陳少偉 陳 濤 湯 毅 聶繼全 朱燈宏

1.湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，4100822.湖南湖大艾盛汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，長(zhǎng)沙，4102053.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，柳州，545007

車(chē)身接頭剛度測(cè)量原理與測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

陳少偉1陳 濤1湯 毅1聶繼全2朱燈宏3

1.湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，4100822.湖南湖大艾盛汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，長(zhǎng)沙，4102053.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，柳州，545007

闡述了車(chē)身接頭剛度測(cè)量的必要性與測(cè)量原理，針對(duì)國(guó)內(nèi)車(chē)身接頭剛度實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置還存在空白的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套適用于多平臺(tái)車(chē)身的接頭剛度測(cè)量裝置，并分析了該設(shè)計(jì)裝置的主要特點(diǎn)。最后基于該裝置對(duì)車(chē)身某接頭剛度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并將有限元分析數(shù)值與測(cè)量值做了對(duì)比,分析了實(shí)驗(yàn)值與仿真分析值出現(xiàn)偏差的原因。

車(chē)身；接頭；剛度；測(cè)量裝置

0 引言

車(chē)身剛度特性反映了車(chē)身在整體上抵抗扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷的能力，是汽車(chē)性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)車(chē)輛的密封性、乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、車(chē)身結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性以及車(chē)身動(dòng)力特性等都有影響。車(chē)身剛度不足將會(huì)引起車(chē)身門(mén)框、窗框、發(fā)動(dòng)機(jī)艙口和行李箱口等變形，導(dǎo)致玻璃破裂和車(chē)門(mén)卡死等現(xiàn)象發(fā)生。低剛度必然伴隨有低的固有振動(dòng)頻率，易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振和聲響，并削弱結(jié)構(gòu)接頭的連接強(qiáng)度。此外，還直接影響安裝在其上的底盤(pán)總成的正常工作[1]。汽車(chē)車(chē)身上T形接頭與其他承載件共同形成了一個(gè)牢固的車(chē)身承載結(jié)構(gòu)，接頭部位對(duì)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)影響較大，應(yīng)當(dāng)保持有足夠的剛度。車(chē)身整體尺寸與結(jié)構(gòu)布置形式、車(chē)身關(guān)鍵截面的特性和車(chē)身接頭結(jié)構(gòu)的特性等對(duì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能起決定性影響，合理設(shè)計(jì)車(chē)身關(guān)鍵截面和接頭能大大提高車(chē)身的剛度以及NVH(noise,vibration,harshness)、被動(dòng)安全和強(qiáng)度等性能[2]，故除了對(duì)整車(chē)車(chē)身的靜態(tài)剛度分析以外，對(duì)車(chē)身接頭的剛度分析也是十分必要的。

目前以整車(chē)車(chē)身為對(duì)象的靜態(tài)剛度分析已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要采用有限元分析與實(shí)驗(yàn)論證相結(jié)合的方法。文獻(xiàn)[3]利用板殼單元與梁?jiǎn)卧⒛耻?chē)的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了剛度與模態(tài)分析。文獻(xiàn)[4]用參數(shù)化曲面造型與參數(shù)化變量技術(shù)建立了全板殼單元轎車(chē)車(chē)身骨架有限元計(jì)算模型，分析了不同工況下車(chē)身的強(qiáng)度與剛度，對(duì)應(yīng)力大的區(qū)域提出了改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了白車(chē)身彎扭剛度實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比分析，為提出減弱或加強(qiáng)車(chē)身結(jié)構(gòu)的有效措施提供了理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。文獻(xiàn)[6]對(duì)白車(chē)身剛度的CAE分析與實(shí)驗(yàn)方法做了詳盡介紹。文獻(xiàn)[7]針對(duì)現(xiàn)有白車(chē)身剛度實(shí)驗(yàn)過(guò)約束的問(wèn)題，提出了基于最少約束方法的車(chē)身靜剛度實(shí)驗(yàn)方法。

