王金亮，夏添，石見白

（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心［襄陽］，襄陽 441004）

天窗對某車型白車身底板變形影響的研究

王金亮，夏添，石見白

（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心［襄陽］，襄陽 441004）

近年來，中國的汽車工業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)形成了比較完整的工業(yè)體系，成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)。白車身是汽車比較關(guān)鍵的部分，它的剛度是評價車輛設(shè)計可靠性和整車安全性能的重要指標(biāo)，白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分析是整車開發(fā)設(shè)計過程中必不可少的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在越來越多的汽車都配置了天窗，它的存在對車身剛度結(jié)果產(chǎn)生的影響值得研究。因此，通過測量帶天窗與不帶天窗的兩臺白車身的靜剛度，來研究天窗對白車身底板的影響具有很好的價值。

白車身；天窗；白車身靜剛度；彎曲剛度；扭轉(zhuǎn)剛度

王金亮

畢業(yè)于大連理工大學(xué)汽車工程專業(yè)，現(xiàn)于國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）工作，主要研究方向：車身及附件試驗。

現(xiàn)在的轎車大部分都是采用了全承載式的車身結(jié)構(gòu)，以此來達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化的目的。由于承載式車身在幾乎承載了轎車使用過程中的所有載荷（主要包括彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷），因此，若轎車車身的剛度不足以承受這些載荷，將會出現(xiàn)門框、門窗、發(fā)動機罩開口、行李艙開口等處的變形量過大，從而會導(dǎo)致車門卡死、玻璃破碎、密封不嚴(yán)導(dǎo)致的滲風(fēng)、滲水以及內(nèi)飾脫落等嚴(yán)重問題。而且車身剛度設(shè)計不合理最終還會直接或者間接的影響汽車的動力響應(yīng)、NVH性能等，對汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，從而影響汽車的主動安全性。

白車身剛度試驗的加載方式是通過模擬實際的邊界條件，施加集中載荷或者按照乘員和行李艙的承載情況進(jìn)行加載。車身受載后，車身地板以及車身各個門洞開口會隨之產(chǎn)生變形，通過布置在車身地板關(guān)鍵位上的傳感器測量車身地板的變形量，通過記錄的這些試驗數(shù)據(jù)可以計算出整個白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。天窗作為高端豪華車的配置，天窗的存在究竟對車身結(jié)構(gòu)和剛度產(chǎn)生了哪些影響，是很有研究價值和必要的。本文以兩臺相同型號的車輛（其中一臺帶天窗，另一臺不帶天窗），通過測量兩者的白車身靜剛度來研究天窗對其底板產(chǎn)生的影響。

1　試驗測量系統(tǒng)

1.1靜剛度測量系統(tǒng)的組成

白車身靜剛度試驗所需的試驗設(shè)備及儀器包括靜態(tài)加載試驗臺、百分表、拉壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)重塊等。整個白車身靜剛度測量系統(tǒng)主要包括機械約束裝置、加載裝置和測量系統(tǒng)。

白車身靜剛度測試系統(tǒng)的主要裝置功能如下：

1.機械約束裝置：其主要是用來約束車身的前部和后部，前后四個固定點采用四個十字鉸接與車身緊固件相連。

2.加載裝置：后部采用上下可繞中間軸旋轉(zhuǎn)的杠桿結(jié)構(gòu)，前部采用龍門架結(jié)構(gòu)固定。進(jìn)行彎曲剛度試驗時，固定住后部的杠桿旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在左右兩側(cè)靠近B柱的位置各找到一測點（大致為前后軸的中間點），在其正上方架一槽鋼，通過槽鋼在槽鋼兩端對稱給車身加載，施加載荷結(jié)構(gòu)由絲桿加載機構(gòu)和拉壓力傳感器組成；進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度試驗時，松開前部杠桿旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在杠桿上距離旋轉(zhuǎn)中心1米處施加所需載荷，分為左側(cè)扭轉(zhuǎn)加載和右側(cè)扭轉(zhuǎn)加載。

3.測量系統(tǒng)：車身底部的位移變形通過百分表測量。

1.2白車身的固定

車身坐標(biāo)系的定義：取車輛前進(jìn)方向為X軸的正向，前進(jìn)方向左側(cè)為Y軸的正向，垂直向上為Z軸的正向，坐標(biāo)軸符合右手定則。

白車身固定示意圖如圖2所示。白車身前部在前懸架塔形支撐位置處固定，通過十字鉸接將兩個位置均固定在支架橫梁上，位置相對于后部杠桿旋轉(zhuǎn)中心對稱分布。白車身后部在后減震器安裝孔位上固定，也通過十字鉸接將兩個位置固定在后部的可旋轉(zhuǎn)杠桿龍門架上，后部仍然相對于杠桿旋轉(zhuǎn)中心對稱分布。

