向曉峰 李綱 譚倫賓

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

發(fā)動機罩蓋作為整個車身的重要部件，它的力學(xué)特性影響到整車的力學(xué)性能，當(dāng)發(fā)生碰撞等外力沖擊時，往往是最先接觸并發(fā)生變形的部件，直接影響到車輛/行人的安全；它對車身外觀和振動噪聲有著重要影響，直接關(guān)系到車輛的乘坐舒適性[1-2]；剛度不足的發(fā)動機罩蓋在開閉時，會產(chǎn)生明顯的變形，影響用戶使用感受，降低用戶評價[1，3]。因此，在車身的開發(fā)過程中，除了需要對發(fā)動機罩蓋進行碰撞、NVH以及模態(tài)分析等試驗外，常常也需要對其單獨進行靜剛度試驗分析，重點得出發(fā)動機罩蓋正向彎曲剛度值、側(cè)向彎曲剛度值、扭轉(zhuǎn)剛度值。鑒于普通乘用車的大量存在，文章就普通乘用車發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法進行了討論。

1 發(fā)動機罩蓋主要結(jié)構(gòu)型式及對靜剛度試驗的影響

到目前為止，通過對所搜集國內(nèi)資料的研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機罩蓋靜剛度的試驗途徑超過10種，但大部分測試目標(biāo)接近，只是加載方式和邊界條件不同，這些不同與發(fā)動機罩蓋的各種結(jié)構(gòu)相互影響，兩者共同決定了試驗方法的有效性[4]。

1.1 發(fā)動機罩蓋主要結(jié)構(gòu)型式對測點布置的影響

1.1.1 發(fā)動機罩蓋型面對測點布置的影響

發(fā)動機罩蓋體現(xiàn)了汽車造型獨特的一面，而汽車造型關(guān)乎空氣動力學(xué)和人體工程學(xué)等，要求大的型面之間均有圓滑的過渡，過渡部分可以由任意型面擔(dān)當(dāng)。與發(fā)動機罩蓋型面直接相關(guān)的是汽車的前臉與翼子板，根據(jù)兩兩關(guān)系的不同，發(fā)動機罩蓋的型面可以分別向前臉與翼子板過渡，形成過渡圓弧面，它占發(fā)動機罩蓋型面的面積有大有小，而測試設(shè)備往往要求垂直作用于型面，圓弧面自然成為影響測試設(shè)備布置測點的一大難題。市場上可見的發(fā)動機罩蓋型面，如圖1所示。普通乘用車發(fā)動機罩蓋大量采用的是圖1a所示的型面，采用圖1e和圖1f的情況較少。

圖1 發(fā)動機罩蓋型面

1.1.2 發(fā)動機罩蓋內(nèi)板對測點布置的影響

發(fā)動機罩蓋主要由內(nèi)外板扣合而成。外板為覆蓋件，表現(xiàn)為空間曲面板，其形狀與整車造型要求一致；內(nèi)板為結(jié)構(gòu)件，以前常為筋條、網(wǎng)格狀布置，近年碗型結(jié)構(gòu)逐漸增多[1，3-5]。內(nèi)板結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化設(shè)計確定，形式多種多樣，如圖2所示。發(fā)動機罩蓋靜剛度測試時，測點往往落在外板上，通過外板的變化反映發(fā)動機罩蓋的剛度，但外板受內(nèi)板影響，測點對應(yīng)內(nèi)板的筋或凹空時，測試的結(jié)果有明顯不同[6]，需要業(yè)內(nèi)有統(tǒng)一的認識。

