某轎車白車身靜態剛度試驗方法研究*

朱天軍 孔現偉 索 乾 賈繼龍 朱玉剛

（1.河北工程大學；2.中國汽車技術研究中心）

1 前言

在現代轎車的設計開發過程中，轎車車身大多采用全承載式結構，這種結構幾乎承載了轎車使用過程中的各種載荷，主要包括扭轉載荷和彎曲載荷等。在這些載荷作用下，轎車車身的剛度特性具有舉足輕重的作用。若轎車車身剛度不合理，將直接影響轎車的可靠性、安全性、操縱穩定性、動力響應特性、NVH性能和燃油經濟性等關鍵性指標[1～5]。因此，現代轎車的設計都是在汽車質量盡量輕的前提下，最大限度地提高汽車剛度，通過對轎車車身剛度的研究來改進結構的設計。

轎車車身結構靜態剛度分析是其動態分析的基礎，轎車車身結構的主要靜態工況分析一直為國內外汽車界所重視。本文通過對某轎車白車身靜態彎曲剛度和扭轉剛度試驗測試及分析，指出了該車型存在的剛度不足問題，明確了該車型概念設計階段的改進方向。

2 白車身靜態剛度理論計算

白車身靜態剛度包括扭轉剛度和彎曲剛度，其中扭轉剛度由前、后風窗和四門框對角線的變形量及車身扭轉角來衡量，彎曲剛度可由前懸架與后懸架之間車身底部垂直變形量和座椅位置垂直變形量來衡量。

2.1 扭轉剛度

扭轉剛度表示車身在凸凹不平路面上行駛時抵抗斜對稱扭轉變形的能力。當車身受到扭矩作用時產生扭轉角,車身結構的扭轉剛度GJ為單位扭轉角所受到的力，扭轉剛度計算式為:

式中，M為扭矩；θ為軸間相對扭轉角。

某截面i扭轉角如圖1所示。

扭轉角計算式為:

式中，θi為同一截面兩測點間的扭轉角；ΔR為右側縱梁（或門檻梁）測點的撓度；ΔL為左側縱梁（或門檻梁）測點的撓度；L為同一截面i兩測試點間的寬度。

2.2 彎曲剛度

彎曲剛度EI是指車身在負載下抵抗彎曲變形的能力，用車身所加載荷與縱梁或門檻梁處最大彎曲撓度的比值來衡量，計算式為:

式中，∑F為車身上所有加載力；δmax為車身上最大彎曲撓度。

3 白車身靜態剛度測試系統

3.1 測試設備

白車身靜態剛度試驗臺由待測白車身、測試設備、加載裝置和固定裝置4部分組成。

待測白車身由前圍、側圍、后圍、頂蓋、車門、地板和翼子板等組成，并附帶前擋風玻璃；測試設備包括位移傳感器和力傳感器，其布置形式如圖2所示。通過測試加載負荷和變形量，可得出彎曲剛度和扭轉剛度。加載裝置包括加載電動機、橫桿梁和拉桿；固定裝置包括T形槽地板、固定柱及夾具。

3.2 測試流程

白車身靜態剛度測試流程如圖3所示。

3.3 測點布置

進行扭轉試驗和彎曲試驗時，需要將白車身前、后、左、右水平調整，使白車身左、右門檻梁處于同一水平位置。

試驗時傳感器布置應注意以下幾點。

a.在車身上體現總體剛度的關鍵位置布置測點，如門檻梁、前縱梁、地板加強筋等。

b.如圖4所示，在車身兩側布置傳感器測點時，必須在前、后懸架位置處各布置一點，如車身右側的R3和R10；在前懸架與后懸架之間依次布置若干個點，如車身右側的 R4、R5、R6、R7、R8和 R9，兩測點間距離為 300～500 mm；在后懸架位置沿X軸反向在縱梁上布置2個點，如車身右側R11和R12，在前懸架位置沿X軸正向在縱梁上布置2個點，如右側車身R1和R2。同理，在車身左側依次布置測點，兩側測點沿車身中心線對稱。

c.風窗和門窗的傳感器應呈對角線交叉布置，兩傳感器之間應留有一定間隙，以避免在車身扭轉過程中兩傳感器出現干涉。

3.4 測試方法

3.4.1 車身扭轉剛度測試

3.4.1.1 試驗載荷

在扭轉試驗中，在白車身前懸架塔形支撐處施加扭矩，分 4級加載，依次為 1020 N·m、2040 N·m、3060 N·m和4080 N·m，左右往返至少各進行1次。

