向曉峰 陳 軍 譚倫兵

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

普通乘用車（即轎車）白車身的彎扭剛度是指白車身在靜態(tài)受載時表現(xiàn)出的抵抗彎扭變形的能力，用于衡量車輛正常行駛時的許可變形。白車身彎扭剛度特性試驗所得彎扭剛度值對于相關(guān)企業(yè)具有相當大的經(jīng)濟價值和技術(shù)價值。在這類試驗中，試驗對象復(fù)雜、投入設(shè)備多，影響試驗及其結(jié)果的環(huán)節(jié)一環(huán)緊扣一環(huán)，需要試驗人員理清其中的主要環(huán)節(jié)并加以合理實施。在整個試驗過程中，約束系統(tǒng)的建設(shè)是其中重要的構(gòu)成部分，不同的約束點用不同形式的接頭能夠產(chǎn)生差異很大的試驗結(jié)果。該文希望通過對約束系統(tǒng)設(shè)計的討論，得到一個合適的選擇。

1 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)的分析

1.1 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)的重要作用

1.1.1 對白車身彎扭試驗設(shè)備體系重要的一環(huán)

白車身彎扭剛度試驗的完成，主要包括6個環(huán)節(jié)的實施：1）對象的選擇；2）對象的裝夾；3）測量點布置；4）設(shè)備體系建設(shè)；5）加載要求；6）數(shù)據(jù)處理。試驗對象的裝夾（即約束系統(tǒng)的構(gòu)建）與設(shè)備體系建設(shè)密切相關(guān)，對試驗承擔著重要的作用。

整個試驗設(shè)備體系構(gòu)建應(yīng)，如圖1所示：

圖1 白車身彎扭試驗設(shè)備體系構(gòu)成

1.1.2 對白車身彎扭剛度試驗結(jié)果重要的影響

針對白車身彎扭剛度試驗的約束系統(tǒng)，僅就約束點選擇不同的約束形式（接頭），使接頭所在位置擁有不同的自由度，就可以組合成不同的約束系統(tǒng)，獲得差異較大的試驗結(jié)果。以往所做驗證試驗已經(jīng)證明了它對試驗結(jié)果的重要影響：

1.1.2.1 扭轉(zhuǎn)測試約束的影響

（a）后懸位置固定情況下，前支撐帶兩個鉸接接頭，所得剛度比只帶一個鉸接接頭大約60 %。

（b）后懸位置鉸接情況下，前支撐帶兩個鉸接接頭，所得剛度比只帶一個鉸接接頭大約1倍。

1.1.2.2 彎曲測試約束的影響

（a）后懸位置固定情況下，前支撐帶鉸接接頭，所得剛度比用固定接頭大約7 %。

（b）后懸位置鉸接情況下，前支撐帶鉸接接頭，所得剛度比用固定接頭大約2 %。

1.2 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)的建立

1.2.1 白車身彎扭剛度試驗約束點的確立

1.2.1.1 白車身實際使用中的約束點

白車身的實際使用千差萬別，它與底盤的連接各式各樣，所形成的對白車身的約束也有很大不同：普通的乘用車前后懸可以只有12個約束點，對于高級乘用車可達20個約束點，如圖2和圖3所示。

圖2 普通乘用車白車身約束點

圖3 高級乘用車白車身約束點

1.2.1.2 白車身彎扭試驗中的約束點

白車身畢竟不能等同于整車，白車身彎扭試驗理論上是對白車身實際使用的模擬，是實際部分白車身質(zhì)量評價的依據(jù)。在試驗時，白車身彎扭試驗是對白車身實際使用情況的一種提煉后，以試驗設(shè)備可以實現(xiàn)的方式，對白車身彎扭情況加以驗證，因此，約束點的選擇沒有納入每一個約束點，試驗設(shè)備及其操作也要求盡可能簡化。約束點的選擇中，4點約束是其中之一，也是被證明最合理的一種約束方法。其他約束方式是根據(jù)特殊需要所做的特定條件下的專項試驗，如圖4和圖5所示。

圖4 多點約束試驗

圖5 典型四點約束試驗

1.2.2 白車身彎扭剛度試驗約束對象的確立

首先，白車身彎扭剛度試驗必須明確一點：試驗對象是白車身。白車身彎扭試驗對普通乘用車的重要性，在于它的剛性值在普通乘用車各總成的剛性之中，貢獻率占比最高、價值度最大。白車身彎扭試驗就是針對白車身剛性值的測定，而非其他，如圖6所示。

