普通乘用車白車身彎扭剛度試驗約束系統的研究

向曉峰 陳 軍 譚倫兵

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

普通乘用車（即轎車）白車身的彎扭剛度是指白車身在靜態受載時表現出的抵抗彎扭變形的能力，用于衡量車輛正常行駛時的許可變形。白車身彎扭剛度特性試驗所得彎扭剛度值對于相關企業具有相當大的經濟價值和技術價值。在這類試驗中，試驗對象復雜、投入設備多，影響試驗及其結果的環節一環緊扣一環，需要試驗人員理清其中的主要環節并加以合理實施。在整個試驗過程中，約束系統的建設是其中重要的構成部分，不同的約束點用不同形式的接頭能夠產生差異很大的試驗結果。該文希望通過對約束系統設計的討論，得到一個合適的選擇。

1 白車身彎扭剛度試驗約束系統的分析

1.1 白車身彎扭剛度試驗約束系統的重要作用

1.1.1 對白車身彎扭試驗設備體系重要的一環

白車身彎扭剛度試驗的完成，主要包括6個環節的實施：1）對象的選擇；2）對象的裝夾；3）測量點布置；4）設備體系建設；5）加載要求；6）數據處理。試驗對象的裝夾（即約束系統的構建）與設備體系建設密切相關，對試驗承擔著重要的作用。

整個試驗設備體系構建應，如圖1所示：

圖1 白車身彎扭試驗設備體系構成

1.1.2 對白車身彎扭剛度試驗結果重要的影響

針對白車身彎扭剛度試驗的約束系統，僅就約束點選擇不同的約束形式（接頭），使接頭所在位置擁有不同的自由度，就可以組合成不同的約束系統，獲得差異較大的試驗結果。以往所做驗證試驗已經證明了它對試驗結果的重要影響：

1.1.2.1 扭轉測試約束的影響

（a）后懸位置固定情況下，前支撐帶兩個鉸接接頭，所得剛度比只帶一個鉸接接頭大約60 %。

（b）后懸位置鉸接情況下，前支撐帶兩個鉸接接頭，所得剛度比只帶一個鉸接接頭大約1倍。

1.1.2.2 彎曲測試約束的影響

（a）后懸位置固定情況下，前支撐帶鉸接接頭，所得剛度比用固定接頭大約7 %。

（b）后懸位置鉸接情況下，前支撐帶鉸接接頭，所得剛度比用固定接頭大約2 %。

1.2 白車身彎扭剛度試驗約束系統的建立

1.2.1 白車身彎扭剛度試驗約束點的確立

1.2.1.1 白車身實際使用中的約束點

白車身的實際使用千差萬別，它與底盤的連接各式各樣，所形成的對白車身的約束也有很大不同：普通的乘用車前后懸可以只有12個約束點，對于高級乘用車可達20個約束點，如圖2和圖3所示。

圖2 普通乘用車白車身約束點

圖3 高級乘用車白車身約束點

1.2.1.2 白車身彎扭試驗中的約束點

白車身畢竟不能等同于整車，白車身彎扭試驗理論上是對白車身實際使用的模擬，是實際部分白車身質量評價的依據。在試驗時，白車身彎扭試驗是對白車身實際使用情況的一種提煉后，以試驗設備可以實現的方式，對白車身彎扭情況加以驗證，因此，約束點的選擇沒有納入每一個約束點，試驗設備及其操作也要求盡可能簡化。約束點的選擇中，4點約束是其中之一，也是被證明最合理的一種約束方法。其他約束方式是根據特殊需要所做的特定條件下的專項試驗，如圖4和圖5所示。

圖4 多點約束試驗

圖5 典型四點約束試驗

1.2.2 白車身彎扭剛度試驗約束對象的確立

首先，白車身彎扭剛度試驗必須明確一點：試驗對象是白車身。白車身彎扭試驗對普通乘用車的重要性，在于它的剛性值在普通乘用車各總成的剛性之中，貢獻率占比最高、價值度最大。白車身彎扭試驗就是針對白車身剛性值的測定，而非其他，如圖6所示。