相對(duì)于整車(chē)車(chē)身，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)車(chē)身接頭也做了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化技術(shù)研究了接頭特性參數(shù)和幾何參數(shù)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]提出接頭單元概念，并在車(chē)身結(jié)構(gòu)概念模型中模擬接頭。文獻(xiàn)[2]提出了基于響應(yīng)面法的汽車(chē)車(chē)身T形接頭優(yōu)化方法，在實(shí)現(xiàn)接頭輕量化的前提下，大大提高了接頭的剛度和強(qiáng)度。文獻(xiàn)[10]研究了接頭在車(chē)身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段對(duì)剛度的影響，結(jié)果表明車(chē)身上各個(gè)接頭對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的影響都較大。

綜上可以看出，對(duì)車(chē)身接頭的研究基本以有限元仿真為手段，并沒(méi)有對(duì)車(chē)身接頭的實(shí)際剛度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所以存在著很大的局限性與不準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證接頭建模的準(zhǔn)確性，以及及時(shí)有效地指導(dǎo)新車(chē)型概念開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，本文在運(yùn)用有限元法進(jìn)行車(chē)身接頭分析基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外卡車(chē)接頭剛度測(cè)量裝置[11]，設(shè)計(jì)了一種乘用車(chē)車(chē)身接頭剛度測(cè)量裝置，并對(duì)車(chē)身某接頭實(shí)際剛度進(jìn)行了測(cè)量。

1 車(chē)身接頭剛度測(cè)量的必要性及測(cè)量原理

1.1 接頭剛度測(cè)量的必要性

汽車(chē)整車(chē)剛度及車(chē)身接頭的剛度在各汽車(chē)廠(chǎng)商進(jìn)行車(chē)輛再設(shè)計(jì)時(shí)非常重要。車(chē)身靜態(tài)剛度主要包括扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，用扭轉(zhuǎn)剛度來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)身在凹凸不平道路上抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，用彎曲剛度來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)身抵抗彎曲變形的能力。同樣，車(chē)身接頭剛度既包括接頭彎曲剛度也包括接頭扭轉(zhuǎn)剛度，反映了車(chē)身接頭區(qū)域在受到外部載荷時(shí)抵抗變形的能力。

車(chē)身接頭以及接頭在整個(gè)車(chē)身的分布如圖1所示。由于車(chē)身接頭起到使車(chē)身各承載件相互交接的作用，接頭性能對(duì)整個(gè)白車(chē)身的剛度和模態(tài)等性能均有顯著影響，對(duì)整個(gè)白車(chē)身剛度貢獻(xiàn)更是達(dá)到了50%～80%，因此研究車(chē)身接頭剛度性能十分必要。

(a)車(chē)身接頭(b)車(chē)身接頭在車(chē)身的分布圖1 車(chē)身接頭及其分布位置Fig.1 Joint of car body and its position

車(chē)身再設(shè)計(jì)主要針對(duì)車(chē)身關(guān)鍵截面和接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，更關(guān)注接頭性能。接頭有限元分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的目的在于研究接頭結(jié)構(gòu)的剛性及其對(duì)整車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)剛性的影響。目前關(guān)于乘用車(chē)白車(chē)身接頭剛度的實(shí)驗(yàn)研究極少。出于以下幾方面的原因，現(xiàn)在迫切需要一種針對(duì)車(chē)身接頭剛度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置：

(1)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程每個(gè)階段的工作相關(guān)，新設(shè)計(jì)完成的各個(gè)階段和最終階段都必須有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能生效，例如常規(guī)的接頭剛度有限元建模方法對(duì)以鉚接等其他新型連接方式的車(chē)身接頭是否適用還需要驗(yàn)證。

(2)詳細(xì)的有限元建模周期較長(zhǎng)，在新車(chē)概念設(shè)計(jì)階段不能及時(shí)得到有效參考，而利用接頭剛度測(cè)量裝備可以及時(shí)得到對(duì)標(biāo)車(chē)型的接頭剛度性能參數(shù)，指導(dǎo)后續(xù)概念設(shè)計(jì)，縮短開(kāi)發(fā)周期。

