白車身彎扭剛度測試技術與評價方法

李偉 端木瓊 李占方

（中國汽車技術研究中心有限公司）

白車身彎扭剛度包括扭轉剛度和彎曲剛度，分別是指白車身在受到扭轉、彎曲載荷時，車身抵抗扭轉、彎曲變形的能力。白車身彎扭剛度是汽車的基礎性能，其好壞直接影響汽車的安全性、可靠性、NVH性能、經濟性、舒適性以及操控性等[1-2]。如果白車身彎扭剛度不足，汽車在過坑洼路面時，風窗洞口變形大會導致天窗漏雨、進風以及噪聲傳遞等[3-4]。白車身剛度測試的方法有多種，同一款汽車采用不同方法得出來的結果差異很大。文章介紹了多種測試方案，通過分析各個方案的優缺點，確定出一套較好的測試方法，并在該方法的基礎之上，總結出各個車型的剛度評價標準。

1 白車身彎扭剛度測試原理

1.1 白車身扭轉剛度

對白車身后懸沿x，y，z向的移動自由度進行約束，在前懸處施加一對相反的力（F/N），測量車身前后懸處z向的變形量。通過測點z向的變形量和測點y向之間的距離，間接計算出前后懸的相對扭轉角，然后通過加載力矩和前后懸的相對扭轉角計算出白車身扭轉剛度值，扭轉角計算示意圖，如圖1所示，白車身扭轉剛度加載示意圖，如圖2所示。

圖1 第x對測點的扭轉角計算示意圖

圖2 白車身扭轉剛度加載示意圖

前、后懸處扭轉角的計算公式為：

式中：θf，θr——前、后懸處扭轉角，（°）；

Lf，Rf——前懸左、右側z向的變形量，mm；

Lr，Rr——后懸左、右側z向的變形量，mm；

Df，Dr——前、后懸左右2個測點的y向距離，mm。

前后懸的相對扭轉角（θ/（°））的計算公式為：

根據加載力矩和前后懸相對扭轉角的關系，得出線性回歸方程。

式中：T——加載力矩，N·m；

c——常數，c=1；

Kt——扭轉剛度值，N·m/（°）。

1.2 白車身彎曲剛度

對白車身后懸沿x，y，z向的移動自由度進行約束，前懸處約束沿y，z向的移動自由度，在座椅橫梁處施加一定的彎曲載荷。通過測點z向的變形量和測點距離前軸的距離，計算出測點的誤差補償量，車身的變形量減去誤差補償量得出車身的撓度，然后通過加載力和車身的撓度計算出白車身彎曲剛度值。距離前軸為b的測點的彎曲計算示意圖，如圖3所示。白車身彎曲剛度加載示意圖，如圖4所示。

圖3 距離前軸為b的測點的彎曲計算示意圖

圖4 白車身彎曲剛度加載示意圖

前懸z向變形量的平均值（S/mm）為：

用相同的方法計算出后懸和門檻梁上的測點平均值。

距離前軸為b的測點z向的誤差補償量（Δ/mm）為：

式中：a——前后懸之間的x向距離，mm；

b——測點距前軸的x向距離，mm；

Rr1——后懸z向變形量的平均值，mm。

距離前軸為b的測點補償后的變形量（M1/mm）為：

式中：M——距離前軸為b的測點z向的變形量，mm。

計算出所有測點補償后的變形量，選取補償后變形量最大的點，利用該點的z向變形量和加載力的關系，得出線性回歸方程。

式中：Kb——彎曲剛度值，N/mm。

2 試驗方法的確定

2.1 白車身扭轉剛度測試方法

1）方案1。后懸約束沿x，y，z向的移動自由度，前懸通過球角連接到2個立柱上，立柱剛性固定到T型臺架上[5]，如圖5所示。對T型臺架施加2 000 N·m的載荷，測量車身前后懸的相對扭轉角。