3.4.1.2 試驗準備

為消除安裝或車身間隙導致的試驗誤差，在試驗前需要對車身進行往返預加載各1次，預加載扭矩為最大加載扭矩的1/2。

3.4.1.3 約束方式

在扭轉試驗時，前懸架與支撐盤通過螺栓剛性連接，在支撐盤與支撐架之間通過球鉸鏈（通過螺栓釋放自由度）連接，并釋放X方向轉動，如圖5a所示；車身后懸架要進行完全約束，無自由度，如圖5b所示。

3.4.1.4 試驗結果分析

通過扭轉試驗可得到各測點在各級扭矩作用下的扭轉角，表1為同截面下各對稱測點（i1～i12）在各級扭轉力矩下的扭轉角。各測點扭轉角和扭轉剛度曲線分別如圖6和圖7所示。

表1 各對稱測點在同截面各級扭轉力矩下的扭轉角

圖7中，YL=25954.4x+6.58為白車身順時針加載擬合扭轉剛度方程，剛度值YL=25954.4 N·m/（°）；YR=24092.4x+82.72為白車身逆時針加載擬合扭轉剛度方程，剛度值 YR=24092.4 N·m/（°）。

由圖7可知,白車身扭轉剛度為順、逆剛度的平均值， 即 GJ=（25954.4+24092.4)/2=25023.4 N·m/（°），CAE仿真值為 27012 N·m/（°）， 試驗扭轉剛度與CAE仿真值誤差為7.95%，在允許誤差范圍內。

前門窗、后門窗和后風窗位移傳感器布置位置如 圖 8 所 示 。 圖 8 中 ，LEFR1、LEFR2、LERE1 和LERE2為左側車門測點；REW1和REW2為行李箱蓋風窗測點；RIFR1、RIFRE2、RIRE1 和 RIRE2 為右側車門測點。

后風窗和門窗變形量見圖9和表2。圖9中，FRW1和FRW2為前風窗測點。

從圖9可看出，在4080 N·m扭矩下，后風窗兩對角線位置突出變形，對角線1變形量為1.408 mm，對角線2變形量為1.746 mm，表明后風窗結構較薄弱，需要進一步改進和優化結構。圖10為后風窗薄弱位置圖。

3.4.2 車身彎曲剛度測試

在進行彎曲測試前，在踏板和前、后排座椅的下方縱梁上對稱布置6個位移傳感器，如圖11所示。

表2 后風窗和門窗變形量

3.4.2.1 試驗載荷

在彎曲試驗前，將風窗和門窗的傳感器去掉，并釋放沿車身Y軸旋轉的自由度。彎曲試驗時，在白車身前、后排座椅固定位置處分4級進行加載，分別加載 1500 N、3000 N、4500 N 和 6000 N。

3.4.2.2 試驗準備

試驗前對車身進行預加載，加載力為試驗最大加載力的1/2，以消除安裝所產生的試驗誤差。

3.4.2.3 試驗結果與分析

門檻梁和縱梁上各測點區域變形量如表3和圖12所示。

表3 車身左右各對稱點區域變形量平均值

由表3和圖12可知，彎曲剛度EI=6000/0.218=27522.9N/mm，CAE仿真分析的彎曲剛度為29753N/mm，試驗彎曲剛度與CAE仿真誤差為8.1%，在允許誤差范圍內。

座椅和踏板處的垂直變形量分別如表4和圖13所示。

表4 座椅處和踏板處垂直變形量

由表4和圖13可知，座椅處地板最大垂直變形量為0.656 mm，說明白車身駕駛員座椅和副駕駛座椅的地板位置相對較薄弱；在同一截面上，測點 RD2（圖 11d）的變形量比測點 LD2（圖 11c）的變形量大，這與該白車身結構有關，一是此處與周圍結構之間有漏焊，二是此處為加載位置，局部變形量較大。

4 結束語

建立了白車身靜態剛度試驗測試系統并提出理論計算方法，利用該測試系統對某轎車白車身的彎曲剛度和扭轉剛度進行了試驗測試，得到了該白車身在彎曲、扭轉靜態工況下的剛度及關鍵部位的剛度變化規律。試驗結果與CAE計算基本吻合；并發現該轎車白車身座椅地板剛度較低，為廠家提供了改進方向。

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