(3)車(chē)身接頭剛度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用來(lái)校正建立的有限元模型，經(jīng)過(guò)標(biāo)定過(guò)的有限元模型能評(píng)估相應(yīng)的結(jié)構(gòu)在車(chē)身性能中的作用及性能百分比，以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；還可通過(guò)有限元與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，結(jié)合車(chē)企benchmark的數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)全面的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于研究競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型相關(guān)接頭結(jié)構(gòu)的作用。

1.2 接頭剛度測(cè)量原理

車(chē)身接頭在車(chē)身實(shí)際受載過(guò)程中會(huì)發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)以及彎扭復(fù)合變形，即接頭的實(shí)際變形是耦合的，但是，在一些重要的考核工況下，接頭某一部分的變形占主要因素，比如側(cè)碰中B柱下接頭的上通道就是以彎曲為主，而這部分因素是我們重點(diǎn)考慮的。另外，耦合的情況是以白車(chē)身為整體進(jìn)行考慮，對(duì)于單個(gè)接頭，一般不考慮耦合因素。這里我們分別考慮車(chē)身接頭在彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的性能。車(chē)身接頭剛度為

(1)

式中，M為工況力矩；θ為接頭變形前后轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

圖2 彎曲變形夾角示意圖Fig.2 Schematic of bending deformation angle

(1)彎曲工況。彎曲變形夾角見(jiàn)圖2。力F施加在與接頭端面固接的具有一定高度的剛性構(gòu)件上(圖中省略)，剛性構(gòu)件因受力發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)促使接頭發(fā)生彎曲變形。彎曲指示桿初始位置和加載變形后位置之間的夾角

(2)

式中，δ1、δ2為彎曲指示桿兩端的位移；L為彎曲指示桿長(zhǎng)度。

計(jì)算接頭旋轉(zhuǎn)中心受到的力矩M的大?。?/p>

M=F(L+a)

(3)

(4)

式中，a為接頭分支截面到旋轉(zhuǎn)中心的距離。

(2)扭轉(zhuǎn)工況。接頭分支截面在受到扭轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形見(jiàn)圖3。扭轉(zhuǎn)指示桿的扭轉(zhuǎn)角度

(5)

式中，Δ為扭轉(zhuǎn)指示桿在局部坐標(biāo)中y向位移差值；L為扭轉(zhuǎn)指示桿長(zhǎng)度。

圖3 扭轉(zhuǎn)變形夾角Fig.3 Schematic of torsional deformation angle

2 接頭剛度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

接頭剛度測(cè)量裝置是專(zhuān)門(mén)為測(cè)量車(chē)身接頭的剛度而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，與整車(chē)車(chē)身靜剛度實(shí)驗(yàn)原理類(lèi)似，在車(chē)身接頭施加靜態(tài)力(力矩)，用位移傳感器測(cè)量車(chē)身接頭相應(yīng)位置的變形量，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，以此得到汽車(chē)車(chē)身接頭的剛度大小。整個(gè)測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，針對(duì)性強(qiáng)，操作方便，能夠節(jié)省測(cè)量時(shí)間與勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.1 裝置組成

該裝置要求能實(shí)際測(cè)量白車(chē)身接頭的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度。裝置主要包括龍門(mén)框架、橫梁支架裝配、氣缸支架、扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置、彎扭載荷傳遞裝置、接頭安裝座等模塊。裝置總成如圖4所示，相應(yīng)的傳感器、控制線(xiàn)路未標(biāo)出。

(a)裝置主視圖

(b)帶接頭軸測(cè)圖1.龍門(mén)框架 2.橫梁支架裝配體 3.卡塊1 4.承載塊5.氣缸支架 6.桿端軸承 7.橫梁安裝座 8.固定安裝座9.接頭安裝座支撐 10.接頭旋轉(zhuǎn)安裝座11.彎扭載荷傳遞裝置 12.扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置 13.卡塊214.銷(xiāo) 15.氣缸 16.扭轉(zhuǎn)梁 17.接頭圖 4 裝置總成Fig.4 Device assembly

