基于最少約束方法的汽車車身靜剛度試驗*

梁 晨，王國林，楊 建，萬治君

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013; 2.延鋒百利得(上海)汽車安全系統有限公司,上海 200000)

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2015205

基于最少約束方法的汽車車身靜剛度試驗*

梁 晨1，王國林1，楊 建1，萬治君2

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013; 2.延鋒百利得(上海)汽車安全系統有限公司,上海 200000)

針對傳統的車身靜剛度試驗方法存在過度約束的問題，提出了一種測試汽車白車身靜剛度的新方法，即最少約束法。設計了測量車身靜剛度的最少約束裝置，并對汽車白車身進行最少約束法與傳統約束法的靜態彎曲和扭轉剛度對比試驗。結果表明，與傳統方法相比，最少約束法消除了過度約束帶來的附加剛度，測試結果準確、重復性好，為汽車白車身靜剛度測定提供了更科學的試驗方法。

白車身；約束方式；彎曲剛度；扭轉剛度

前言

目前，在設計研發階段，為滿足結構設計的輕量化要求，轎車車身大多采用全承載式，而彎曲和扭轉剛度對汽車的行駛性能有顯著影響[1]。車身剛度不足，會引起車身門框、窗框、發動機罩和行李箱等開口變形大，導致車門玻璃破裂和車門卡死，密封不嚴以至透風、漏雨和內飾脫落等問題，而且還會影響安裝在車身上各個總成的相對位置[2]。此外，為改善汽車的舒適性，保證高速行駛的操縱穩定性，也要求車身有較高的扭轉剛度。

如果白車身靜剛度不合理，當轎車車身受到外界振動源(如發動機、路面和懸架系統等)激勵后會產生車身總體的彎曲和扭轉振動，同時還會引起部分板件產生局部振動，當激勵頻率與車身結構的固有頻率接近時將引起車身共振，造成車身內部的低頻噪聲(隆隆聲)。合理控制白車身的靜剛度，可以較好地改善由車身結構產生的車內噪聲，同時避免產生車身共振[3]。

汽車車身靜剛度試驗是指在車身上施加靜態力(力矩)，用位移傳感器測量車身各個位置的變形量，然后對這些數據進行計算處理，以評定汽車車身的剛度狀況。諸多學者和科研單位對白車身靜剛度的測試開展了研究[3-5]，但現有文獻涉及的試驗方法中采取的約束方式多為過度約束，試驗條件和車身真實受力環境存在差異。本文中基于最少約束原理，提出了一種新的汽車車身靜剛度測量方法(簡稱“最少約束法”)，并以某型轎車白車身為例，對最少約束法和傳統測量方式進行對比試驗和分析。

1 車身靜剛度理論計算

1.1 傳統理論計算方法

1.1.1 車身彎曲剛度

對于多處加載情況的彎曲剛度計算，現在大多數文獻[6-8]采用車身總載荷∑F與車身左側或右側縱梁處的最大撓度Zmax的比值來表示彎曲剛度，此時約束形式簡圖如圖1所示。

由圖1可見，彎曲剛度計算公式為

Kb=∑F/Zmax

(1)

式中：∑F為施加在車身上的總載荷，N；Zmax為縱梁的最大撓度，m。

1.1.2 車身扭轉剛度

汽車車身為復雜的空間結構，不同部位的橫截面積不同，所以白車身的扭轉剛度沿車身縱向不是均勻分布的。為簡化計算，假定白車身是一個具有均勻扭轉剛度的桿件，則車身扭轉角示意圖如圖2所示。

所以白車身平均扭轉剛度的計算公式為

(2)

式中：Kt為扭轉剛度，N·m/(°)；T為扭轉加載扭矩，N·m；ΔL為左側傳感器測量變形位移，m；ΔR為右側傳感器測量變形位移，m；S為左右傳感器間距，m。

1.2 最少約束法

1.2.1 最少約束測量法原理[9]

1.2.2 車身彎曲剛度

首先求得約束反力為

(3)

然后求解AB段、BC段和CD段撓度方程為

(4)

式中：F1,F2為施加在車身前、后部的集中載荷，N；Fa,Fb為前后支撐點處的約束反力，N；a,b為兩個加載點與后支點之間的距離，m；L為前后支撐點之間距離，即車身軸距，m；Z1，Z2和Z3分別為x1，x2和x3處的撓度，m。

