陸玉兵

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽 六安 237158）

基于人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和機(jī)動(dòng)車節(jié)能減排的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，輕量化設(shè)計(jì)性要求成為當(dāng)前轎車設(shè)計(jì)主導(dǎo)趨勢，為了降低用材質(zhì)量，全承載式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正成為轎車車身設(shè)計(jì)首選方案，全承載式結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)在于汽車行駛過程中，車身能夠承受彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種載荷。汽車在兩種載荷作用下，轎車車身的靜態(tài)剛度特性設(shè)計(jì)對車身行駛過程中的安全性起著決定性作用。若轎車車身的靜剛度不符合要求，不僅影響著駕駛?cè)藛T的安全性、可靠性和操縱穩(wěn)定性，還影響著轎車本身的動(dòng)力響應(yīng)特性和轎車啟動(dòng)時(shí)的噪音、振動(dòng)和行駛過程中的油耗等關(guān)鍵性指標(biāo)。轎車車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)研究是建立在車身靜態(tài)剛度的基礎(chǔ)上，雖然國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始對車身靜剛度試驗(yàn)臺進(jìn)行相關(guān)研究，但這些機(jī)構(gòu)都是針對某一款車型搭建出相應(yīng)的車身剛度試驗(yàn)平臺，進(jìn)而導(dǎo)致目前市場上存在的車身靜剛度試驗(yàn)臺均存在著測試不準(zhǔn)、安裝定位過約束、加載效率低等問題。因此，研究設(shè)計(jì)出適應(yīng)多種車型白車身靜剛度的試驗(yàn)臺，具有重要的市場應(yīng)用價(jià)值。

1 車身靜態(tài)剛度理論

車身的靜剛度是指轎車在行駛過程中車身在遭遇內(nèi)、外載荷時(shí)轎車車身抵抗變形的能力，這種抵抗變形的能力是評價(jià)轎車性能的關(guān)鍵指標(biāo)。分析轎車白車身靜剛度并對其進(jìn)行試驗(yàn)的目的，是找出影響車身靜態(tài)剛度不足的原因，為車身輕量化設(shè)計(jì)提供參考性依據(jù)。車身的彎曲剛度是指在承受內(nèi)部或外部負(fù)載工況下這種抵抗彎曲變形的特性，在轎車車身靜剛度檢測中，為方便、簡化操作，行業(yè)中多以車身承受的總載荷與門檻處的最大彎曲撓度的比值來表征車身的彎曲剛度，其代號為EI，其公式為。

式中EI 為車身彎曲剛度，單位為N/mm；∑F為施加在車身上的載荷，單位為N；δ為車身門檻處最大彎曲撓度，單位為mm。

車身的扭轉(zhuǎn)剛度是指轎車在高低不平的路面上行駛時(shí)，車身在承受內(nèi)外部載荷時(shí)抵抗扭轉(zhuǎn)變形的特性，為方便理論計(jì)算，可將汽車的車身假設(shè)為典型的力學(xué)模型，運(yùn)用剛度計(jì)算公式計(jì)算出車身的扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)轎車車身受到外部扭矩作用時(shí)，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，假設(shè)車身具有均勻扭轉(zhuǎn)剛度，車身的扭轉(zhuǎn)剛度即表示為單位扭轉(zhuǎn)角所承受到的力，可用代號G表示，其公式為：

式中G為車身扭轉(zhuǎn)剛度，單位為（N·m）/（°）；M 為加載在車身上的外部扭矩，單位為（N·m）；θ為車身受到外部扭矩作用時(shí)，前、后軸相互間產(chǎn)生的相對扭轉(zhuǎn)角度，單位為（°）。

2 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)組成

本方案研究的試驗(yàn)臺能夠?qū)崿F(xiàn)轎車車身在承受載荷時(shí)的車身靜態(tài)彎曲剛度、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和車門、風(fēng)窗洞口變形量兩種類型試驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)可以對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值處理、打印和保存。本試驗(yàn)臺適用于各類轎車、MPV、SUV 等各種乘用車，車身尺寸長度小于等于6 米、寬度小于等于2 米、高度小于等于2 米的靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)。試驗(yàn)臺主要由鐵地板、安裝臺架、加載裝置、彎曲剛度施力臺架、扭轉(zhuǎn)剛度施力臺架、測量控制系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制柜等部分組成，試驗(yàn)臺方案模型如圖1，試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)臺方案模型

圖2 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖

2.1 鐵地板

鐵地板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為T 型槽式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)總體尺寸為4000mm×6000mm×250mm，材料采用HT200。鐵地板在安裝時(shí)，需要用水平儀對其進(jìn)行水平校準(zhǔn)，且保證工作面平面誤差不大于1mm，以確保在試驗(yàn)時(shí)，施加在平板上的載荷能夠被均勻地分散到各支撐點(diǎn)上。在制造時(shí)，由于鐵地板毛坯為鑄造成型，其表面留有硬殼且質(zhì)地不均勻，因此在鐵地板平臺粗、精加工前需要回火等熱處理，消除平臺內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而保證平臺穩(wěn)定不變形。鐵地板要求具有良好的承重性，能夠有效阻隔振動(dòng)，并能承載不小于5T/m外部壓力。