圖6 各總成對整車剛度貢獻率

其次，白車身帶懸架、副車架等，不管它們是否剛性固定或者以一定狀態鎖死，所得結果都不僅是白車身的剛度，試驗結果都滲入了其他總成的影響。除非試驗目的本就為測定該狀態的剛性值，這種狀態下的試驗并不是我們所謂的白車身彎扭剛度試驗。附加總成的剛性化處理不能避免它對白車身試驗的影響，除非白車身變形大，已可以完全忽略附加總成的變化，否則白車身彎扭剛性的測定需要純粹的白車身，如圖7和圖8所示。

圖7 前懸鎖死

圖8 前副車架鎖死

那么，既然白車身彎扭試驗是對白車身剛性值的測定，就應該在白車身上選擇特殊點作為約束對象，對白車身施加約束。這些點通常選懸架減震彈簧安裝所在的減震塔，必要情況下也可選擇減震彈簧對應位置的安裝支架，象后懸減震彈簧安裝支架等。這4個點，在白車身約束點中具有特殊性：位置特殊，通常在各懸架中間位置，或者差異不大，代表了整車的軸距/輪距；作用特殊，本身就是白車身主要承重點，對其他約束點的承重也有重要影響；結構特殊，它是承載式白車身大都有的一類結構，在白車身上易于明確、規范化，如圖9和圖10所示。

圖9 約束在減震塔

圖10 約束在減震彈簧安裝支架

1.2.3 白車身彎扭剛度試驗約束接頭的確立

約束接頭對白車身彎扭試驗影響巨大，尤其是對測定扭轉剛度的影響。約束所用接頭類型分為固定接頭和鉸接接頭。應用位置分為連接白車身的上接頭和連接試驗平臺的下接頭2種。通常而言，鉸接接頭內裝球軸承，一個方向可全周旋轉，另2個方向在±6°范圍內不受約束，因為白車身彎扭的角度變化不超過3°，可以認為白車身約束點使用鉸接頭時，各向旋轉不受約束，必要時，還可以調整鉸接頭安裝方向，擴大鉸接頭適用范圍。固定接頭根據需要有多種形式，最終約束接頭的選擇，根據約束系統的選擇決定，如圖11～圖14所示。

1.2.4 白車身彎扭剛度試驗約束系統的確立

圖11 上鉸接接頭

圖12 下鉸接接頭

圖13 上固定接頭

圖14 下固定接頭

約束系統是對約束試樣所用接頭形成的約束點自由度的體系化安排。國內外對此系統的研究各有不同，主要依據試驗設備和研究目的對接頭的選擇做安排，有選擇全約束、選擇約束全部平動、選擇對4個支撐點分別約束平動、后懸全約束/前懸兩點分別安排等多種設計，4個位置選用不同的組合，試驗結果都會有差異。與接頭的不同所帶來的試驗結果差異相比，試驗設備的不同，反而帶來的試驗結果差異要小很多。

4個約束點有不同自由度，與系統相關，更與試驗目的相關。為了用一套夾具實現彎曲與扭轉兩項試驗，兩項試驗約束條件常取一致。

如圖15所示，對白車身的約束通常選4個位置（即懸架減震彈簧安裝所在的4個位置），分別用件A、B、C、D施加約束，件A、B與剛性平臺之間通過旋轉橫梁支架連接，件C、D與剛性平臺之間可以直接連接。而件A、B與旋轉橫梁連接可采用鉸接，件C、D與剛性平臺之間可以直接剛性連接。件A、B、C、D與白車身之間，可以選擇鉸接、剛性固定或其組合。