圖6 各總成對整車剛度貢獻率

其次，白車身帶懸架、副車架等，不管它們是否剛性固定或者以一定狀態(tài)鎖死，所得結(jié)果都不僅是白車身的剛度，試驗結(jié)果都滲入了其他總成的影響。除非試驗?zāi)康谋揪蜑闇y定該狀態(tài)的剛性值，這種狀態(tài)下的試驗并不是我們所謂的白車身彎扭剛度試驗。附加總成的剛性化處理不能避免它對白車身試驗的影響，除非白車身變形大，已可以完全忽略附加總成的變化，否則白車身彎扭剛性的測定需要純粹的白車身，如圖7和圖8所示。

圖7 前懸鎖死

圖8 前副車架鎖死

那么，既然白車身彎扭試驗是對白車身剛性值的測定，就應(yīng)該在白車身上選擇特殊點作為約束對象，對白車身施加約束。這些點通常選懸架減震彈簧安裝所在的減震塔，必要情況下也可選擇減震彈簧對應(yīng)位置的安裝支架，象后懸減震彈簧安裝支架等。這4個點，在白車身約束點中具有特殊性：位置特殊，通常在各懸架中間位置，或者差異不大，代表了整車的軸距/輪距；作用特殊，本身就是白車身主要承重點，對其他約束點的承重也有重要影響；結(jié)構(gòu)特殊，它是承載式白車身大都有的一類結(jié)構(gòu)，在白車身上易于明確、規(guī)范化，如圖9和圖10所示。

圖9 約束在減震塔

圖10 約束在減震彈簧安裝支架

1.2.3 白車身彎扭剛度試驗約束接頭的確立

約束接頭對白車身彎扭試驗影響巨大，尤其是對測定扭轉(zhuǎn)剛度的影響。約束所用接頭類型分為固定接頭和鉸接接頭。應(yīng)用位置分為連接白車身的上接頭和連接試驗平臺的下接頭2種。通常而言，鉸接接頭內(nèi)裝球軸承，一個方向可全周旋轉(zhuǎn)，另2個方向在±6°范圍內(nèi)不受約束，因為白車身彎扭的角度變化不超過3°，可以認為白車身約束點使用鉸接頭時，各向旋轉(zhuǎn)不受約束，必要時，還可以調(diào)整鉸接頭安裝方向，擴大鉸接頭適用范圍。固定接頭根據(jù)需要有多種形式，最終約束接頭的選擇，根據(jù)約束系統(tǒng)的選擇決定，如圖11～圖14所示。

1.2.4 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)的確立

圖11 上鉸接接頭

圖12 下鉸接接頭

圖13 上固定接頭

圖14 下固定接頭

約束系統(tǒng)是對約束試樣所用接頭形成的約束點自由度的體系化安排。國內(nèi)外對此系統(tǒng)的研究各有不同，主要依據(jù)試驗設(shè)備和研究目的對接頭的選擇做安排，有選擇全約束、選擇約束全部平動、選擇對4個支撐點分別約束平動、后懸全約束/前懸兩點分別安排等多種設(shè)計，4個位置選用不同的組合，試驗結(jié)果都會有差異。與接頭的不同所帶來的試驗結(jié)果差異相比，試驗設(shè)備的不同，反而帶來的試驗結(jié)果差異要小很多。

4個約束點有不同自由度，與系統(tǒng)相關(guān)，更與試驗?zāi)康南嚓P(guān)。為了用一套夾具實現(xiàn)彎曲與扭轉(zhuǎn)兩項試驗，兩項試驗約束條件常取一致。

如圖15所示，對白車身的約束通常選4個位置（即懸架減震彈簧安裝所在的4個位置），分別用件A、B、C、D施加約束，件A、B與剛性平臺之間通過旋轉(zhuǎn)橫梁支架連接，件C、D與剛性平臺之間可以直接連接。而件A、B與旋轉(zhuǎn)橫梁連接可采用鉸接，件C、D與剛性平臺之間可以直接剛性連接。件A、B、C、D與白車身之間，可以選擇鉸接、剛性固定或其組合。