圖2 4種發(fā)動機罩蓋內(nèi)板

1.2 發(fā)動機罩蓋主要結(jié)構(gòu)型式對夾具布置的影響

發(fā)動機罩蓋開閉方式有前掀式、側(cè)開式及后啟式，現(xiàn)在普遍選擇的開閉方式是向后開啟。文章僅就后啟式進行討論。發(fā)動機罩蓋內(nèi)板上的6個特殊點（如圖3所示），是其靜剛度測試時，供測試人員普遍選擇的夾具安裝點，但僅靠這些點對于發(fā)動機罩蓋側(cè)向彎曲剛度試驗并不夠。如：進行側(cè)向彎曲剛度測試時，需要制作特有壓頭或作用在鎖扣上，或讓壓頭垂直作用于發(fā)動機罩蓋前緣的切線，而后者相對合理。

圖3 發(fā)動機罩蓋特殊點位置示意圖

2 發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法

發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法的研究按上述方面的考量，需要重點得出正向彎曲、側(cè)向彎曲及扭轉(zhuǎn)3個方面剛度參數(shù)[2-3，7-11]的概念及試驗方法，文章以某車發(fā)動機罩蓋為對象，選擇合理的試驗途徑進行了試驗方法的使用驗證。

2.1 國內(nèi)現(xiàn)有發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法

表1示出國內(nèi)發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗的方法。從表1中可以看到，試驗方法變化最大的是靜剛度測試加載點位置的選擇，尤其針對正向彎曲剛度，試驗過程中，各加載點的加載值也有不同選擇。其中，加載點落在外板對應(yīng)點上。

表1 國內(nèi)發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法

2.2 發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法的驗證試驗

2.2.1 正向彎曲剛度試驗

正向彎曲剛度試驗測試的是發(fā)動機罩蓋受到正向載荷（彎曲、抨擊）時抵抗變形的能力，如圖4a所示?？梢杂糜谠u估發(fā)動機罩蓋在關(guān)閉狀態(tài)下抵抗由手壓或鎖扣和鎖孔位置偏差造成的變形的能力；另外，發(fā)動機罩蓋是行人頭部碰撞安全保護重點關(guān)注區(qū)域之一，它與發(fā)動機艙剛性部件之間的空間，是提供行人安全保護的重要吸能空間，所能提供的吸能量需要發(fā)動機罩蓋彎曲剛度給予保證。

圖4 發(fā)動機罩蓋正向彎曲剛度測試

出于整體考察發(fā)動機罩蓋靜剛度的目的，靜載荷施加的效應(yīng)要能反映發(fā)動機罩蓋作為整體抵抗變形的能力[2，4-5，10，12-13]。不同加載點得出的正向彎曲剛度值差異很大，加載點選擇中央位置（正向彎曲剛度值由此點給出，在該點的選擇上不建議選鎖扣點，該點加載更多反映的是鎖扣局部剛度，不足以代表發(fā)動機罩蓋整體；同時，中央點也是行人碰撞時頭部與發(fā)動機罩蓋重要的接觸區(qū)域，作為整體來考察，內(nèi)板結(jié)構(gòu)的影響也就可以忽略），不必選擇靠近發(fā)動機罩蓋邊緣的區(qū)域，這也可以避免加載點落在過渡圓弧區(qū)域，無法得出有效測試值。同時，夾具安裝點也就可以選擇鉸鏈與鎖扣位置，形成三點支撐，構(gòu)成測試體系[14]，便于得出一個統(tǒng)一的值。而且，剛度值可以方便地直接由中央點力/位移得出，如圖4b所示。

2.2.2 側(cè)向彎曲剛度試驗

側(cè)向彎曲剛度試驗測試的是發(fā)動機罩蓋受到側(cè)向載荷（彎曲、撞擊）時抵抗變形的能力，如圖5a所示。加載點選擇發(fā)動機罩蓋前端一側(cè)邊緣[7]，載荷F垂直作用于加載點切線上。裝夾點選擇鉸鏈（A，B）、減振墊安裝點（C，D）。鉸鏈全約束，減振墊點約束Z向移動。有的試驗將加載點實施于減振墊點或鎖扣上，考察的對象不能代表發(fā)動機罩蓋整體，故而不建議實施（有的甚至將載荷變?yōu)榇怪陛d荷，這一方法實際是正向局部彎曲，也無法適用于圓弧型面）。它的剛度值也可由該點力/位移得出，如圖5b所示。