圖5 方案1扭轉工況示意圖

2）方案2。后懸約束沿x，y，z向的移動自由度，前懸通過球角連接到2個立柱上，立柱通過球角連接到T型臺架上，如圖6所示。對T型臺架施加2 000 N·m的載荷，測量車身前后懸的相對扭轉角。

圖6 方案2扭轉工況示意圖

對3臺剛度不同的車型，用以上2種扭轉試驗方案分別進行剛度測試，得到數據，如表1所示；3臺車在2種扭轉試驗方案中產生的橫向位移數據，如表2所示。

表1 白車身扭轉試驗方案扭轉剛度值的對比

表2 白車身扭轉試驗方案橫向位移的對比

由表1可知，對于剛度值大的車身，2種測試方案結果差異不明顯，隨著車身剛度值的減小，2種試驗方案的差異越來越明顯。

由表2可知，對于剛度值大的車身，2種測試方案橫向位移差10%，隨著車身剛度值的減小，2種試驗方案的差異更加明顯。由于摩擦力和車身自重的原因，汽車的橫向位移不可避免。

綜上可知，方案2在扭轉剛度測試過程中，產生的橫向位移更小，更加接近汽車的真實情況，隨著車身剛度的變小，差異越來越明顯。

2.2 白車身彎曲剛度測試方法

1）方案1。后懸約束沿x，y，z向的移動自由度，前懸約束沿y，z向的移動自由度，在前后排座椅位置加載6 000 N的載荷，測量車身的撓度。

2）方案2。左后懸約束沿x，y，z向的移動自由度，右后懸約束沿x，z向的移動自由度，左前懸約束沿y，z向的移動自由度，右前懸約束沿z向的移動自由度，在前后排座椅位置加載6 000 N的載荷，測量車身的撓度。

對3臺剛度不同的車型，用以上2種彎曲剛度試驗方案分別進行剛度測試，得到數據，如表3所示。

表3 白車身彎曲試驗方案結果的對比

由表3可知，2種彎曲測試方案結果差異不明顯。

3 白車身剛度的評價方法

利用上述測試方案，對幾十款A級車進行白車身剛度試驗，得出剛度分布規律，總結出A級車型的剛度范圍，如圖7所示。

圖7 A級車白車身剛度范圍

由圖7a可知，A級車扭轉剛度的范圍在10 000～30 000 N·m/（°），其中扭轉剛度較低的占20%，在10 000～14 500 N·m/（°）；扭轉剛度較高的占20%，在22 000～30 000 N·m/（°）；扭轉剛度中間的占60%，在14 500～22 000 N·m/（°）。

由圖7b可知，A級車彎曲剛度的范圍在11 000～33 000 N/mm，其中彎曲剛度較低的占20%，在11 000～14 000 N/mm；彎曲剛度較高的占20%，在25 000～30 000 N/mm；彎曲剛度中間的占 60%，在 14 000～25 000 N/mm。

綜合上述內容可以得出，對于A級車，扭轉剛度低于14 500 N·m/（°）的車型，認為扭轉剛度值較弱；扭轉剛度值處于14 500～22 000 N·m/（°）的車型，認為扭轉剛度值一般；扭轉剛度高于22 000 N·m/（°）的車型，認為扭轉剛度較強。對于彎曲剛度低于14 000 N/mm的車型，認為彎曲剛度較弱；對于彎曲剛度處于14 000～25 000 N/mm的車型，認為彎曲剛度一般；彎曲剛度大于25 000 N/mm的車型，認為剛度較強。

4 結論

通過2種白車身扭轉剛度測試方案的對比，得出一種更加接近真實工況的試驗方案，該方案改善了試驗過程中的側向位移；利用該方案，對幾十款A級車進行彎扭剛度試驗，得出A級車的彎扭剛度評價標準，為企業研發新車型提供參考依據，避免了后期車型剛度不足導致的各種問題。

文章只是針對A級車的彎扭剛度給出了評價標準，還不夠細化。未來將對SUV中的A00，A0，A，B，C，D級車等，對轎車中的 A00，A0，A，B，C，D級車等進行評價標準的研究，以及研究推出車身彎扭剛度測試的國標。