陸玉兵

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽 六安 237158）

基于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和機(jī)動(dòng)車節(jié)能減排的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，輕量化設(shè)計(jì)性要求成為當(dāng)前轎車設(shè)計(jì)主導(dǎo)趨勢(shì)，為了降低用材質(zhì)量，全承載式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正成為轎車車身設(shè)計(jì)首選方案，全承載式結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)在于汽車行駛過程中，車身能夠承受彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種載荷。汽車在兩種載荷作用下，轎車車身的靜態(tài)剛度特性設(shè)計(jì)對(duì)車身行駛過程中的安全性起著決定性作用。若轎車車身的靜剛度不符合要求，不僅影響著駕駛?cè)藛T的安全性、可靠性和操縱穩(wěn)定性，還影響著轎車本身的動(dòng)力響應(yīng)特性和轎車啟動(dòng)時(shí)的噪音、振動(dòng)和行駛過程中的油耗等關(guān)鍵性指標(biāo)。轎車車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)研究是建立在車身靜態(tài)剛度的基礎(chǔ)上，雖然國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始對(duì)車身靜剛度試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)研究，但這些機(jī)構(gòu)都是針對(duì)某一款車型搭建出相應(yīng)的車身剛度試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)而導(dǎo)致目前市場(chǎng)上存在的車身靜剛度試驗(yàn)臺(tái)均存在著測(cè)試不準(zhǔn)、安裝定位過約束、加載效率低等問題。因此，研究設(shè)計(jì)出適應(yīng)多種車型白車身靜剛度的試驗(yàn)臺(tái)，具有重要的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

1 車身靜態(tài)剛度理論

車身的靜剛度是指轎車在行駛過程中車身在遭遇內(nèi)、外載荷時(shí)轎車車身抵抗變形的能力，這種抵抗變形的能力是評(píng)價(jià)轎車性能的關(guān)鍵指標(biāo)。分析轎車白車身靜剛度并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)的目的，是找出影響車身靜態(tài)剛度不足的原因，為車身輕量化設(shè)計(jì)提供參考性依據(jù)。車身的彎曲剛度是指在承受內(nèi)部或外部負(fù)載工況下這種抵抗彎曲變形的特性，在轎車車身靜剛度檢測(cè)中，為方便、簡(jiǎn)化操作，行業(yè)中多以車身承受的總載荷與門檻處的最大彎曲撓度的比值來(lái)表征車身的彎曲剛度，其代號(hào)為EI，其公式為。

式中EI 為車身彎曲剛度，單位為N/mm；∑F為施加在車身上的載荷，單位為N；δ為車身門檻處最大彎曲撓度，單位為mm。

車身的扭轉(zhuǎn)剛度是指轎車在高低不平的路面上行駛時(shí)，車身在承受內(nèi)外部載荷時(shí)抵抗扭轉(zhuǎn)變形的特性，為方便理論計(jì)算，可將汽車的車身假設(shè)為典型的力學(xué)模型，運(yùn)用剛度計(jì)算公式計(jì)算出車身的扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)轎車車身受到外部扭矩作用時(shí)，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，假設(shè)車身具有均勻扭轉(zhuǎn)剛度，車身的扭轉(zhuǎn)剛度即表示為單位扭轉(zhuǎn)角所承受到的力，可用代號(hào)G表示，其公式為：

式中G為車身扭轉(zhuǎn)剛度，單位為（N·m）/（°）；M 為加載在車身上的外部扭矩，單位為（N·m）；θ為車身受到外部扭矩作用時(shí)，前、后軸相互間產(chǎn)生的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度，單位為（°）。

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

本方案研究的試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)轎車車身在承受載荷時(shí)的車身靜態(tài)彎曲剛度、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和車門、風(fēng)窗洞口變形量?jī)煞N類型試驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值處理、打印和保存。本試驗(yàn)臺(tái)適用于各類轎車、MPV、SUV 等各種乘用車，車身尺寸長(zhǎng)度小于等于6 米、寬度小于等于2 米、高度小于等于2 米的靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)主要由鐵地板、安裝臺(tái)架、加載裝置、彎曲剛度施力臺(tái)架、扭轉(zhuǎn)剛度施力臺(tái)架、測(cè)量控制系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制柜等部分組成，試驗(yàn)臺(tái)方案模型如圖1，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)方案模型

圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.1 鐵地板

鐵地板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為T 型槽式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)總體尺寸為4000mm×6000mm×250mm，材料采用HT200。鐵地板在安裝時(shí)，需要用水平儀對(duì)其進(jìn)行水平校準(zhǔn)，且保證工作面平面誤差不大于1mm，以確保在試驗(yàn)時(shí)，施加在平板上的載荷能夠被均勻地分散到各支撐點(diǎn)上。在制造時(shí)，由于鐵地板毛坯為鑄造成型，其表面留有硬殼且質(zhì)地不均勻，因此在鐵地板平臺(tái)粗、精加工前需要回火等熱處理，消除平臺(tái)內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而保證平臺(tái)穩(wěn)定不變形。鐵地板要求具有良好的承重性，能夠有效阻隔振動(dòng)，并能承載不小于5T/m外部壓力。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)架

為了保證試驗(yàn)臺(tái)在工作時(shí)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，試驗(yàn)臺(tái)整體設(shè)計(jì)為架式結(jié)構(gòu)，并將傳感器部件、固定機(jī)構(gòu)、支撐部件、外部載荷加載裝置等依次安裝在試驗(yàn)臺(tái)的平臺(tái)上。為了滿足和適應(yīng)不同車型和長(zhǎng)寬尺寸要求，試驗(yàn)臺(tái)需設(shè)計(jì)為縱向、橫向定位裝夾機(jī)構(gòu)可調(diào)，橫向可調(diào)范圍±0.4m，調(diào)整功能通過T 型工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，T 型工作臺(tái)的寬度為2m，縱向調(diào)整可直接通過后懸安裝夾具的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

該試驗(yàn)臺(tái)T 型臺(tái)架由連接軸、支撐座和衍架等幾部分組成，為防止工作時(shí)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，在連接軸處設(shè)計(jì)有能防止衍架沿軸向竄動(dòng)的定位元件，衍架和支撐座之間采用連接軸鉸接，衍架的鉸接點(diǎn)選定在中部，而支撐座的鉸接點(diǎn)應(yīng)選在上端，定位元件設(shè)置在衍架兩側(cè)面的支撐座上，能有效地防止衍架軸向串動(dòng)，可提高該試驗(yàn)臺(tái)的扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)精度。

2.3 加載裝置

加載裝置由六個(gè)相互獨(dú)立的加載系統(tǒng)作為施力源，每個(gè)力加載系統(tǒng)均是由伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、減速器（又稱為減速機(jī)）、測(cè)力用傳感器、絲桿等主要構(gòu)件組成。工作時(shí)，兩個(gè)加載系統(tǒng)作為扭轉(zhuǎn)檢測(cè)加載施力源，同時(shí)作用時(shí)可實(shí)現(xiàn)扭矩試驗(yàn)，另外四部電機(jī)作為彎曲檢測(cè)加載施力源，同時(shí)作用時(shí)可實(shí)現(xiàn)彎矩試驗(yàn)。伺服電機(jī)要求加載力≥2000N，并可實(shí)現(xiàn)階梯加載，加載步幅可調(diào)范圍為300-1500N，伺服電機(jī)加載速度≤0.001m/s，其值可通過改變每秒鐘伺服電機(jī)脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.4 測(cè)量控制系統(tǒng)

測(cè)量控制系統(tǒng)采用力控制、位移控制或復(fù)合控制形式，試驗(yàn)中，選用計(jì)算機(jī)控制柜和高精度模擬量采集卡的控制信號(hào)與采集信號(hào)，該設(shè)備可通過自行或外協(xié)設(shè)計(jì)編程軟件，對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與載荷的隨機(jī)控制。在試驗(yàn)過程中，先根據(jù)檢測(cè)要求設(shè)定出標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定力的初始值，當(dāng)加載達(dá)到該值時(shí)，軟件就會(huì)對(duì)力載荷及其相應(yīng)的位移量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，顯示出對(duì)應(yīng)的剛度數(shù)值，并同時(shí)繪制出載荷-剛度關(guān)系曲線。在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)檢測(cè)時(shí)，加載點(diǎn)位于前懸安裝架距中心1m 處，此點(diǎn)是固定的，不因車型不同而變化。在靜態(tài)彎曲試驗(yàn)時(shí)，加載點(diǎn)為前后排座椅安裝點(diǎn)，加載單元與加載點(diǎn)的連接順序依次為直線位移加載桿、牽引軟鋼纜、力傳感器、關(guān)節(jié)軸承和加載點(diǎn)。靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，加載單元固定不動(dòng)。靜態(tài)彎曲試驗(yàn)時(shí)，加載單元隨加載點(diǎn)的不同而變化。