圖15 白車身彎扭試驗的約束位置

2 白車身彎扭剛度試驗約束體系的應用

2.1 白車身彎扭剛度試驗約束系統的要求

2.1.1 試驗約束系統的一般要求

白車身彎扭剛度測試合理的約束方案，應使試驗對象與試驗平臺構成一個穩定的空間結構；還必須保證約束裝置的剛度不影響白車身自身的剛度；白車身受載后，約束裝置也不能影響白車身在空間上的變形。很多試驗中，會選擇約束系統自由度為負，以便達到約束系統剛性化的目的；同時，讓約束系統中夾具的剛性遠遠超過試驗對象，這樣可利用約束系統的剛性化，使部分試驗結果盡可能理想化。但是，這種做法只是部分試驗的合理做法，并不適用于所有試驗，尤其是普通乘用車白車身彎扭試驗。夾具剛性與約束系統自由度畢竟是兩回事。

2.1.2 白車身彎扭剛度試驗約束系統剛性化的困境

對白車身彎扭試驗來說，約束系統剛性化的選擇并非合理：

（a）白車身本身就是一個剛性大的試驗對象。

（b）夾具方面由于試驗需要（特別是扭轉）不可能無限剛性化。

（c）試件與夾具兩者剛性差距相對較小（有接頭）。

（d）每種乘用車的白車身約束都不一樣，自由度大小的確定不明確。

2.1.3 白車身彎扭剛度試驗約束系統自由度的合理選擇

由前文已知：白車身剛度試驗結果受夾具影響相對較大；而且，通過約束系統剛性化實施試驗又不合理，那么，明確約束系統自由度為0就是一個合理的選擇：

（a）在約束要求的合理范圍內（要求約束系統自由度≤ 0）；

（b）可以盡可能減小設備異同對試驗結果的影響；

（c）可以盡可能減小約束剛性對試驗結果的影響；

（d）可以盡可能降低整個系統對夾具剛度的要求；

（e）可以在不同試驗體系中選擇出統一的體系，形成規范；

（f）方便試驗實施。

2.2 白車身彎扭剛度試驗約束系統的選擇

白車身彎扭剛度試驗系統包括位移傳感器、力傳感器和加載裝置、數據采集系統、結構支撐約束系統、測量平臺。典型約束系統如圖16所示，圖中A、B、C、D、E、F、G、H、I為接頭。按照推薦的系統選擇，需約束系統自由度為0（虛約束的增加看情況而定，不影響整體自由度）。

圖16 典型夾具系統示意圖

白車身彎扭試驗約束系統的建立，都要從實現基本穩定約束開始，一般從3點約束開始，逐步增加（輔助）支撐，形成有效的試驗約束系統。對不同約束，可以放開某些約束或相反，使整個系統的自由度為0，從而達成白車身試驗約束。自由度計算如下：

其中：

n—活動構件數量。

Pi—各類運動副。

WV—虛約束數量。

WP—局部自由度數量。

需要注意的是接頭連接方式的不同造成的虛約束和局部約束的影響。表1中列出了部分接頭的選擇和判斷。

3 結論

白車身彎扭試驗要通過試驗獲取合理的結果，便于對比和評價白車身彎扭剛度，為轎車設計、生產服務。在白車身彎扭剛度試驗中，約束系統的設計對最終結果存在影響：約束系統用得不一樣，試驗結果會有大的差異，尤其是扭轉測試的結果，這個差異足以影響對轎車白車身彎扭剛度的評價。對于白車身這樣的大型試件，約束系統的建立不能對連接接頭以全約束加以處理，附加總成也要適當考慮其用途。通過分析，文中提出了一種合理的約束方式，這種方式適用于測定白車身彎曲剛度和扭轉剛度。這種方式的核心在于選擇約束系統的整體自由度為0，它的目的是保證白車身受載后變形不受約束夾具的影響，最大限度地保證測試結果的準確性和可靠性，并使這類的試驗能夠有一個統一的規范，利于比較、便于實施。選擇約束系統自由度為0，在一定程度上是該項試驗的合理選擇。

表1 部分約束的分析