2.2 試驗(yàn)臺架

為了保證試驗(yàn)臺在工作時(shí)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，試驗(yàn)臺整體設(shè)計(jì)為架式結(jié)構(gòu)，并將傳感器部件、固定機(jī)構(gòu)、支撐部件、外部載荷加載裝置等依次安裝在試驗(yàn)臺的平臺上。為了滿足和適應(yīng)不同車型和長寬尺寸要求，試驗(yàn)臺需設(shè)計(jì)為縱向、橫向定位裝夾機(jī)構(gòu)可調(diào)，橫向可調(diào)范圍±0.4m，調(diào)整功能通過T 型工作臺來實(shí)現(xiàn)，T 型工作臺的寬度為2m，縱向調(diào)整可直接通過后懸安裝夾具的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

該試驗(yàn)臺T 型臺架由連接軸、支撐座和衍架等幾部分組成，為防止工作時(shí)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，在連接軸處設(shè)計(jì)有能防止衍架沿軸向竄動(dòng)的定位元件，衍架和支撐座之間采用連接軸鉸接，衍架的鉸接點(diǎn)選定在中部，而支撐座的鉸接點(diǎn)應(yīng)選在上端，定位元件設(shè)置在衍架兩側(cè)面的支撐座上，能有效地防止衍架軸向串動(dòng)，可提高該試驗(yàn)臺的扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)精度。

2.3 加載裝置

加載裝置由六個(gè)相互獨(dú)立的加載系統(tǒng)作為施力源，每個(gè)力加載系統(tǒng)均是由伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、減速器（又稱為減速機(jī)）、測力用傳感器、絲桿等主要構(gòu)件組成。工作時(shí)，兩個(gè)加載系統(tǒng)作為扭轉(zhuǎn)檢測加載施力源，同時(shí)作用時(shí)可實(shí)現(xiàn)扭矩試驗(yàn)，另外四部電機(jī)作為彎曲檢測加載施力源，同時(shí)作用時(shí)可實(shí)現(xiàn)彎矩試驗(yàn)。伺服電機(jī)要求加載力≥2000N，并可實(shí)現(xiàn)階梯加載，加載步幅可調(diào)范圍為300-1500N，伺服電機(jī)加載速度≤0.001m/s，其值可通過改變每秒鐘伺服電機(jī)脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.4 測量控制系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)采用力控制、位移控制或復(fù)合控制形式，試驗(yàn)中，選用計(jì)算機(jī)控制柜和高精度模擬量采集卡的控制信號與采集信號，該設(shè)備可通過自行或外協(xié)設(shè)計(jì)編程軟件，對伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與載荷的隨機(jī)控制。在試驗(yàn)過程中，先根據(jù)檢測要求設(shè)定出標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定力的初始值，當(dāng)加載達(dá)到該值時(shí)，軟件就會(huì)對力載荷及其相應(yīng)的位移量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，顯示出對應(yīng)的剛度數(shù)值，并同時(shí)繪制出載荷-剛度關(guān)系曲線。在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)檢測時(shí)，加載點(diǎn)位于前懸安裝架距中心1m 處，此點(diǎn)是固定的，不因車型不同而變化。在靜態(tài)彎曲試驗(yàn)時(shí)，加載點(diǎn)為前后排座椅安裝點(diǎn)，加載單元與加載點(diǎn)的連接順序依次為直線位移加載桿、牽引軟鋼纜、力傳感器、關(guān)節(jié)軸承和加載點(diǎn)。靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，加載單元固定不動(dòng)。靜態(tài)彎曲試驗(yàn)時(shí)，加載單元隨加載點(diǎn)的不同而變化。

2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)全部集成在一臺專用的計(jì)算機(jī)控制柜中，該系統(tǒng)可由專業(yè)中高配置通用計(jì)算機(jī)改制或由專業(yè)企業(yè)協(xié)作生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)控制柜外觀采用鋼制材質(zhì)臺體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為電氣部分和機(jī)械部分兩大模塊，并用控制電纜將其與檢測臺架和傳感器測量柜連接。

2.6 夾具系統(tǒng)