(1)龍門(mén)框架。龍門(mén)框架4-1(指圖4中1，下同)主要包括兩根立柱、框架安裝座、安裝座肋板、框架擋板、蓋板、堵蓋、三角加強(qiáng)板、撐桿。立柱通過(guò)框架安裝座以螺栓固定在鐵地板上，立柱側(cè)面開(kāi)有若干螺栓孔，用來(lái)調(diào)節(jié)橫梁支架裝配體4-2的安裝位置。整個(gè)龍門(mén)框架用來(lái)支撐橫梁支架裝配以及與其相連接的附件。

(2)橫梁支架裝配體。橫梁支架裝配體4-2包括橫梁總成、支架固定環(huán)、氣缸旋轉(zhuǎn)支架，如圖5所示。橫梁總成5-1包括橫梁以及焊接在橫梁對(duì)應(yīng)孔位中的套筒。橫梁主要用來(lái)固定氣缸旋轉(zhuǎn)支架與氣缸支架4-5；支架固定環(huán)通過(guò)焊接方式固定在套筒上，位置在套筒上的旋轉(zhuǎn)支架的下方；氣缸旋轉(zhuǎn)支架由旋轉(zhuǎn)支架、支架安裝板、氣缸安裝座組成。旋轉(zhuǎn)支架由型材焊接而成，支架安裝板焊接在旋轉(zhuǎn)支架相應(yīng)位置，用來(lái)與橫梁固定，氣缸安裝座焊接在旋轉(zhuǎn)支架上，安裝在氣缸安裝座上的氣缸主要負(fù)責(zé)接頭彎曲載荷的加載。整個(gè)氣缸旋轉(zhuǎn)支架可以繞橫梁套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，以此對(duì)接頭施加不同方向的載荷。整個(gè)橫梁支架裝配體通過(guò)橫梁安裝座4-7安裝在龍門(mén)框架的立柱上。

1.橫梁總成 2.支架固定環(huán) 3.氣缸旋轉(zhuǎn)支架圖5 橫梁支架裝配體Fig.5 Bracket assembly

(3)氣缸支架。氣缸支架4-5包括氣缸安裝座、氣缸支架橫梁、氣缸支架縱梁，如圖6所示。氣缸安裝座焊接在氣缸支架橫梁兩端，氣缸安裝座上兩安裝孔用來(lái)安裝桿端軸承，氣缸通過(guò)軸承安裝在安裝座上。整個(gè)氣缸支架用來(lái)固定氣缸，由氣缸對(duì)扭轉(zhuǎn)梁4-16施力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

1.氣缸安裝座 2.氣缸支架橫梁 3.氣缸支架縱梁圖6 氣缸支架Fig.6 Cylinder support

(4)扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置。扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置4-12由扭轉(zhuǎn)軸、扭轉(zhuǎn)軸上下安裝板組成，如圖7所示。扭轉(zhuǎn)軸與下安裝板焊接好后，將軸穿過(guò)橫梁上的套筒內(nèi)部，再對(duì)扭轉(zhuǎn)軸上端與扭轉(zhuǎn)軸上安裝板進(jìn)行焊接，扭轉(zhuǎn)軸上開(kāi)有通孔，方便在扭轉(zhuǎn)傳遞裝置上提時(shí)用軸類(lèi)零件卡住，與彎扭載荷傳遞裝置4-11脫離。扭轉(zhuǎn)軸上下安裝板都開(kāi)有螺栓孔，方便與其他部件連接。整個(gè)部件起載荷的傳遞作用，要有足夠的剛性。

圖7 扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置Fig.7 Torsional load transfer device

(5)彎扭載荷傳遞裝置。彎扭載荷傳遞裝置4-11由上安裝板、下安裝板、彎扭傳遞軸組成，如圖8所示。上下安裝板開(kāi)有螺紋孔，分別與扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置和所測(cè)接頭的安裝板相連接，下安裝板焊接有指示桿(圖8中1、2)，分別用來(lái)測(cè)定扭轉(zhuǎn)角和彎曲位移。彎扭載荷傳遞裝置在測(cè)試扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)起到承接上部扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置傳來(lái)的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的作用，在測(cè)試彎曲剛度時(shí)，上部扭轉(zhuǎn)傳遞裝置與下部彎扭傳遞裝置脫開(kāi)，彎扭傳遞裝置只承接氣缸對(duì)接頭施加的彎曲載荷。