2　測點分布及試驗方法

2.1試驗測點的布置

車身底部垂向位移測點的分布

試驗測點應(yīng)布置在能體現(xiàn)白車身總體剛度的部位上，全面的反映整體的彎曲與扭轉(zhuǎn)特性，同時也要便于測量儀表的安裝調(diào)試。該試驗中測點主要選在車身底部前后位置各主要承載縱梁、左右門檻梁下部及保險杠處。一共有38個位移測點，利用百分表來測量各個測點的Z向位移變化量。

2.2試驗加載的確定

2.2.1彎曲剛度加載

在進(jìn)行彎曲試驗時，載荷通過加載桿施加在前后支點中心位置處，載荷大小按照90 kg、225 kg、305 kg三種載荷順序加載，加載裝置與車身門檻接觸，接觸寬度100 mm。若加載位置與車身B柱干涉，可將加載位置向車頭方向移動，直到不干涉為止。

試驗共進(jìn)行三次，并且必須保證三次試驗數(shù)據(jù)的變化在允許變化范圍內(nèi)。各測點百分表的回零必須均在±0.05 mm范圍內(nèi)，以此保證各測點變形正常，且均未出現(xiàn)塑性變形。各測點三次加載的測量數(shù)據(jù)與平均值的偏差必須均在±0.03 mm范圍內(nèi)，以此保證數(shù)據(jù)的一致性。最后對三次的試驗數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行計算。

2.2.2扭轉(zhuǎn)剛度加載

在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度試驗時，白車身前端連接處完全固定在龍門架上，后部通過杠桿旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與車身相連，可在YZ平面內(nèi)（車身的橫切面）旋轉(zhuǎn)，通過絲桿加載機構(gòu)對后部左右兩側(cè)分別進(jìn)行加載。兩加載點到杠桿旋轉(zhuǎn)中心的距離均為1 m，扭轉(zhuǎn)載荷采用從500 N（即500 N·m）按照每級載荷為500 N逐級加載到2 000 N（即2 000 N·m）。在駕駛室同側(cè)加載定義為左扭工況，另外一側(cè)定義為右扭工況。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1彎曲剛度

彎曲剛度EI 常用車身載荷與門檻或縱梁處的最大彎曲撓度的比值來衡量，彎曲剛度的計算公式為：

式中：F 為加載力； δzmax為 最大彎曲撓度。

彎曲剛度最大載荷下的試驗結(jié)果如圖2～3所示：

取中部加載位置底板上兩個對稱點作為剛度值的參考點，通過彎曲剛度試驗測得兩個測量點在中部最大載荷下的彎曲撓度值，取兩點撓度值的平均值，中部最大載荷已知（F=5×65×9.8=3 185 N），由式（1）可計算出白車身的彎曲剛度見表1：

表1　

3.2扭轉(zhuǎn)剛度

扭轉(zhuǎn)剛度GJ用來表征車身在凹凸不平的路面上抵抗斜對稱扭轉(zhuǎn)變形的能力。由于在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度試驗時，車身前部兩個支撐點雖然完全固定，但是實際上也會產(chǎn)生一些較小的位移變化，所以為了消除前部兩個支撐點位移變化產(chǎn)生的影響，可以采用下式來計算扭轉(zhuǎn)剛度：

式中：M為扭矩；L1、L2分別為車身前部兩支撐點處測點和后部兩支撐點處測點間的距離；△Z1、△Z2、△Z3、△Z4分別為4個支撐點處測點的變形量。

扭轉(zhuǎn)剛度只取最大載荷下的變形情況進(jìn)行比較，最大扭轉(zhuǎn)載荷為2 000 N·m，兩種車身只有有無天窗的區(qū)別，兩者的L1= L2 = 980 mm，見表2。

表2　

3.4結(jié)果分析

車身總剛度是反映車身在各種典型受載工況下的一種綜合能力，剛度值越大，則說明車的剛性越好。根據(jù)國外汽車的設(shè)計要求，轎車的彎曲剛度，國際上一般使用的設(shè)計參考值為12 200 N/mm［1］；而對于轎車的扭轉(zhuǎn)剛度來說，一般設(shè)計的參考值為13 000 N· m/（°），較高些的要求為16 000 N· m/（°）［2］，見表3。

表3　

對于本次試驗中的兩個白車身來說，無論是彎曲剛度還是扭轉(zhuǎn)剛度，帶天窗的白車身剛度均比不帶天窗的白車身剛度要差一些。以不帶天窗白車身的剛度值為參考，帶天窗白車身的彎曲剛度值下降了15.6%，扭轉(zhuǎn)剛度值下降了13.9%。對于彎曲剛度來說，不帶天窗的試驗結(jié)果與國際上一般使用的設(shè)計參考值較為接近，而帶天窗的彎曲剛度就離設(shè)計參考值相差較遠(yuǎn)。對于扭轉(zhuǎn)剛度來說，不帶天窗與帶天窗的白車身的扭轉(zhuǎn)剛度值均達(dá)到了較高的要求，只是不帶天窗的白車身剛度值更大一些，扭轉(zhuǎn)剛度更好。對于本試驗中車型來說，帶天窗與不帶天窗的白車身彎曲剛度均未達(dá)到一般設(shè)計參考值的要求，但是兩者的扭轉(zhuǎn)剛度均達(dá)到了一般設(shè)計參考值的較高要求。該車屬于SUV系列車型，擁有更好的扭轉(zhuǎn)剛度，說明了該車型在凹凸不平路面上具有很好的抵抗斜對稱扭轉(zhuǎn)變形的能力，但是該車型的彎曲剛度還有待加強。