圖5 發(fā)動機罩蓋側(cè)向彎曲剛度測試

2.2.3 扭轉(zhuǎn)剛度試驗

扭轉(zhuǎn)剛度試驗測試的是發(fā)動機罩蓋受到扭轉(zhuǎn)力矩時抵抗變形的能力，如圖6a所示。發(fā)動機罩蓋在結(jié)構(gòu)上，為避免與發(fā)動機艙周邊部件剛性碰撞,常常會在其兩側(cè)和發(fā)動機艙周邊部件之間設(shè)計緩沖墊，緩沖墊變形或本身磨損造成左右緩沖墊高度不一致，進而造成發(fā)動機罩蓋左右兩側(cè)受力扭轉(zhuǎn)。另外，發(fā)動機罩蓋在使用中，開閉時會受到扭轉(zhuǎn)載荷；汽車在不平路面上行駛時，車身承受扭轉(zhuǎn)載荷，轉(zhuǎn)而影響到發(fā)動機罩蓋，也會受力扭轉(zhuǎn)[14-15]。發(fā)動機罩蓋扭轉(zhuǎn)剛度正是在這些狀態(tài)下，其抵抗變形能力的反映。測試時，加載點可選擇減振墊安裝點之一所對應(yīng)發(fā)動機罩蓋外板對應(yīng)點，垂向加載；裝夾點可選擇鉸鏈點全約束，另一減振墊安裝點約束Z向移動。扭轉(zhuǎn)的表象為角度，因而扭轉(zhuǎn)剛度可由減振墊兩點連線所受力矩與該連線相對左右鉸鏈點連線的轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系表示，如圖6b所示。

圖6 發(fā)動機罩蓋扭轉(zhuǎn)剛度測試

2.3 發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法的選擇

通過對國內(nèi)現(xiàn)有發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗方法的比較研究，以及選擇發(fā)動機罩蓋實體進行試驗方法的試驗驗證，最終推薦試驗方法，如表2所示。

表2 發(fā)動機罩蓋靜剛度試驗途徑

3 結(jié)論

發(fā)動機罩蓋靜剛度的試驗方法多種多樣，這些方法把發(fā)動機罩蓋作為板類部件以及車身閉合件，評價其在用戶開啟、關(guān)閉的各種工況下，以及在車輛行駛時受砰擊載荷時，其彎曲、扭轉(zhuǎn)和側(cè)向剛度。這些方法從不同角度對發(fā)動機罩蓋進行評價，互有重疊，其加載和約束又各不相同，因此不能輕易地認為某種評價方式可以被另一種取代。文獻[4]使用統(tǒng)計學(xué)的回歸分析方法，進行相關(guān)性分析，對發(fā)動機罩蓋的靜剛度試驗各種途徑的比較做了有益的探索，揭示了這些評價方法之間的關(guān)系，文章依據(jù)試驗的可操作性從中選擇，通過試驗驗證，得出了合理的選擇，如表2所示。該途徑可以對發(fā)動機罩蓋結(jié)構(gòu)的影響加以限制和避免，試驗方法也可以限制在有限、有效的范圍內(nèi)。

試驗方法的應(yīng)用追求科學(xué)性、可操作和通用性。通過試驗及其結(jié)果，可以獲得發(fā)動機罩蓋設(shè)計或者生產(chǎn)合理性的評價，還可以與同級車發(fā)動機罩蓋進行比較，進而獲取發(fā)動機罩蓋改進的方法。上述試驗加載、裝夾和評價方法，在靜態(tài)條件下，便于操作并合理測試普通乘用車發(fā)動機罩蓋彎曲、扭轉(zhuǎn)及側(cè)向靜剛度，適合在生產(chǎn)企業(yè)推廣。