1.扭轉(zhuǎn)指示桿 2.彎曲指示桿圖8 彎扭載荷傳遞裝置Fig.8 Bending and torsional load transfer device

彎扭載荷傳遞裝置與接頭直接連接，對(duì)接頭剛度測(cè)量精度的影響較大，由于接頭是非剛性的，為了準(zhǔn)確反映接頭受載時(shí)的變形大小，要求彎扭載荷傳遞裝置具有足夠的剛性，通常將該裝置的安裝板做得較厚，中間的軸為實(shí)心軸且軸徑不能過(guò)小，為了保證連接可靠，上下安裝板的螺紋孔孔距應(yīng)適宜并均勻分布在兩側(cè)，避免出現(xiàn)孔集中的現(xiàn)象。

(6)接頭安裝座。接頭安裝座分為固定安裝座4-8與旋轉(zhuǎn)安裝座4-10。固定安裝座由安裝座安裝板、固定安裝座底板、固定安裝座肋板組成，安裝座底板與接頭安裝座支撐上安裝板用螺栓連接，固定安裝座安裝板與接頭安裝板連接；接頭旋轉(zhuǎn)安裝座由轉(zhuǎn)動(dòng)板、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、安裝座底板、轉(zhuǎn)動(dòng)軸支撐板、轉(zhuǎn)動(dòng)軸支撐固定蓋組成，旋轉(zhuǎn)軸表面銑有平面，該平面與所述的轉(zhuǎn)動(dòng)板焊接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)軸支撐板孔位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)板旋轉(zhuǎn)。接頭旋轉(zhuǎn)安裝座的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)接頭形狀、位置自由調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，保證轉(zhuǎn)動(dòng)板與接頭安裝板貼合。

2.2 裝置實(shí)施方式

2.2.1扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量

進(jìn)行車(chē)身接頭扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量時(shí)，安裝在氣缸支架上的兩氣缸對(duì)安裝在扭轉(zhuǎn)梁上的承載塊施加相同大小的外力，扭轉(zhuǎn)梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。扭轉(zhuǎn)梁通過(guò)螺栓與扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置連接，扭轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將扭轉(zhuǎn)載荷也傳遞至扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置。

扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置底板上開(kāi)有螺栓孔，進(jìn)行車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量時(shí)，扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置底板與彎扭載荷傳遞裝置上的安裝板通過(guò)螺栓固定，扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)彎扭載荷傳遞裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。

彎扭載荷傳遞裝置與接頭上安裝板連接，接頭旋轉(zhuǎn)安裝座、接頭固定安裝座和接頭安裝座支撐4-9配合固定接頭安裝板。其中，接頭旋轉(zhuǎn)安裝板可以繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度來(lái)與不同接頭的接頭安裝板安裝，進(jìn)而約束與之相接觸的接頭端面。固定接頭安裝座也對(duì)接頭某一端面進(jìn)行約束。兩個(gè)安裝座的高度都可以由安裝座支撐來(lái)調(diào)節(jié)高度。彎扭載荷傳遞裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接頭承受到氣缸施加的扭矩。

接頭扭轉(zhuǎn)載荷施加在白車(chē)身接頭分支某一端面上，彎扭載荷傳遞裝置的扭轉(zhuǎn)指示桿隨之轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度，指示桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度代表接頭受到扭矩時(shí)產(chǎn)生的變形角度，力傳感器記錄施加力的大小，位移傳感器記錄指示桿某點(diǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)位移，通過(guò)計(jì)算接頭偏轉(zhuǎn)的角度來(lái)和兩氣缸作用產(chǎn)生的扭矩得到整個(gè)接頭的扭轉(zhuǎn)剛度。