將車身試驗數據F1，F2，a，b，L和試驗測得車身的撓度Z與對應的x代入式(3)和式(4)，可得Fa，Fb，C1～C3和EI值。

如圖4所示，若在簡支梁中點處施加載荷F=F1+F2,則車身彎曲剛度為

(5)

將EI和L代入式(5)即可計算車身彎曲剛度。

1.2.3 車身扭轉剛度

扭轉剛度計算方法與傳統車身扭轉剛度計算方法相同，只是為消除車身內應力對扭轉剛度的影響，采用不同的約束方式。

2 車身靜剛度測量試驗

2.1 試驗設備

白車身靜剛度試驗儀器和設備工具主要包括：彎曲扭轉剛度試驗臺、位移傳感器(MINOR微型自恢復式系列及KTRB-15mm電阻式線位移傳感器)和支座、力傳感器(蚌埠長達力敏儀器有限公司生產的精度為0.05%的FS2壓電式拉壓力傳感器)、螺旋千斤頂、數據采集器、球頭座、滑塊和配置專用夾具等。

2.2 試驗測點布置

將車身前、后、左、右水平調正，中心線和扭轉橫梁的中心線調整到重合后，在設定的位置布置所需傳感器，其中傳感器的位置選取應注意以下兩點。

(1) 測點布置原則：車身上能體現總體剛度的部位[7]。

(2) 測點布置位置：車身左右縱梁和門檻梁等位置，具體測點選擇視車身的具體結構而定，通常各測點之間的間距保持在200～300mm，如圖5所示。每根梁上的測點根據梁的長短和結構的連接方式選取，坐標原點根據實際情況選取在前支撐或后支撐位置。

2.3 配套夾具設計

固定車身所用的夾具須要根據不同的車型提前設計并加工，其性能與安裝方式要基本符合車輛真實受力狀態，并能滿足試驗所需的邊界條件。

2.4 試驗方法

2.4.1 車身靜態彎曲剛度試驗

(1) 約束方式

(2) 試驗載荷和加載方式

在彎曲加載時采用四點加載，加載為面加載，位置選擇在前后排座椅中心處，如圖8所示。根據乘客和行李質量確定所須施加載荷，本試驗中最大施加載荷為800kg。試驗前給車身施加1 200kg的最大載荷，反復加卸載3次以消除夾具干涉、車身固有的一些焊接間隙等因素的影響，使系統達到穩定的測量狀態。正式試驗時給每個加載點各施加50kg預載荷以消除夾具間隙，然后分4級對每個加載點加載，每級50kg，即在每個加載點上，各級施加的載荷依次為50，100，150和200kg；以上測試重復3次，試驗結果取平均值。

2.4.2 車身靜態扭轉剛度試驗

(1) 約束方式

傳統方法在后懸架處約束所有自由度，前懸采用T型臺架固定約束，如圖9所示。

(2) 試驗載荷和加載方式

扭轉剛度測試時的加載位置選擇在前懸架安裝點處，通過在其T型臺架兩側分別施加大小相同，方向相反的垂向集中力而形成扭矩，如圖11所示。試驗前給車身施加最大扭矩為3 600N·m的載荷，反復加卸載3次以消除夾具干涉和車身下沉現象對測量結果的影響。正式試驗時給車身施加900N·m預載荷以消除夾具間隙，然后分4級加載，每級540N·m，即在車身兩側的加載點上，各級施加的扭矩依次為540，1 080，1 620和2 160N·m；以上試驗步驟重復3次，結果取平均值。

3 車身靜剛度試驗數據處理與分析

3.1 車身彎曲剛度試驗結果

采用兩種不同約束方式的車身彎曲變形，如圖12所示。

由圖12可以看出，兩種約束方式測得的撓度曲線均比較平滑，沒有突變點，整體相似度較高且重復性較好，說明兩種測量方法的準確性；另外，從圖12中可以看出，前后支撐點并不是撓度為零的點，這是由于試驗中前后端采用球頭約束，造成撓度曲線零點前移和后移，因此在計算車身剛度時近似取前后端支撐點為測點中撓度為零的點，即L取3.05m。

