吳 江， 王 進， 王香廷， 譚繼錦

(1.江淮汽車股份公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601;2.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

0 引言

非承載式貨車駕駛室與車架縱梁相連，在使用過程中，由于受到自重及負載作用而發(fā)生彎曲，受到路面不平導致的車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)，進而駕駛室也發(fā)生扭轉(zhuǎn);因此為了使駕駛室滿足疲勞壽命和裝配及使用要求，其結(jié)構(gòu)需要有足夠的剛度和強度.目前國內(nèi)外轎車靜剛度分析和試驗進行的較多，理論和試驗方案都比較完善[1～3]，但介紹駕駛室剛度試驗的文章較少.本文介紹了如何建立貨車駕駛扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度測試系統(tǒng)，并重點分析了扭轉(zhuǎn)剛度的計算方法，獲得了駕駛室扭彎工況下的總體變形規(guī)律和剛度特征數(shù)據(jù).為駕駛室研發(fā)與參考車型對標分析及改進設(shè)計建立了基礎(chǔ)[4，5].

1 靜剛度測試系統(tǒng)與方法

1.1 靜剛度測試系統(tǒng)的組成

1.1.1 駕駛室固定方案

按照實際的駕駛室結(jié)構(gòu)、前軸位置連接點和后部車架縱梁支撐點的連接形式，專門設(shè)計了連接夾具，在駕駛室底板與車架縱梁前部連接點處附近的螺栓孔，利用原車所配的連接件將其和白車身剛度試驗臺前橫梁剛性固定;同理，駕駛室后縱梁支撐點處，通過連接件將其剛性固定在車身剛度試驗臺后橫梁上.車身剛度試驗臺為有兩條長導軌的專用試驗臺架，該試驗臺前部有可轉(zhuǎn)動的T形支架橫梁和后部可沿導軌移動的后支架橫梁，駕駛室安裝可以實現(xiàn)高度可調(diào)，角度可調(diào)，前后與左右位置可調(diào).通過固定駕駛室于試驗臺上，將駕駛室前后左右調(diào)平，使中軸線和試驗臺扭轉(zhuǎn)橫梁中心線一致.扭轉(zhuǎn)剛度試驗時，前T形支架橫梁繞其中心旋轉(zhuǎn)一定角度，而彎曲剛度試驗時，前T形支架橫梁加雙柱支撐保持水平.

1.1.2 加載裝置

主要包括:力傳感器、千斤頂和標準砝碼.測試扭轉(zhuǎn)工況時，把千斤頂放置于力傳感器上對試驗臺前T形支架橫梁施加一定數(shù)值的向上作用力，由此產(chǎn)生駕駛室受到的對應扭矩;測試彎曲工況時，可按照實際的駕駛室承載情況，在駕駛室相應位置放置標準砝碼.

1.1.3測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

主要包括:門框和窗框變形尺規(guī)，水平儀，位移傳感器，固定傳感器的夾具及支座，電源、導線、電腦以及靜態(tài)測試儀等組成的測試系統(tǒng).

1.2 測點布置方案

根據(jù)實際的駕駛室結(jié)構(gòu)特點，在駕駛室左右門檻梁上各布置有4個測點，前風窗和左、右車門沿對角線各布置一對測點，前橫梁兩側(cè)各2個測點，前橫梁左右縱梁位置處各1點，測點總數(shù)為18，構(gòu)成了較為完整的測點分布[5].由此可以獲得彎/扭工況下駕駛室個測點傳感器測得的垂直變形量和門/窗框變形情況，見圖1.

圖1 駕駛室左、右、前各測點布置與靜剛度測試系統(tǒng)及駕駛室剛度試驗照片

2 靜剛度試驗原理和結(jié)果

2.1 試驗加載方案

2.1.1 扭轉(zhuǎn)工況

試驗之前需進行預加載，以消除駕駛室連接間隙及產(chǎn)生的內(nèi)應力.扭轉(zhuǎn)剛度試驗共進行6次，先左側(cè)加載重復3次，再右側(cè)加載重復3次;每次加載均需分4級載荷逐級加載;試驗完成后，3次重復試驗的數(shù)據(jù)值需取平均值進行剛度計算和繪制扭轉(zhuǎn)變形曲線;其中分級載荷為:300kg，600kg，900kg，1200kg.

2.1.2 彎曲工況

彎曲試驗也需要進行預加載，彎曲載荷根據(jù)駕駛室實際受載，按前排三座和后排兩部分，分兩次進行加卸載.其中分級載荷為:75kg，225kg，300kg，375kg.

2.2 扭轉(zhuǎn)工況數(shù)據(jù)結(jié)果和扭轉(zhuǎn)剛度

(1)扭轉(zhuǎn)剛度計算公式:

式中:Kniu為駕駛室整體扭轉(zhuǎn)剛度，M為駕駛室前端所受扭矩，F(xiàn)為所施加載荷，a為加載力到轉(zhuǎn)軸中心距離，L為左右測點的距離，h為左右兩測點的垂向位移絕對值之和;分母項Φ即為白車身左右安裝點相對扭轉(zhuǎn)角，單位一般取(°).

(2)扭轉(zhuǎn)工況數(shù)據(jù)結(jié)果

1)各測點變形量(左側(cè)加載下)見表1，左側(cè)與右側(cè)加載下駕駛室底版縱橫梁各測點變形曲線如圖3～6.扭轉(zhuǎn)剛度值見表2;相應變化曲線如圖7～8.