2.2.2彎曲剛度測(cè)量

在測(cè)量白車(chē)身接頭彎曲剛度時(shí)，扭轉(zhuǎn)載荷傳遞裝置與彎扭載荷傳遞裝置斷開(kāi)連接，橫梁上方氣缸安裝支架上的氣缸對(duì)接頭不再產(chǎn)生力的作用，此時(shí)只有安裝在橫梁下的氣缸旋轉(zhuǎn)支架上的一個(gè)氣缸對(duì)接頭產(chǎn)生力的作用。氣缸將力作用于安裝在彎扭載荷傳遞裝置的承載塊，力傳感器記錄力的大小，承載塊將載荷傳遞給白車(chē)身接頭，接頭發(fā)生彎曲形變，彎扭載荷傳遞裝置的彎曲指示桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過(guò)力傳感器記錄施加力的大小、位移傳感器記錄指示桿發(fā)生的偏轉(zhuǎn)位移，計(jì)算出整個(gè)接頭的彎曲剛度。

2.3 裝置特點(diǎn)分析

本車(chē)身接頭剛度測(cè)量裝置有如下特點(diǎn)：

(1)通用性強(qiáng)。本裝置的接頭安裝座、多種規(guī)格的接頭安裝座支撐以及接頭旋轉(zhuǎn)安裝座三者可單獨(dú)使用，也可互相連接搭配使用，并根據(jù)不同接頭的不同空間形狀與位置而調(diào)節(jié)，保證接頭端面固定可靠，即本車(chē)身接頭測(cè)量裝置不是針對(duì)某一特定車(chē)型車(chē)身接頭而開(kāi)發(fā)，而是適用于多平臺(tái)車(chē)型不同車(chē)身接頭剛度的測(cè)量，具有很強(qiáng)的通用性。

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。本裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加工件形狀規(guī)則，很大一部分所用加工材料都是市面常見(jiàn)的型鋼，省去了復(fù)雜結(jié)構(gòu)開(kāi)模的成本，加工制造方便。

(3)裝拆靈活，易保養(yǎng)。各模塊采用螺栓緊固連接，裝置可調(diào)，安裝拆卸方便靈活，節(jié)省測(cè)量裝夾時(shí)間和勞動(dòng)力。裝置可拆方便保養(yǎng)。

由于時(shí)間與成本因素的制約，本裝置還存在一些不足，例如接頭安裝座支撐不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)可調(diào)，裝夾時(shí)需要人工裝夾，自動(dòng)化智能化程度不高等。

3 接頭剛度實(shí)際測(cè)量

為使測(cè)試具有較好的精度，進(jìn)行了測(cè)試類(lèi)型的輸入輸出分析，據(jù)此分析測(cè)試的誤差，并找出減小誤差的辦法，確定了合適的控制策略，這里不展開(kāi)討論。同時(shí)，為保證裝置的測(cè)量精度，選用了精度為0.5%的LVDT差壓式位移傳感器以及德國(guó)進(jìn)口的精度達(dá)0.02%的力傳感器。為檢驗(yàn)裝置的可靠性，進(jìn)行了同一研究對(duì)象同一工況下的多次重復(fù)性測(cè)試，幾組結(jié)果顯示偏差在允許范圍內(nèi)。最后該裝置通過(guò)了第三方檢測(cè)服務(wù)機(jī)構(gòu)對(duì)精度以及可靠性的測(cè)試。

本文對(duì)車(chē)身B柱下接頭剛度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，測(cè)量時(shí)接頭的變形情況與預(yù)想的接頭變形狀況一致，圖9為該裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖9 B柱下接頭剛度實(shí)測(cè)場(chǎng)景Fig.9 Measure scene of lower joint of B-pillar

限于篇幅，本文測(cè)量結(jié)果只選取B柱下接頭一截面彎曲工況的測(cè)點(diǎn)位移值，得到了指示桿指定點(diǎn)的位移與力關(guān)系，如圖10所示。

