遲玉華，楊大芝

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.034

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白車身頂蓋雪載試驗(yàn)方法

遲玉華，楊大芝

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.034

摘 要：文章結(jié)合試驗(yàn)，分析某款輕型客車車頂雪載試驗(yàn)，詳細(xì)介紹了雪載加載試驗(yàn)方法，及客車車頂設(shè)計(jì)要項(xiàng)。通過車身頂蓋雪載試驗(yàn)，了解其承受不同厚度抗雪壓能力，并研究車頂?shù)挚骨途植堪枷葑冃蔚哪芰?，為新車型開發(fā)提供基本性能數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方向。

關(guān)鍵詞：頂蓋；雪載；雪厚；變形

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-90-04

前言

隨車汽車車身設(shè)計(jì)的成熟，尤其是乘用車的車身安全設(shè)計(jì)，一直都是設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)。在商用車市場(chǎng)中，傳統(tǒng)的汽車研發(fā)主要集中在貨車和大中型客車上，對(duì)輕型客車的研發(fā)力度相對(duì)薄弱，尤其是車頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一直不是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。輕型客車與傳統(tǒng)的轎車身相比剛度不足，大型客車均有獨(dú)立式車架，車身為框架式結(jié)構(gòu)，并由型材焊接而成，具有先天優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市物流、城鄉(xiāng)運(yùn)輸、短途接送越來越頻繁，2009年后，中國(guó)輕型客車呈井噴式跳越發(fā)展，各大主機(jī)廠紛紛投入到輕型客車行業(yè)中。2013年，國(guó)家更是針對(duì)輕型客車上部結(jié)構(gòu)推出了《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束。

車身頂蓋是車身關(guān)鍵總成之一，需要具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)某款輕型客車車身頂蓋進(jìn)行雪載試驗(yàn)，了解其承受不同厚度抗雪壓能力，并研究車頂?shù)挚骨途植堪枷葑冃蔚哪芰?，為新車型開發(fā)提供基本性能數(shù)據(jù)。輕型客車相對(duì)轎車車頂蓋尺寸大，加載質(zhì)量大，試驗(yàn)難度高，通過在車身頂蓋逐級(jí)施加一定的分布載荷來模擬雪的重量，并逐次測(cè)量車頂各個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形量，得出車頂在不同載荷下的變形狀況，以此來評(píng)價(jià)車身頂蓋抵抗雪載變形的能力。本試驗(yàn)在同行業(yè)中尚屬首次應(yīng)用。

1、試驗(yàn)儀器

整車雪載加載試驗(yàn)需準(zhǔn)備如下器材：

a、靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)；b、位移傳感器和支架系統(tǒng)；c、潔凈石子及分層加載方式；d、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；e、其他輔助試驗(yàn)裝置。

2、 試驗(yàn)方案

（1）車身測(cè)試狀態(tài)

為保證車身在試驗(yàn)過程中的穩(wěn)定性，將車身穩(wěn)定固定安放于平坦地面上，并在前后懸置位置及車身底架縱梁多處使用千斤頂?shù)戎?，保證車身呈水平狀態(tài)及試驗(yàn)過程的安全可靠。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，配置傳感器支架系統(tǒng)，并將磁力座和位移傳感器安放調(diào)整到位，選擇車頂測(cè)點(diǎn)，組成車頂測(cè)試系統(tǒng)，最終確定試驗(yàn)方案，并進(jìn)行測(cè)試預(yù)演，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

由于測(cè)試樣車車頂面積較大，本次試驗(yàn)專門購置了2000kg白石子，并進(jìn)行了沖洗晾曬，按照車頂面積專門制作了框架以便將石子圈定于頂蓋上。采用分層鋪裝的方式，逐級(jí)加載，逐次測(cè)量，以便得到各分層數(shù)據(jù)。圖1～2 為車頂測(cè)試支架、載荷框架及分層加載石子。

圖1 車身測(cè)試狀態(tài)

