普通乘用車發動機罩蓋靜剛度試驗方法

向曉峰 李綱 譚倫賓

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

發動機罩蓋作為整個車身的重要部件，它的力學特性影響到整車的力學性能，當發生碰撞等外力沖擊時，往往是最先接觸并發生變形的部件，直接影響到車輛/行人的安全；它對車身外觀和振動噪聲有著重要影響，直接關系到車輛的乘坐舒適性[1-2]；剛度不足的發動機罩蓋在開閉時，會產生明顯的變形，影響用戶使用感受，降低用戶評價[1，3]。因此，在車身的開發過程中，除了需要對發動機罩蓋進行碰撞、NVH以及模態分析等試驗外，常常也需要對其單獨進行靜剛度試驗分析，重點得出發動機罩蓋正向彎曲剛度值、側向彎曲剛度值、扭轉剛度值。鑒于普通乘用車的大量存在，文章就普通乘用車發動機罩蓋靜剛度試驗方法進行了討論。

1 發動機罩蓋主要結構型式及對靜剛度試驗的影響

到目前為止，通過對所搜集國內資料的研究，發現發動機罩蓋靜剛度的試驗途徑超過10種，但大部分測試目標接近，只是加載方式和邊界條件不同，這些不同與發動機罩蓋的各種結構相互影響，兩者共同決定了試驗方法的有效性[4]。

1.1 發動機罩蓋主要結構型式對測點布置的影響

1.1.1 發動機罩蓋型面對測點布置的影響

發動機罩蓋體現了汽車造型獨特的一面，而汽車造型關乎空氣動力學和人體工程學等，要求大的型面之間均有圓滑的過渡，過渡部分可以由任意型面擔當。與發動機罩蓋型面直接相關的是汽車的前臉與翼子板，根據兩兩關系的不同，發動機罩蓋的型面可以分別向前臉與翼子板過渡，形成過渡圓弧面，它占發動機罩蓋型面的面積有大有小，而測試設備往往要求垂直作用于型面，圓弧面自然成為影響測試設備布置測點的一大難題。市場上可見的發動機罩蓋型面，如圖1所示。普通乘用車發動機罩蓋大量采用的是圖1a所示的型面，采用圖1e和圖1f的情況較少。

圖1 發動機罩蓋型面

1.1.2 發動機罩蓋內板對測點布置的影響

發動機罩蓋主要由內外板扣合而成。外板為覆蓋件，表現為空間曲面板，其形狀與整車造型要求一致；內板為結構件，以前常為筋條、網格狀布置，近年碗型結構逐漸增多[1，3-5]。內板結構通過優化設計確定，形式多種多樣，如圖2所示。發動機罩蓋靜剛度測試時，測點往往落在外板上，通過外板的變化反映發動機罩蓋的剛度，但外板受內板影響，測點對應內板的筋或凹空時，測試的結果有明顯不同[6]，需要業內有統一的認識。

圖2 4種發動機罩蓋內板

1.2 發動機罩蓋主要結構型式對夾具布置的影響

發動機罩蓋開閉方式有前掀式、側開式及后啟式，現在普遍選擇的開閉方式是向后開啟。文章僅就后啟式進行討論。發動機罩蓋內板上的6個特殊點（如圖3所示），是其靜剛度測試時，供測試人員普遍選擇的夾具安裝點，但僅靠這些點對于發動機罩蓋側向彎曲剛度試驗并不夠。如：進行側向彎曲剛度測試時，需要制作特有壓頭或作用在鎖扣上，或讓壓頭垂直作用于發動機罩蓋前緣的切線，而后者相對合理。

圖3 發動機罩蓋特殊點位置示意圖

2 發動機罩蓋靜剛度試驗方法

發動機罩蓋靜剛度試驗方法的研究按上述方面的考量，需要重點得出正向彎曲、側向彎曲及扭轉3個方面剛度參數[2-3，7-11]的概念及試驗方法，文章以某車發動機罩蓋為對象，選擇合理的試驗途徑進行了試驗方法的使用驗證。

2.1 國內現有發動機罩蓋靜剛度試驗方法

表1示出國內發動機罩蓋靜剛度試驗的方法。從表1中可以看到，試驗方法變化最大的是靜剛度測試加載點位置的選擇，尤其針對正向彎曲剛度，試驗過程中，各加載點的加載值也有不同選擇。其中，加載點落在外板對應點上。

表1 國內發動機罩蓋靜剛度試驗方法

2.2 發動機罩蓋靜剛度試驗方法的驗證試驗

2.2.1 正向彎曲剛度試驗

正向彎曲剛度試驗測試的是發動機罩蓋受到正向載荷（彎曲、抨擊）時抵抗變形的能力，如圖4a所示。可以用于評估發動機罩蓋在關閉狀態下抵抗由手壓或鎖扣和鎖孔位置偏差造成的變形的能力；另外，發動機罩蓋是行人頭部碰撞安全保護重點關注區域之一，它與發動機艙剛性部件之間的空間，是提供行人安全保護的重要吸能空間，所能提供的吸能量需要發動機罩蓋彎曲剛度給予保證。