圖10 指示桿指定點(diǎn)的位移與力關(guān)系Fig.10 Displacement VS force of indicator bar designation point

可以看出測(cè)點(diǎn)位移與力的關(guān)系可以近似地用擬合的線(xiàn)性直線(xiàn)表示，考慮加載開(kāi)始與結(jié)束時(shí)數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，表1選取中間幾個(gè)不同加載力時(shí)的接頭位移值進(jìn)行剛度計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果得出截面彎曲剛度在22 414.85～26 202.55 N·m/(°)范圍內(nèi)。

表1 剛度計(jì)算值

接頭性能的研究也需要仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，故圖11將實(shí)驗(yàn)所得力矩-變形角度與有限元仿真力矩-變形角進(jìn)行對(duì)比，從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)測(cè)量擬合接頭分支某一方向的彎曲剛度為24 579 N·m/(°)，與有限元數(shù)值分析剛度值29 364 N·m/(°)偏差為16.3%。該偏差是在可接受范圍內(nèi)的。

圖11 力矩與變形角關(guān)系Fig.11 Moment VS angle of deformation

通過(guò)分析可以得出實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真有一定偏差的原因有：

(1)接頭剛度有限元模型不可能完全準(zhǔn)確地模擬接頭的真實(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)與仿真一定存在偏差。

(2)接頭有限元模型加載與接頭實(shí)際加載有偏差。例如接頭有限元模型中，接頭截面所受載荷施加于建立在截面形心上的rigid單元上，而接頭實(shí)驗(yàn)時(shí)，載荷施加于彎扭載荷傳遞裝置4-11上，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)rigid單元與接頭實(shí)驗(yàn)的彎扭載荷傳遞裝置上指示桿發(fā)生偏曲的方向有偏差的情況。

(3)實(shí)驗(yàn)操作誤差。如裝置的各組成部分間的連接不牢固，裝置固定處有松動(dòng)，裝置未調(diào)平，傳感器測(cè)量點(diǎn)有偏差等。

4 結(jié)論

(1)車(chē)身接頭性能對(duì)車(chē)身整體性能有重要影響，本文討論了車(chē)身接頭剛度測(cè)量的必要性，并分別闡述了車(chē)身接頭彎曲工況與扭轉(zhuǎn)工況的測(cè)量原理。

(2)針對(duì)企業(yè)對(duì)車(chē)身接頭剛度實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置的迫切需求，設(shè)計(jì)出一款車(chē)身接頭剛度測(cè)量裝置，分析表明該裝置具有通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)。該裝置對(duì)指導(dǎo)國(guó)內(nèi)車(chē)身接頭剛度實(shí)驗(yàn)有借鑒意義。

(3)設(shè)計(jì)的裝置經(jīng)過(guò)了精度與測(cè)量穩(wěn)定性的認(rèn)定。利用該裝置對(duì)車(chē)身某接頭剛度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果做了比較，還對(duì)二者之間出現(xiàn)偏差的原因做了分析。

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MeasuringPirinciplesandMeasuringDeviceDesignofJointStiffnessofCarBodys

CHEN Shaowei1CHEN Tao1TANG Yi1NIE Jiquan2ZHU Denghong3

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,4100822.AISN Auto R&D Co.,Ltd.,Changsha,4102053.SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou,Guangxi,545007

The necessity and the measurement principles of car body joints were briefly introduced. Aiming at the gap of measuring device of body joints in domestic currency situation, a set of joint stiffness measuring device for multiple platform car body was designed, and the main features of the design device were analyzed. Finally, the stiffness of the joints of the body was measured by the device, and the finite element analysis numerical values were compared with the measured value, and the errors were analyzed.

car body; joint; stiffness; measuring device

U463.8

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.011

2016-12-21

(編輯王旻玥)

陳少偉，男，1981年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。主要研究方向?yàn)槠?chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。E-mail：chenlane@hotmail.com。陳濤，男，1978年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員。湯毅，男，1992年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。聶繼全，男，1989年生。湖南湖大艾盛汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司主任工程師。朱燈宏，男，1981年生。上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司主任工程師。