圖2 載荷框架與分層加載

（2）設(shè)備連接示意圖

圖3 車頂雪載試驗(yàn)示意圖

（3）測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)測(cè)試樣車車頂結(jié)構(gòu)狀況，基于車頂內(nèi)側(cè)縱橫加強(qiáng)梁布置情況，測(cè)點(diǎn)沿車頂各區(qū)域布置，將整個(gè)車頂從前到后分成7塊區(qū)域，每塊5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中第3塊為天窗所在位置，在天窗兩側(cè)僅布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)前預(yù)測(cè)第5塊可能為變形最大部分，為了使此部分所得數(shù)據(jù)更豐富，在這一區(qū)域布置兩排測(cè)點(diǎn)。整個(gè)車頂共計(jì)布置37個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體分布情況如圖4所示。表1為白車身頂蓋雪載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置及傳感器編號(hào)，表2為白車身頂蓋雪載試驗(yàn)傳感器通道分布說明。

圖4 車頂測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表1 白車身頂蓋雪載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置及傳感器編號(hào)

表2 白車身頂蓋雪載試驗(yàn)傳感器通道分布

（4）載荷布置

本次雪載試驗(yàn)采用分層逐級(jí)加載方式以模擬不同雪載厚度影響，按最大雪載厚度160cm 設(shè)計(jì)分層加載質(zhì)量。采用與頂蓋雪厚質(zhì)量相等的石子以模擬整個(gè)過程中頂蓋的受力情況。將石子的質(zhì)量等效于雪載的厚度，其基本關(guān)系式為：

樣車白車身車頂框架內(nèi)側(cè)頂蓋面積為150cm(寬)× 400cm(長(zhǎng)) = 60000cm2。在頂蓋積雪達(dá)到160cm 厚時(shí)，頂蓋承載為1440kg。在試驗(yàn)過程中，按照200kg 為一個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載，增設(shè)540kg的載荷等級(jí)，最后一次加載為240kg，總載荷共分成8 個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載，為了保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，本次試驗(yàn)進(jìn)行兩輪。雪載加載情況如表3 所示：

表3 雪載試驗(yàn)加載次序表

3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及分析

（1）數(shù)據(jù)采集

表4 不同加載工況下各測(cè)點(diǎn)變形

數(shù)據(jù)采集通過位移傳感器記錄各測(cè)點(diǎn)處變形，每次加載要等待10 秒后，以便載荷傳遞到位。兩輪測(cè)試數(shù)據(jù)重合度較好，將兩次測(cè)試數(shù)據(jù)取平均。表4 給出了各個(gè)載荷級(jí)別下車身各處變形量平均值。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，可以繪制出以車頂長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)，變形量為縱坐標(biāo)的各測(cè)點(diǎn)變形曲線，從而得到加載至各級(jí)載荷時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形量。

圖5 車頂右側(cè)第一列測(cè)點(diǎn)雪載變形

圖6 車頂右側(cè)第二列測(cè)點(diǎn)雪載變形

圖7 車頂右側(cè)第三列測(cè)點(diǎn)雪載變形

圖8 車頂右側(cè)第四列測(cè)點(diǎn)雪載變形

圖9 車頂右側(cè)第五列測(cè)點(diǎn)雪載變形

圖10 天窗兩側(cè)測(cè)點(diǎn)雪載變形

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，車頂測(cè)點(diǎn)的橫向變形均呈凹陷狀，即在各級(jí)載荷下，從車頂兩側(cè)到中間，變形量都是逐漸增大，在此選取變形量最大的車頂?shù)谄吲艤y(cè)點(diǎn)繪制橫向測(cè)點(diǎn)變形曲線，如圖11 所示（左側(cè)按變形對(duì)稱取值繪制）：

圖11 車頂?shù)谄吲艤y(cè)點(diǎn)雪載變形

根據(jù)車頂坐標(biāo)和各級(jí)載荷下各測(cè)點(diǎn)變形量，以車頂長(zhǎng)度為 X 坐標(biāo)，車頂寬度為Y 坐標(biāo)，變形量為Z 坐標(biāo)，運(yùn)用Matlab 軟件繪制雪載試驗(yàn)下各個(gè)測(cè)點(diǎn)空間變形云圖：