表1中給出的是車身彎曲剛度試驗參數和部分試驗數據(對應的載荷為每個加載點200kg)。由試驗結果可見，傳統的加載方式使車架在彎曲變形時受到了過約束，不利于釋放變形；而對于最少約束方式，充分釋放了車身變形，試驗測得最大撓度比傳統約束方式稍微大一些，表明新的加載方式更符合簡支梁力學原理，更符合車身的真實受力工況。而車身彎曲剛度的計算結果也表明，在車身彎曲剛度測試試驗中，須要慎重考慮約束方式帶來的影響。

表1 車身彎曲剛度試驗參數和部分試驗數據

3.2 車身扭轉剛度試驗結果

采用兩種不同約束方式的車身扭轉變形如圖13所示。

由圖13可以看出，兩種約束方式測得的扭轉曲線均較平滑，沒有突變點，整體相似度較高且重復性較好，說明兩種測量方法的準確性；由圖中可以看出，后約束點并不是扭轉角為零的點，出現零點后移，這是由于后支撐處無法安裝位移傳感器，因而無法計算該處扭轉角。

表2示出車身扭轉剛度試驗參數和部分試驗數據(對應扭矩為2 160N·m)，可見采用最少約束方式測試車身扭轉剛度時，相同的扭矩下測得的扭轉角比傳統約束方式時大一些。這是由于傳統的約束裝置在車身扭轉試驗中，帶入了過約束，因而產生附加內應力，而新的約束方式釋放掉了車身變形時的內應力。因此，在白車身扭轉剛度測試中，車身內應力對扭轉剛度的影響不可忽視，須要考慮約束方式對試驗結果的影響。

表2 車身扭轉剛度試驗參數和部分試驗數據

3.3 車身扭轉時的門窗變形

車身門窗變形量是評價車身剛度的另一個重要指標，它對整個車身的剛度有決定性的影響。為避免當汽車在凹凸不平路面上行駛時，門窗部位出現變形過大等問題，保證車身門窗部位的鎖止安全性，必須校驗車身門窗部分的變形量。衡量車身門窗剛性一般是在扭轉載荷試驗情況下，測量車身門窗部分對角線的變形量，如圖14所示。圖中變形量正值為拉伸，變形量負值為壓縮。

由圖14看出，該車身門窗對角變形最大值均約為1.8mm，其中最少約束方法的試驗得到的變形量略大于傳統方法的測試結果，但均遠小于推薦值5mm[11]，且表現出顯著的線性變形，說明門窗變形量符合要求。

4 結論

關于車身剛度測試提出了一種基于最少約束方法的新方案，并設計了相應的約束裝置，其與車身傳統剛度測試方法的主要差別在于考慮了在試驗中對應力和應變的釋放，同時考慮軸距和加載位置對測量結果的影響；新的試驗方法更符合車身的真實受力工況。

兩種測量方式的試驗結果表明，在車身彎曲和扭轉剛度的測試中，傳統的測試方法由于過約束的原因，使車身產生了附加內應力，導致測試剛度的結果要大于新的試驗方法；在車身剛度測試試驗中不能忽略約束裝置不同帶來的影響；試驗數據重復性較好，說明該測量方式的準確性和科學性，結果有利于為汽車車身靜剛度試驗測試人員提供相應參考。

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Static Stiffness Testing of Vehicle Body with Minimum Constraint Method

Liang Chen1, Wang Guolin1, Yang Jian1& Wan Zhijun2

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013; 2.YanfengKSS(Shanghai)AutomotiveSafetySystemsCo.,Ltd.,Shanghai200000

In view of that there exists a problem of over-constraint in traditional static stiffness testing, a novel test method, i.e. minimum constraint method is proposed for the static stiffness measurement of vehicle body-in-white. A minimum constraint device for body static stiffness measurement is designed and a comparative testing on the static bending and torsional stiffnesses of vehicle with both minimum constraint and traditional methods is conducted. The test results show that compared with traditional constraint method, the minimum constraint method eliminates the additional stiffness caused by over-constraint and can get more accurate measurement results with good repeatability, providing a more reasonable test method for the static stiffness measurement of vehicle body-in-white.

BIW; constraint; bending stiffness; torsional stiffness

*江蘇大學基金(13JDG076)資助。

原稿收到日期為2014年8月1日，修改稿收到日期為2014年9月15日。