轎車白車身彎扭靜剛度試驗方法研究

王多華

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 404100）

1 引言

轎車在不平路面行駛或高速行駛時，時刻承受著彎曲、扭轉、空氣阻力等多方面作用力，若是汽車自身剛度不夠，或剛度分布不合理，就很有可能出現車身整體或局部變形過大，嚴重影響乘員乘坐舒適性和安全性的情況。現代轎車車身多采用全承載式結構，據相關研究表明白車身剛度對整車剛度的貢獻率達60%以上[1]，因此合理設計白車身靜剛度，對提升整車性能有著至關重要的作用。本文主要對多種白車身剛度測試試驗方法進行研究，并提出了試驗方法的改進方案及建議。

2 白車身靜剛度的計算方法

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，白車身靜剛度一般分為彎曲剛度和扭轉剛度。扭轉剛度計算公式為：；其中M表示扭轉力矩，，加載點一般為白車身左右兩側前懸支撐點位置，L表示左右兩側加載點之間的距離，如圖1所示。彎曲剛度計算公式為：；其中，F表示集中載荷，Z表示垂直最大撓度，如圖2所示。

3 白車身彎扭剛度試驗影響因素分析

由于國家相關機構沒有出臺相應的國家標準對試驗方法進行規定，各大車企之間都是現基本都是按在自己企業內部標準進行試驗。而使用不同的試驗方法得到的相關結果都有明顯差異。試驗方法的差異主要體現在以下幾個方面：

圖1 扭轉變形示意圖

圖2 彎曲變形示意圖

3.1 試驗設備

車身一般都由鈑金件焊接而成，強度一般較高，車輛使用過程中車身承受的載荷主要來自于乘員和座椅，為模擬實際情況，試驗過程中所施加的載荷一般都不大，車身變形也很小，0.01mm 的誤差可能剛度計算值誤差好幾百，見表1，最好用千分表或者精度更高的采集設備。另外還需要制作可靠的基座來固定這些位移測量工具，在彎曲和扭轉試驗中，由于車身的變形以及車身骨架本身的不規則會導致位移測量工具與車身接觸點位置出現左右或者前后的滑移，從而導致測量不準確。

表1 0.01mm誤差對結果影響

3.2 車身附件

在做白車身剛度試驗時，除非有特殊要求，副車架、電池、風擋玻璃、罩蓋等車身附件都不應帶入白車身彎扭試驗過程。車身附件的存在一般都會對車身剛度進行加強，有學者在其研究中發現某款車整備車身的扭轉剛度是白車身扭轉剛度的 1.72倍[2]，當有車門、車窗的存在，車輛變形時這些附件勢必會承擔載荷，還會導致測得的門洞變形量也會偏小，這樣會使我們對白車身車身剛度值產生誤判，進而得不到準確剛度值。

3.3 加載位置與加載方式

對于扭轉剛度試驗，加載位置，各試驗者加載點均為減震器安裝位置。對于彎曲剛度試驗，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心位置，對于白車身一般加在前后排座椅之間,分散加載法指在每個座椅都同時施加載荷，合力大小等于集中載荷大小。如若把白車身看成彎曲剛度均勻的簡支梁，就能很明顯的感受到集中加載與分布加載的區別，如圖3、圖4所示。其中L為梁長度，F為集中力，q為分布力，q=F/L。根據材料力學計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。但是由于白車身結構復雜，前軸至后軸之間的各點的剛度分布都不均勻的，將其看作簡支梁只能理論上分析施加集中力與施加分布力區別，對于獲得準確剛度數值無幫助。

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加載[3-6]，分級加載的好處是可以觀測不同載荷條件下白車身的變形趨勢情況，如若后面某一次曲線趨勢出現異常，可以根據趨勢分析出白車身薄弱點，較準確的發現車身變形情況。加載力力值大小不同研究者都有自己的選擇，因為測量白車身剛度都是在白車身自身彈性限度內開展的，如果白車身強度足夠，在不同加載力下，其他條件相同，所得的剛度值應該是近似的。

3.4 約束方式

在做彎扭剛度試驗時，每一個試驗者都希望盡可能的模擬白車身在整車上的真實安裝狀態，以最合理的安裝姿態得到最實際的試驗結果，由于目前沒有統一的試驗方法，導致實驗過程中的約束方式各不相同，特別是彎曲試驗[4,7-10]，見表2所示，其中數字代表約束位置的6個方向自由度（1、2、3分別代表x、y、z三個方向平動約束，4、5、6分別代表x、y、z三個方向轉動約束）。

表2 彎曲試驗約束方式

而約束方式的不同，對試驗結果的影響明顯，彎曲結果可能相差1倍之多[11]。表2中序號8表示全約束，由于約束方式的多變，有學者提出了最小約束法[4]，通過對比分析，發現過度約束會使車身產生附加內應力，導致所測剛度值偏大。

4 結論

白車身彎扭剛度試驗的目的是為了為汽車白車身的設計提供指導方向，從而提升汽車的綜合性能。有本文研究可以看出，由于試驗方法的不統一，即使對同一個白車身進行試驗，得到的剛度值可能各有不同。所以要評價一個白車身的剛度值，試驗條件必須一同考慮，否則結果沒有意義。目前由于各大汽車廠商試驗方法的多樣性的存在，導致不同汽車廠商之間試驗結果相互可參考性降低。為節約資源、提升效率，方法統一、便于開展的試驗方法很有必要被討論出來。