千斤頂對(duì)試驗(yàn)臺(tái)前臂施加力的作用，對(duì)白車身產(chǎn)生扭矩；彎曲工況則根據(jù)該車的實(shí)際載重布置情況，在車身不同位置加載標(biāo)準(zhǔn)砝碼，通過(guò)支撐點(diǎn)對(duì)其產(chǎn)生彎矩。

（3）測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括了位移傳感器、門窗變形量規(guī)、支架、靜態(tài)應(yīng)變儀、相關(guān)位移測(cè)量系統(tǒng)。車身變形量通過(guò)位移傳感器轉(zhuǎn)化為電阻的變化量，電腦通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變儀及應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)出車身對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的變形量。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置方案

根據(jù)該車型實(shí)際結(jié)構(gòu)，測(cè)點(diǎn)布置沿左右門檻梁16點(diǎn)、左右前懸置2點(diǎn)、前風(fēng)窗、后門以及左右門窗，共計(jì)33個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成了較為完整的測(cè)點(diǎn)分布［3］。以上各測(cè)點(diǎn)位移傳感器測(cè)量車身各點(diǎn)在彎曲/扭轉(zhuǎn)工況下的垂直變形以及各門窗框?qū)蔷€變化情況。右門檻梁測(cè)點(diǎn)布置如圖3，門窗測(cè)點(diǎn)布置如圖4。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 彎曲剛度

車身前后水平調(diào)正，中軸線和T形橫梁中心線調(diào)整到一致，并在試驗(yàn)臺(tái)支架前端增加雙柱支撐。車身的彎曲剛度測(cè)量的加載方法通常有中央一點(diǎn)加載荷和按座椅布置加載兩種方法，本試驗(yàn)采用按座椅位置加載，載荷有發(fā)動(dòng)機(jī)艙和乘客倉(cāng)兩部分，分六次進(jìn)行加載［2］，加載總質(zhì)量為1 577 kg。左右門檻梁各測(cè)點(diǎn)變形位移見圖5和圖6。

計(jì)算白車身彎曲剛度Kwan［3］：

Kwan=■（N/mm） （1）

式中：W為所施加的總載荷；d為門檻梁的最大變形量。

按左右門檻梁最大變形計(jì)算并取整，樣車彎曲剛度為：

Kwan=1577×9.8/2.03=7613 N/mm（2）

2.2 扭轉(zhuǎn)剛度

車身在凹凸不平的道路上，抵抗變形的能力稱為扭轉(zhuǎn)剛度。按照車前軸滿載1 540 kg負(fù)荷考慮，施加扭矩如下：

M=0.5F·S=0.5×1540×9.8×1.76=13280.96 Nm ［2］（3）

式中：F為前軸荷；S為前輪距。加載點(diǎn)距轉(zhuǎn)軸點(diǎn)距離為0.895 m，換算成加載力為14 847 N。

試驗(yàn)采用分級(jí)加載，共分5級(jí)，扭轉(zhuǎn)分為左右兩側(cè)加載；各進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)量，按三次測(cè)量取平均繪制扭轉(zhuǎn)變形曲線及計(jì)算車身扭轉(zhuǎn)剛度。圖7、圖8給出了左、右加載測(cè)試中左右門檻梁的變形量。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度按式（4）［4-6］計(jì)算：

Kniu=■（4）

式（4）分母項(xiàng)為車身前后軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，單位一般取（′）。

式中：M為所施加的力矩；dfl、dfr為前軸懸置處左右傳感器變形量絕對(duì)值drl、drr為后軸懸置處左右傳感器變形量絕對(duì)值；Yf、Yr為前軸、后軸左右傳感器距離。

按左右懸置點(diǎn)變形量最大計(jì)算，得白車身扭轉(zhuǎn)剛度為：

Kmin=7116 Nm/°（5）

3 對(duì)標(biāo)分析

基于前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩款車身剛度性能數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

3.1 對(duì)標(biāo)分析

（1）扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況下，標(biāo)桿車的扭轉(zhuǎn)剛度要高于樣車。通過(guò)對(duì)比具體的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樣車局部變形較大，后門框?qū)蔷€變形量也較標(biāo)桿車變形要大，而其他門窗對(duì)角線變形量，差異較小。

（2）彎曲工況

彎曲工況下，標(biāo)桿車的彎曲剛度也優(yōu)于樣車。通過(guò)比較具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)桿車門檻梁在彎曲加載時(shí)變形量很小，中部最大位移為1.28 mm，而樣車門檻梁中部最大形變達(dá)到2.03 mm，在較大載荷下，尾部明顯下沉。

3.2 分析結(jié)果

由表2可以看出，扭轉(zhuǎn)工況下，樣車的后門框?qū)蔷€變形量過(guò)大，這可能導(dǎo)致在該商用車的后兩扇門、門與框之間的碰撞，甚至卡死，這對(duì)乘車的舒適性及安全性會(huì)帶來(lái)不利的影響。彎曲剛度方面的不足主要是門檻梁的形變過(guò)大，這也會(huì)對(duì)車身結(jié)構(gòu)性能造成很大影響。一方面，標(biāo)桿車的軸距相比樣車要短，所以樣車的彎曲剛度在一定程度上不及標(biāo)桿車；另一方面，考慮到樣車為新制，部件本身存在車身下沉現(xiàn)象，因此，樣車本身彎曲剛度要略大于計(jì)算值。

核對(duì)開發(fā)階段的試驗(yàn)驗(yàn)證條款后，在后門框結(jié)構(gòu)以及門檻梁的剛度方面應(yīng)予以加強(qiáng)。考慮到改變部件的材料或厚度可能會(huì)帶來(lái)成本的大幅度增加，可以加強(qiáng)后門框部分立柱斷面，使其剛度足夠大；或采取進(jìn)一步措施加強(qiáng)車身整體與局部剛度，如車身底架可以采用X型結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合CAE仿真分析，為下一階段樣車剛度的提高做準(zhǔn)備。

4 結(jié)語(yǔ)

在產(chǎn)品開發(fā)流程中，產(chǎn)品的試制和驗(yàn)證尤為重要，一般要經(jīng)過(guò)若干輪，因此對(duì)標(biāo)分析就顯得尤其重要。本文中，白車身的靜剛度試驗(yàn)只是車身試驗(yàn)眾多項(xiàng)目中的一項(xiàng)，通過(guò)該試驗(yàn)以及對(duì)標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)車身在設(shè)計(jì)方面的不足，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化，提高新產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

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