圖15 白車身彎扭試驗的約束位置

2 白車身彎扭剛度試驗約束體系的應(yīng)用

2.1 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)的要求

2.1.1 試驗約束系統(tǒng)的一般要求

白車身彎扭剛度測試合理的約束方案，應(yīng)使試驗對象與試驗平臺構(gòu)成一個穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)；還必須保證約束裝置的剛度不影響白車身自身的剛度；白車身受載后，約束裝置也不能影響白車身在空間上的變形。很多試驗中，會選擇約束系統(tǒng)自由度為負，以便達到約束系統(tǒng)剛性化的目的；同時，讓約束系統(tǒng)中夾具的剛性遠遠超過試驗對象，這樣可利用約束系統(tǒng)的剛性化，使部分試驗結(jié)果盡可能理想化。但是，這種做法只是部分試驗的合理做法，并不適用于所有試驗，尤其是普通乘用車白車身彎扭試驗。夾具剛性與約束系統(tǒng)自由度畢竟是兩回事。

2.1.2 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)剛性化的困境

對白車身彎扭試驗來說，約束系統(tǒng)剛性化的選擇并非合理：

（a）白車身本身就是一個剛性大的試驗對象。

（b）夾具方面由于試驗需要（特別是扭轉(zhuǎn)）不可能無限剛性化。

（c）試件與夾具兩者剛性差距相對較?。ㄓ薪宇^）。

（d）每種乘用車的白車身約束都不一樣，自由度大小的確定不明確。

2.1.3 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)自由度的合理選擇

由前文已知：白車身剛度試驗結(jié)果受夾具影響相對較大；而且，通過約束系統(tǒng)剛性化實施試驗又不合理，那么，明確約束系統(tǒng)自由度為0就是一個合理的選擇：

（a）在約束要求的合理范圍內(nèi)（要求約束系統(tǒng)自由度≤ 0）；

（b）可以盡可能減小設(shè)備異同對試驗結(jié)果的影響；

（c）可以盡可能減小約束剛性對試驗結(jié)果的影響；

（d）可以盡可能降低整個系統(tǒng)對夾具剛度的要求；

（e）可以在不同試驗體系中選擇出統(tǒng)一的體系，形成規(guī)范；

（f）方便試驗實施。

2.2 白車身彎扭剛度試驗約束系統(tǒng)的選擇

白車身彎扭剛度試驗系統(tǒng)包括位移傳感器、力傳感器和加載裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)支撐約束系統(tǒng)、測量平臺。典型約束系統(tǒng)如圖16所示，圖中A、B、C、D、E、F、G、H、I為接頭。按照推薦的系統(tǒng)選擇，需約束系統(tǒng)自由度為0（虛約束的增加看情況而定，不影響整體自由度）。

圖16 典型夾具系統(tǒng)示意圖

白車身彎扭試驗約束系統(tǒng)的建立，都要從實現(xiàn)基本穩(wěn)定約束開始，一般從3點約束開始，逐步增加（輔助）支撐，形成有效的試驗約束系統(tǒng)。對不同約束，可以放開某些約束或相反，使整個系統(tǒng)的自由度為0，從而達成白車身試驗約束。自由度計算如下：

其中：

n—活動構(gòu)件數(shù)量。

Pi—各類運動副。

WV—虛約束數(shù)量。

WP—局部自由度數(shù)量。

需要注意的是接頭連接方式的不同造成的虛約束和局部約束的影響。表1中列出了部分接頭的選擇和判斷。

3 結(jié)論

白車身彎扭試驗要通過試驗獲取合理的結(jié)果，便于對比和評價白車身彎扭剛度，為轎車設(shè)計、生產(chǎn)服務(wù)。在白車身彎扭剛度試驗中，約束系統(tǒng)的設(shè)計對最終結(jié)果存在影響：約束系統(tǒng)用得不一樣，試驗結(jié)果會有大的差異，尤其是扭轉(zhuǎn)測試的結(jié)果，這個差異足以影響對轎車白車身彎扭剛度的評價。對于白車身這樣的大型試件，約束系統(tǒng)的建立不能對連接接頭以全約束加以處理，附加總成也要適當考慮其用途。通過分析，文中提出了一種合理的約束方式，這種方式適用于測定白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。這種方式的核心在于選擇約束系統(tǒng)的整體自由度為0，它的目的是保證白車身受載后變形不受約束夾具的影響，最大限度地保證測試結(jié)果的準確性和可靠性，并使這類的試驗?zāi)軌蛴幸粋€統(tǒng)一的規(guī)范，利于比較、便于實施。選擇約束系統(tǒng)自由度為0，在一定程度上是該項試驗的合理選擇。

表1 部分約束的分析