分析1：從彎曲剛度的試驗曲線上（圖2～3）可以看出，不帶天窗與帶天窗白車身的外圍載荷變形曲線形狀保持一致，只是數(shù)值上有差異；而對于內(nèi)側(cè)的中縱梁來說，兩者卻有較大差別。不帶天窗的白車身內(nèi)側(cè)中縱梁的變形曲線均比較貼近外圍的變形曲線，說明不帶天窗的白車身的地板在受到彎曲載荷時每一個橫切面幾乎是整體下沉的；而帶天窗的白車身的內(nèi)側(cè)中縱梁的變形曲線完全偏離了外圍變形曲線，幾乎變成了一條直線，其外圍的變形趨勢雖然與不帶天窗的白車身是一致的，但變形量增大，而地板內(nèi)側(cè)受彎曲載荷時變成每一個縱切面幾乎整體下沉。相對于不帶天窗白車身橫切面上，外圍變形增大，內(nèi)側(cè)變形是峰頂值減小接近兩端的值，并且內(nèi)側(cè)的峰頂值前移。

分析2：比較兩者的扭轉(zhuǎn)剛度，從兩者的扭轉(zhuǎn)剛度曲線（圖4～7）比較看出，帶天窗的白車身變形最大值增大，整體變形值也均增大，內(nèi)外側(cè)曲線的開口均增大，說明帶天窗的白車身扭轉(zhuǎn)變形的更加厲害，抗扭能力變差。還有通過曲線的前端變形比較可看出，帶天窗的白車身出現(xiàn)了輕微的交叉現(xiàn)象，而不帶天窗的白車身前端變形幾乎是平行的，說明在施加扭轉(zhuǎn)載荷時，帶天窗的白車身前端出現(xiàn)了對稱側(cè)上翹的現(xiàn)象，即在左側(cè)施加扭轉(zhuǎn)載荷時，車頭的右前部位上翹，在右側(cè)施加扭轉(zhuǎn)載荷時，車頭的左前部位上翹，也由此說明帶天窗白車身的抵抗斜對稱扭轉(zhuǎn)變形的能力變差。

4　結(jié) 語

通過試驗研究得到了某車身底部各測點的Z向位移，反求出白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，從而比較得出有無天窗對某車型白車身底部變形的影響。建立了白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度試驗系統(tǒng)，對其彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了試驗研究。試驗方案中固定方式及加載方式較為合理，試驗結(jié)果的重復(fù)性也很好，剛度的測試方法同樣適用于其它的車型。

［1］段偉， 石琴， 張雷等.轎車白車身剛度分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2008，31（6）：843～847.

［2］趙常虎， 余海東， 郭永進(jìn).影響轎車白車身扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究［J］.機械設(shè)計， 2007，24（8）：66～68.

［3］張攀， 雷剛， 廖林清.某汽車白車身剛度分析［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報， 2008，22（4）：12～15.

［4］高云凱.汽車車身結(jié)構(gòu)分析［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社， 2006.

［5］黃金陵.汽車車身設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社， 2007.

［6］喻鎮(zhèn)濤、李鴻飛、熊燕.EQCT-453-2009《乘用車車身剛度及門洞開口變形試驗》［S］.2009.

專家推薦

李鴻飛：

目前公開發(fā)表的文章較多以假設(shè)條件下理論分析。以試驗實測數(shù)據(jù)分析較少，較具有實用性。本文較系統(tǒng)地研究復(fù)雜的車身總成剛度測試方法。以及介紹了車身剛度測試數(shù)據(jù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用。有較好推廣借鑒價值。

Study Deformation of the Skylight Effected on Body in White

WANG Jin-liang， XIA Tian， SHI Jian-bai
（ National Automobile Quality Supervision and Test center ［Xiangyang］， Xiangyang 441004， China ）

In recent years， China's auto industry has developed rapidly， it has formed a relatively complete industrial system， and become the pillar industry of our country. Body in White is a key part of automobile， its stiffness is an important index of reliability evaluation of vehicle design and vehicle safety performance， The torsion and bending stiffness of body in white is the essential steps in the process of vehicle development and design. Now more and more cars are configured with the skylight，it is worth studying the impact of the result of the car body stiffness. Therefore， by measuring the static rigidity of the body in white with a skylight and the body in white without a skylight， it has the very good value to study the skylight effected on body in white.

Body in White； sunroof； white body static stiffness； bending stiffness and torsion rigidity

U463.82+1

A

1005-2550（2015）06-0065-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.06.013

2015-07-07