2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)全部集成在一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)控制柜中，該系統(tǒng)可由專業(yè)中高配置通用計(jì)算機(jī)改制或由專業(yè)企業(yè)協(xié)作生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)控制柜外觀采用鋼制材質(zhì)臺(tái)體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為電氣部分和機(jī)械部分兩大模塊，并用控制電纜將其與檢測(cè)臺(tái)架和傳感器測(cè)量柜連接。

2.6 夾具系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)中的夾具影響著其在試驗(yàn)過程中的便捷性和安全性，并對(duì)車身固定起著關(guān)鍵性作用。試驗(yàn)時(shí)，夾具所產(chǎn)生的夾緊力要能夠模擬車身在實(shí)際行駛過程中的受力情況。用球鉸鏈將車身夾具分別與車身前、后減振器支座連接，用銷軸將前部扭轉(zhuǎn)梁、后部固定臺(tái)架與連接桿連接，從而避免了過約束對(duì)載荷的影響。由于不同車型的前傾角和外傾角是不同的，為適應(yīng)不同車型的車身裝夾要求，前懸安裝夾具設(shè)計(jì)要具有一定柔性。后懸安裝夾具采用兩點(diǎn)約束或四點(diǎn)約束，并能在室內(nèi)的槽式鋼制地板上實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)（設(shè)為X 方向），以適應(yīng)不同車型和軸距的裝夾要求，同時(shí)后懸安裝夾具也可實(shí)現(xiàn)橫向（設(shè)為Y方向）移動(dòng)以適應(yīng)不同車寬要求。為使車身在試驗(yàn)時(shí)能夠處于水平狀態(tài)，后懸安裝夾具要能夠?qū)崿F(xiàn)上、下（設(shè)為Z方向）移動(dòng)的調(diào)整絲桿，可使車身處于試驗(yàn)前的水平狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，為保證施加的載荷能夠處于垂直方向，用球鉸鏈將前軸的扭轉(zhuǎn)夾具、后軸的固定夾具分別連接在前置減震塔、后置減震塔上。

3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

3.1 車身靜態(tài)彎曲剛度試驗(yàn)

將轎車車身安裝在試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)，以車身和扭轉(zhuǎn)橫梁的中心線為參考，將兩者調(diào)整到等高位置，并使車身的左、右、前、后四個(gè)方位均能處于水平狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)白車車身要檢測(cè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，把車身固定在前懸安裝架和后懸安裝架上，并在鐵地板上調(diào)整前懸安裝架與后懸安裝架的位置。調(diào)整施力裝置到合適的位置并固定牢固。根據(jù)試驗(yàn)需要，在不同的檢測(cè)點(diǎn)安裝合適的傳感器，并使其固定牢固。各檢測(cè)點(diǎn)要根據(jù)具體情況恰當(dāng)?shù)剡x擇在車身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)、承受主要載荷結(jié)構(gòu)的結(jié)合處、車身地板結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)等關(guān)鍵位置，如前縱梁、門檻梁、門檻梁與前、后橫梁的交接處等位置。

為防止在試驗(yàn)過程中因車身下沉對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，通過計(jì)算機(jī)對(duì)施力裝置加載控制時(shí)，以設(shè)置的最大載荷值的二分之一為標(biāo)準(zhǔn)量，對(duì)車身進(jìn)行加載，如此反復(fù)兩至三次。計(jì)算機(jī)控制施力裝置緩慢加載，直到力達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。在加載過程中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄各測(cè)量點(diǎn)的變形量，并形成在不同加載力值時(shí)相關(guān)測(cè)量點(diǎn)的變形曲線。在對(duì)白車身門檻梁進(jìn)行彎曲剛度試驗(yàn)時(shí)，只需限制車身前懸掛點(diǎn)的X、Y、Z 方向三個(gè)平動(dòng)自由度，后懸掛點(diǎn)在XY方向平面上采用自由支撐，并對(duì)其Z方向的平動(dòng)自由度進(jìn)行限制。伺服電機(jī)加載時(shí)，在轎車車身的兩排座椅安裝固定處使用4 個(gè)電機(jī)在垂直方向上分四次階梯式進(jìn)行加載。

試驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的各檢測(cè)點(diǎn)至前軸距離和相應(yīng)的位移量，經(jīng)過系統(tǒng)處理，并繪制出各檢測(cè)點(diǎn)位移-變形量曲線圖。加載力為14700N，各測(cè)試點(diǎn)變形量曲線如圖3 所示，圖中所示曲線圖的X 坐標(biāo)軸表示測(cè)試點(diǎn)至前軸距離，Y 坐標(biāo)軸表示門檻梁在承受外部載荷時(shí)的變形量。

圖3 白車身門檻梁各檢測(cè)點(diǎn)位移-變形量曲線圖

在如圖3 變形曲線上，找出在Y 坐標(biāo)方向上的位移變形量為最大位置處（最高處）的變形量值約為2.5mm，根據(jù)彎曲剛度公式（1）計(jì)算出白車身門檻梁彎曲剛度數(shù)值EI=14700/2.5=5880N/mm，該值與運(yùn)用ANSYS 受力仿真分析軟件分析的結(jié)果6000N/mm 較為接近，即該裝置檢測(cè)的彎曲剛度與ANSYS仿真的誤差率小于5.0%，在正常允許誤差范圍內(nèi)。

3.2 車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

對(duì)轎車車身進(jìn)行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，車身的安裝固定方法要求和靜態(tài)彎曲剛度試驗(yàn)安裝方法不同點(diǎn)在于進(jìn)行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，需要在門檻梁和前后縱梁兩處分別增設(shè)相應(yīng)傳感器，用來(lái)測(cè)量整車身在接受外部載荷時(shí)的變形量，特別是布置在前后懸架上的傳感器，此位置測(cè)量數(shù)據(jù)是進(jìn)行前、后懸架相對(duì)扭轉(zhuǎn)角計(jì)算的基礎(chǔ)。在進(jìn)行車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度檢測(cè)時(shí)，前懸掛點(diǎn)限制X、Y和Z 方向三個(gè)平動(dòng)自由度，后懸掛點(diǎn)需限制X、Y和Z三個(gè)方向的平動(dòng)和繞軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共六個(gè)自由度。

在完成車身安裝固定和傳感器安裝后，同樣需要進(jìn)行兩到三次的預(yù)加載，除了防止加載時(shí)車身下垂對(duì)測(cè)量的影響外，還可消除車身安裝時(shí)可能產(chǎn)生的間隙。計(jì)算機(jī)控制的施力裝置進(jìn)行緩慢加載，直到扭矩達(dá)到預(yù)先規(guī)定的數(shù)值。在加載過程中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄各測(cè)量點(diǎn)的變形量，并形成在不同加載扭矩值時(shí)相關(guān)測(cè)量點(diǎn)的位移曲線。加載時(shí)，以1000Nm 逐級(jí)加載，直到達(dá)到最大值，期間每1000Nm 采集一次各點(diǎn)變形值，順時(shí)針和逆時(shí)針各做三次，各測(cè)點(diǎn)位移變形量以及扭轉(zhuǎn)角變化曲線如圖4所示。

圖4 白車身各測(cè)點(diǎn)位移變形量和扭轉(zhuǎn)角曲線圖

在如圖4 變形曲線上，找出在Y 坐標(biāo)方向上扭轉(zhuǎn)角最大位置處（前懸位置）的扭轉(zhuǎn)角分別約為0.06°、0.11°、0.16°和0.22°，根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式（2）計(jì)算出每次加載時(shí)的扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值，取四次平均值后得出身的扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值G=17945.08（N·m）/（°），該值與運(yùn)用ANSYS 受力仿真分析軟件分析的結(jié)果18000（N·m）/（°）較為接近，即該試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)的彎曲剛度與ANSYS 仿真的誤差率小于5.0%，在正常允許誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度理論基礎(chǔ)，研究出用于白車車身靜態(tài)剛度檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)，并利用該試驗(yàn)臺(tái)在靜態(tài)工況下，檢測(cè)轎車白車身或其主要部件的靜態(tài)剛度，得出白車身或其主要部件的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值及剛度的變化規(guī)律，并依據(jù)靜剛度計(jì)算公式得出彎曲扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值，進(jìn)而做出車身的靜態(tài)剛度合格性判定。試驗(yàn)時(shí)，通過設(shè)定、記錄和顯示力、變量等檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系圖，并可選擇性地保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，形成并打印檢測(cè)報(bào)告，為轎車廠家車身輕量化優(yōu)化過程中的車身剛度設(shè)計(jì)提供參考。除此之外，本裝置可通過程序控制對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目和參數(shù)功能進(jìn)行任意選擇和組合，以適應(yīng)不同場(chǎng)合需要。