表1 各測點位置在不同載荷下的變形量

2)扭轉(zhuǎn)剛度值及其變化曲線

表2 不同載荷下的扭轉(zhuǎn)剛度及扭轉(zhuǎn)角

3)計算扭轉(zhuǎn)剛度Kniu

貨車駕駛室不同于一般的承載式車身，其主要載荷由車架承擔.駕駛室除了承擔自身重量外，分擔多少車架傳過來的載荷，尚缺乏理論分析依據(jù).考慮到駕駛室扭轉(zhuǎn)是隨車架扭轉(zhuǎn)一起運動的實際，因此確定駕駛室扭轉(zhuǎn)工況可以從車架扭轉(zhuǎn)變形著手，以車架變形作為參考，確定駕駛室變形指標.對此提出兩種方法加以確定:

圖2 右側(cè)扭轉(zhuǎn)工況下左右縱梁變形曲線(左略)

圖3 左側(cè)扭轉(zhuǎn)工況下前橫梁變形曲線

圖4 右側(cè)扭轉(zhuǎn)工況下前橫梁變形曲線

一為直接法，根據(jù)前輪突起值，換算到前支撐臂處位移值，以此確定車身所承受的載荷及對應的扭轉(zhuǎn)剛度.

二為間接法，參考乘用車風窗及前門框變形指標，反算車身底板所承受的載荷，進一步確定車身扭轉(zhuǎn)剛度.參考承載式轎車車身在最大扭轉(zhuǎn)剛度下的變形量推薦值指標:前風窗框?qū)蔷€變形≤5.0mm;前門框?qū)蔷€變形≤3.0mm.

綜合考慮非承載式駕駛室前風窗對角線變形可以略大于轎車前風窗變形，前門變形要求基本一致的實際情況，參照表1各測點變形值，選取600kg載荷量級，相當于施加于駕駛室扭矩為5298Nm，取左右側(cè)加載扭轉(zhuǎn)剛度的平均值有:

圖5 彎曲加載左門檻梁變形曲線(右略)

2.3 彎曲工況數(shù)據(jù)結(jié)果和彎曲剛度

(1)彎曲剛度計算公式:

其中:Kwan白車身彎曲剛度，W為所施加垂向載荷;d為縱梁的最大變形量.

(2)彎曲工況數(shù)據(jù)結(jié)果

各測點彎曲變形量見表3，駕駛室左右門檻梁各測點變形曲線如圖9～10.

表3 彎曲工況下各測點變形值

1－8 對角線 0.09 0.31 0.45 0.49 0.43 2－7 右門 0.16－0.66－0.88－1.03－0.82 2－8 對角線 0.07 0.45 0.53 0.65 0.55 1－9 前風窗 0.03－0.01－0.07－0.13－0.18 2－9 對角線0－0.25－0.26－0.17－0.18

根據(jù)左右門檻梁的最大變形量計算彎曲剛度并取平均值為:Kwan=3557N/mm.

3 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

該試驗樣車白車身目前處于試制階段，按照車身正向開發(fā)流程，需要大量的性能數(shù)據(jù)支撐研發(fā)，本文僅列出了部分測試結(jié)果.

靜剛度試驗結(jié)果分析

(1)該駕駛室在扭轉(zhuǎn)與彎曲工況下各測點變形曲線平滑、無突變，左右門檻梁變形曲線對稱性好，試驗數(shù)據(jù)重復性好，表明試驗方案合理，測量系統(tǒng)精確，該車身結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造工藝良好.

(2)對于扭轉(zhuǎn)工況，該駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度值計算方法有別于一般的承載式車身.另外上述試驗數(shù)據(jù)和圖表，反映了駕駛室地板變形與門框變形綜合情況，為全面了解和掌握該型車身靜態(tài)剛度性能建立了基礎(chǔ).

(3)對于彎曲工況，該貨車駕駛室有別于承載式車身，作為非承載式駕駛室其彎曲試驗下各測點變形較小，反映在駕駛室彎曲載荷工況下其結(jié)構(gòu)彎曲性能良好.一般而言，貨車駕駛室主要分析四種靜態(tài)工況，即彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、正面碰撞工況與頂部靜壓工況，其中彎曲工況分析尚需要結(jié)合其他工況共同分析判斷車身結(jié)構(gòu)性能，而非采用單一指標.

4 結(jié)束語

對于非承載式駕駛室，由于所受垂向載荷一般不大，試驗表明該駕駛室彎曲剛度特性滿足使用要求，對于駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度特性需要區(qū)別對待.駕駛室結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度剛度以保證其疲勞壽命和裝配及使用要求，駕駛室剛度試驗與分析的關(guān)鍵在于確定其合理載荷及目標值.利用靜態(tài)駕駛室剛度試驗獲得的扭轉(zhuǎn)/彎曲剛度值、各測點變形值、扭轉(zhuǎn)/彎曲變形曲線等各項重要數(shù)據(jù)，可以客觀地對駕駛室剛度性能進行評價.

從上述意義上講，車身剛度試驗正是通過對現(xiàn)有車輛的測試來把握其基本的力學性能指標，建立起自有的一套車身剛度指標體系，并且將其與競爭車型作對比，進而對開發(fā)新系列車型有清晰的認識.

[1]黃金陵.汽車車身設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

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

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

[4]夏國林.轎車白車身靜剛度分析[J].汽車科技，2008，22(3):25－28.

[5]邵建旺，彭為，靳曉雄，等.SUV白車身靜態(tài)剛度試驗研究[J].汽車技術(shù)，2009，(4):37－41.