基于對標的商用白車身靜態剛度試驗與分析

摘要：白車身剛度是車身開發階段研究的重要內容之一，對汽車穩定性、舒適性等具有十分重要的意義。針對某款商用車白車身，進行靜態扭轉和彎曲剛度實驗，并將樣車與標桿車實驗數據進行對比分析、評價，得出樣車剛度性能指標及進一步改進方向。

關鍵詞：樣車；靜剛度；標桿車；對標分析

中圖分類號：U463.82 文獻標志碼：A 文章編號：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過程中，采用正向設計流程選定標桿樣車，并進行相關剛度性能試驗，建立車身整體剛度及門窗開口變形等指標。同時，在產品設計初期進行CAE仿真分析，完成初步車身對標工作。在樣車試制階段，進行樣車白車身靜態剛度實驗，一方面修正有限元模型，另一方面與標桿車剛度性能試驗數據對比分析，發現樣車不足及結構有待進一步改進之處，為新車型開發積累數據及設計基礎［1］。圖1為該白車身CAE模型，圖2為靜態剛度試驗對標分析基本流程。

1 試驗測試系統與方法

1.1 靜剛度測試系統

靜剛度測試系統包括靜剛度試驗臺、加載裝置、測試及數據采集系統。

（1）靜剛度試驗臺

靜剛度試驗臺主要是依據該車身結構以及前后懸架的安裝形式，采用專用夾具將白車身與試驗臺剛性連接，車身前后調平，中軸線和扭轉橫梁中心線一致。對于彎曲剛度測試和扭轉剛度測試，試驗臺前T形支架的狀態是不同的，后支架始終處于固定狀態。彎曲剛度測試時，前T形支架加雙柱支撐，而扭轉剛度測試時，前T形支架繞其中心旋轉一定角度［2］。

（2）加載裝置

加載裝置包括千斤頂、力傳感器和標準砝碼。對于扭轉工況，通過放在力傳感器上的千斤頂對試驗臺前臂施加力的作用，對白車身產生扭矩；彎曲工況則根據該車的實際載重布置情況，在車身不同位置加載標準砝碼，通過支撐點對其產生彎矩。

（3）測試及數據采集系統

測試及數據采集系統包括了位移傳感器、門窗變形量規、支架、靜態應變儀、相關位移測量系統。車身變形量通過位移傳感器轉化為電阻的變化量，電腦通過靜態應變儀及應變測量系統，測出車身對應測點的變形量。

1.2 測點布置方案

根據該車型實際結構，測點布置沿左右門檻梁16點、左右前懸置2點、前風窗、后門以及左右門窗，共計33個測點構成了較為完整的測點分布［3］。以上各測點位移傳感器測量車身各點在彎曲/扭轉工況下的垂直變形以及各門窗框對角線變化情況。右門檻梁測點布置如圖3，門窗測點布置如圖4。

2 試驗結果

2.1 彎曲剛度

車身前后水平調正，中軸線和T形橫梁中心線調整到一致，并在試驗臺支架前端增加雙柱支撐。車身的彎曲剛度測量的加載方法通常有中央一點加載荷和按座椅布置加載兩種方法，本試驗采用按座椅位置加載，載荷有發動機艙和乘客倉兩部分，分六次進行加載［2］，加載總質量為1 577 kg。左右門檻梁各測點變形位移見圖5和圖6。

計算白車身彎曲剛度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 扭轉剛度

車身在凹凸不平的道路上，抵抗變形的能力稱為扭轉剛度。按照車前軸滿載1 540 kg負荷考慮，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。加載點距轉軸點距離為0.895 m，換算成加載力為14 847 N。

試驗采用分級加載，共分5級，扭轉分為左右兩側加載；各進行三次重復測量，按三次測量取平均繪制扭轉變形曲線及計算車身扭轉剛度。圖7、圖8給出了左、右加載測試中左右門檻梁的變形量。

白車身扭轉剛度按式（4）［4-6］計算：

Kniu=■（4）

式（4）分母項為車身前后軸間相對扭轉角，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值drl、drr為后軸懸置處左右傳感器變形量絕對值；Yf、Yr為前軸、后軸左右傳感器距離。

按左右懸置點變形量最大計算，得白車身扭轉剛度為：

Kmin=7116 Nm/°（5）

3 對標分析

基于前期實驗數據，兩款車身剛度性能數據對比見表1。

3.1 對標分析

（1）扭轉工況

扭轉工況下，標桿車的扭轉剛度要高于樣車。通過對比具體的一些試驗數據發現，樣車局部變形較大，后門框對角線變形量也較標桿車變形要大，而其他門窗對角線變形量，差異較小。

（2）彎曲工況

彎曲工況下，標桿車的彎曲剛度也優于樣車。通過比較具體試驗數據，標桿車門檻梁在彎曲加載時變形量很小，中部最大位移為1.28 mm，而樣車門檻梁中部最大形變達到2.03 mm，在較大載荷下，尾部明顯下沉。

3.2 分析結果

由表2可以看出，扭轉工況下，樣車的后門框對角線變形量過大，這可能導致在該商用車的后兩扇門、門與框之間的碰撞，甚至卡死，這對乘車的舒適性及安全性會帶來不利的影響。彎曲剛度方面的不足主要是門檻梁的形變過大，這也會對車身結構性能造成很大影響。一方面，標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象，因此，樣車本身彎曲剛度要略大于計算值。

核對開發階段的試驗驗證條款后，在后門框結構以及門檻梁的剛度方面應予以加強。考慮到改變部件的材料或厚度可能會帶來成本的大幅度增加，可以加強后門框部分立柱斷面，使其剛度足夠大；或采取進一步措施加強車身整體與局部剛度，如車身底架可以采用X型結構形式，結合CAE仿真分析，為下一階段樣車剛度的提高做準備。

4 結語

在產品開發流程中，產品的試制和驗證尤為重要，一般要經過若干輪，因此對標分析就顯得尤其重要。本文中，白車身的靜剛度試驗只是車身試驗眾多項目中的一項，通過該試驗以及對標分析，發現車身在設計方面的不足，通過改進優化，提高新產品在市場中的競爭力。

參考文獻：

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