圖12 車身頂蓋雪載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)變形圖

（3）數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖可以清楚了解車頂在不同雪載下變形狀況，整體表現(xiàn)出車頂尾部的塌陷，反映車頂后部結(jié)構(gòu)的不合理性，需要加以改進(jìn)。

根據(jù)車頂雪載設(shè)計(jì)的一般標(biāo)準(zhǔn)，即要分別得出車頂積雪厚度為60cm，90cm 和160cm 時(shí)的車頂變形情況，現(xiàn)將這三種情況的變形圖整理如圖13～15。

圖13 積雪厚度60cm 時(shí)頂蓋測(cè)點(diǎn)變形圖

圖14 積雪厚度90cm 時(shí)頂蓋測(cè)點(diǎn)變形圖

從曲線圖和三維圖中均可以看出，在各級(jí)載荷時(shí)，均是車頂后部變形量較大，使得整體車頂變形在此處形成塌陷，其原因從構(gòu)造來看一是該處頂板前后支撐橫梁間距較大，二是該處車頂加強(qiáng)凸筋較短，沒有如車頂其他部位的凸筋延伸至橫梁兩端位置。另一方面，車頂橫梁與車頂之間通過膠墊連接，并不是焊接在一起，這種連接方式使得橫梁支撐效果并非完全起作用。

圖15 積雪厚度160cm 時(shí)頂蓋測(cè)點(diǎn)變形圖

5、試驗(yàn)結(jié)論

本次試驗(yàn)通過兩輪加載與卸載，采集到的數(shù)據(jù)基本一致。在第二次試驗(yàn)過程中，當(dāng)車頂總體載荷加載到1000 時(shí)前部車頂狀態(tài)正常，在車頂整體加載1200kg、前部加載到180kg過程中，車頂前部發(fā)生屈曲，頂板反向跳轉(zhuǎn)將位移傳感器指針壓縮到限位量程。分析原因一是原車頂前部預(yù)留了天窗的位置，二是前部車頂沒有凸筋支撐，僅是光板一塊，導(dǎo)致此處頂板剛度降低，在加載過程中發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。在載荷全部卸除時(shí)，車頂板變形恢復(fù)，反映頂板屈曲應(yīng)屬彈性失穩(wěn)。一般而言，穩(wěn)定性能較差的主要是面積較大的覆蓋件，頂蓋雪載分析的目標(biāo)值的要求決定了頂蓋橫梁的斷面結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)頂蓋在60cm 雪厚、90cm 雪厚等目標(biāo)值設(shè)定，不出現(xiàn)塑性應(yīng)變、不發(fā)生屈曲變形。

橫梁布置間距與加強(qiáng)筋對(duì)整個(gè)頂蓋剛度影響較大，橫梁間距應(yīng)盡量維持一致，不致局部剛度偏弱。由于頂板筋條、凸起等，其斷面形狀使慣性矩增加，抗彎能力增強(qiáng)，覆蓋件的剛度會(huì)增大。因此要考慮筋條參數(shù)，并將其應(yīng)用于頂板設(shè)計(jì)中。另外，橫梁與車頂連接方式，要兼顧車頂剛度和振動(dòng)噪聲性能，得出最佳方案。

參考文獻(xiàn)

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Vehicle top cover snow-loading test method

Chi Yuhua, Yang Dazhi

( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

Abstract:This paper based on the test of analysis one light bus roof snow loading, in this paper detailed snow loading test method and bus roof design essential items are introduced. understanding the snow pressure resistance ability for different part thickness through the roof panel snow loading test, then study the roof's ability to resist buckling and local buckling deformation, this can provide basic performance data and design direction for the development of new vehicle models

Keywords:Roof; snow loading; snow thickness; deformation

中圖分類號(hào)：U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-90-04

作者簡(jiǎn)介：遲玉華，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。