圖4 發動機罩蓋正向彎曲剛度測試

出于整體考察發動機罩蓋靜剛度的目的，靜載荷施加的效應要能反映發動機罩蓋作為整體抵抗變形的能力[2，4-5，10，12-13]。不同加載點得出的正向彎曲剛度值差異很大，加載點選擇中央位置（正向彎曲剛度值由此點給出，在該點的選擇上不建議選鎖扣點，該點加載更多反映的是鎖扣局部剛度，不足以代表發動機罩蓋整體；同時，中央點也是行人碰撞時頭部與發動機罩蓋重要的接觸區域，作為整體來考察，內板結構的影響也就可以忽略），不必選擇靠近發動機罩蓋邊緣的區域，這也可以避免加載點落在過渡圓弧區域，無法得出有效測試值。同時，夾具安裝點也就可以選擇鉸鏈與鎖扣位置，形成三點支撐，構成測試體系[14]，便于得出一個統一的值。而且，剛度值可以方便地直接由中央點力/位移得出，如圖4b所示。

2.2.2 側向彎曲剛度試驗

側向彎曲剛度試驗測試的是發動機罩蓋受到側向載荷（彎曲、撞擊）時抵抗變形的能力，如圖5a所示。加載點選擇發動機罩蓋前端一側邊緣[7]，載荷F垂直作用于加載點切線上。裝夾點選擇鉸鏈（A，B）、減振墊安裝點（C，D）。鉸鏈全約束，減振墊點約束Z向移動。有的試驗將加載點實施于減振墊點或鎖扣上，考察的對象不能代表發動機罩蓋整體，故而不建議實施（有的甚至將載荷變為垂直載荷，這一方法實際是正向局部彎曲，也無法適用于圓弧型面）。它的剛度值也可由該點力/位移得出，如圖5b所示。

圖5 發動機罩蓋側向彎曲剛度測試

2.2.3 扭轉剛度試驗

扭轉剛度試驗測試的是發動機罩蓋受到扭轉力矩時抵抗變形的能力，如圖6a所示。發動機罩蓋在結構上，為避免與發動機艙周邊部件剛性碰撞,常常會在其兩側和發動機艙周邊部件之間設計緩沖墊，緩沖墊變形或本身磨損造成左右緩沖墊高度不一致，進而造成發動機罩蓋左右兩側受力扭轉。另外，發動機罩蓋在使用中，開閉時會受到扭轉載荷；汽車在不平路面上行駛時，車身承受扭轉載荷，轉而影響到發動機罩蓋，也會受力扭轉[14-15]。發動機罩蓋扭轉剛度正是在這些狀態下，其抵抗變形能力的反映。測試時，加載點可選擇減振墊安裝點之一所對應發動機罩蓋外板對應點，垂向加載；裝夾點可選擇鉸鏈點全約束，另一減振墊安裝點約束Z向移動。扭轉的表象為角度，因而扭轉剛度可由減振墊兩點連線所受力矩與該連線相對左右鉸鏈點連線的轉動角度的關系表示，如圖6b所示。

圖6 發動機罩蓋扭轉剛度測試

2.3 發動機罩蓋靜剛度試驗方法的選擇

通過對國內現有發動機罩蓋靜剛度試驗方法的比較研究，以及選擇發動機罩蓋實體進行試驗方法的試驗驗證，最終推薦試驗方法，如表2所示。

表2 發動機罩蓋靜剛度試驗途徑

3 結論

發動機罩蓋靜剛度的試驗方法多種多樣，這些方法把發動機罩蓋作為板類部件以及車身閉合件，評價其在用戶開啟、關閉的各種工況下，以及在車輛行駛時受砰擊載荷時，其彎曲、扭轉和側向剛度。這些方法從不同角度對發動機罩蓋進行評價，互有重疊，其加載和約束又各不相同，因此不能輕易地認為某種評價方式可以被另一種取代。文獻[4]使用統計學的回歸分析方法，進行相關性分析，對發動機罩蓋的靜剛度試驗各種途徑的比較做了有益的探索，揭示了這些評價方法之間的關系，文章依據試驗的可操作性從中選擇，通過試驗驗證，得出了合理的選擇，如表2所示。該途徑可以對發動機罩蓋結構的影響加以限制和避免，試驗方法也可以限制在有限、有效的范圍內。

試驗方法的應用追求科學性、可操作和通用性。通過試驗及其結果，可以獲得發動機罩蓋設計或者生產合理性的評價，還可以與同級車發動機罩蓋進行比較，進而獲取發動機罩蓋改進的方法。上述試驗加載、裝夾和評價方法，在靜態條件下，便于操作并合理測試普通乘用車發動機罩蓋彎曲、扭轉及側向靜剛度，適合在生產企業推廣。