試驗(yàn)臺中的夾具影響著其在試驗(yàn)過程中的便捷性和安全性，并對車身固定起著關(guān)鍵性作用。試驗(yàn)時(shí)，夾具所產(chǎn)生的夾緊力要能夠模擬車身在實(shí)際行駛過程中的受力情況。用球鉸鏈將車身夾具分別與車身前、后減振器支座連接，用銷軸將前部扭轉(zhuǎn)梁、后部固定臺架與連接桿連接，從而避免了過約束對載荷的影響。由于不同車型的前傾角和外傾角是不同的，為適應(yīng)不同車型的車身裝夾要求，前懸安裝夾具設(shè)計(jì)要具有一定柔性。后懸安裝夾具采用兩點(diǎn)約束或四點(diǎn)約束，并能在室內(nèi)的槽式鋼制地板上實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)（設(shè)為X 方向），以適應(yīng)不同車型和軸距的裝夾要求，同時(shí)后懸安裝夾具也可實(shí)現(xiàn)橫向（設(shè)為Y方向）移動(dòng)以適應(yīng)不同車寬要求。為使車身在試驗(yàn)時(shí)能夠處于水平狀態(tài)，后懸安裝夾具要能夠?qū)崿F(xiàn)上、下（設(shè)為Z方向）移動(dòng)的調(diào)整絲桿，可使車身處于試驗(yàn)前的水平狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，為保證施加的載荷能夠處于垂直方向，用球鉸鏈將前軸的扭轉(zhuǎn)夾具、后軸的固定夾具分別連接在前置減震塔、后置減震塔上。

3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

3.1 車身靜態(tài)彎曲剛度試驗(yàn)

將轎車車身安裝在試驗(yàn)臺上時(shí)，以車身和扭轉(zhuǎn)橫梁的中心線為參考，將兩者調(diào)整到等高位置，并使車身的左、右、前、后四個(gè)方位均能處于水平狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)白車車身要檢測的結(jié)構(gòu)參數(shù)，把車身固定在前懸安裝架和后懸安裝架上，并在鐵地板上調(diào)整前懸安裝架與后懸安裝架的位置。調(diào)整施力裝置到合適的位置并固定牢固。根據(jù)試驗(yàn)需要，在不同的檢測點(diǎn)安裝合適的傳感器，并使其固定牢固。各檢測點(diǎn)要根據(jù)具體情況恰當(dāng)?shù)剡x擇在車身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)、承受主要載荷結(jié)構(gòu)的結(jié)合處、車身地板結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)等關(guān)鍵位置，如前縱梁、門檻梁、門檻梁與前、后橫梁的交接處等位置。

為防止在試驗(yàn)過程中因車身下沉對檢測結(jié)果的影響，通過計(jì)算機(jī)對施力裝置加載控制時(shí)，以設(shè)置的最大載荷值的二分之一為標(biāo)準(zhǔn)量，對車身進(jìn)行加載，如此反復(fù)兩至三次。計(jì)算機(jī)控制施力裝置緩慢加載，直到力達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。在加載過程中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄各測量點(diǎn)的變形量，并形成在不同加載力值時(shí)相關(guān)測量點(diǎn)的變形曲線。在對白車身門檻梁進(jìn)行彎曲剛度試驗(yàn)時(shí)，只需限制車身前懸掛點(diǎn)的X、Y、Z 方向三個(gè)平動(dòng)自由度，后懸掛點(diǎn)在XY方向平面上采用自由支撐，并對其Z方向的平動(dòng)自由度進(jìn)行限制。伺服電機(jī)加載時(shí)，在轎車車身的兩排座椅安裝固定處使用4 個(gè)電機(jī)在垂直方向上分四次階梯式進(jìn)行加載。

試驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的各檢測點(diǎn)至前軸距離和相應(yīng)的位移量，經(jīng)過系統(tǒng)處理，并繪制出各檢測點(diǎn)位移-變形量曲線圖。加載力為14700N，各測試點(diǎn)變形量曲線如圖3 所示，圖中所示曲線圖的X 坐標(biāo)軸表示測試點(diǎn)至前軸距離，Y 坐標(biāo)軸表示門檻梁在承受外部載荷時(shí)的變形量。

圖3 白車身門檻梁各檢測點(diǎn)位移-變形量曲線圖

在如圖3 變形曲線上，找出在Y 坐標(biāo)方向上的位移變形量為最大位置處（最高處）的變形量值約為2.5mm，根據(jù)彎曲剛度公式（1）計(jì)算出白車身門檻梁彎曲剛度數(shù)值EI=14700/2.5=5880N/mm，該值與運(yùn)用ANSYS 受力仿真分析軟件分析的結(jié)果6000N/mm 較為接近，即該裝置檢測的彎曲剛度與ANSYS仿真的誤差率小于5.0%，在正常允許誤差范圍內(nèi)。

3.2 車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

對轎車車身進(jìn)行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，車身的安裝固定方法要求和靜態(tài)彎曲剛度試驗(yàn)安裝方法不同點(diǎn)在于進(jìn)行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，需要在門檻梁和前后縱梁兩處分別增設(shè)相應(yīng)傳感器，用來測量整車身在接受外部載荷時(shí)的變形量，特別是布置在前后懸架上的傳感器，此位置測量數(shù)據(jù)是進(jìn)行前、后懸架相對扭轉(zhuǎn)角計(jì)算的基礎(chǔ)。在進(jìn)行車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度檢測時(shí)，前懸掛點(diǎn)限制X、Y和Z 方向三個(gè)平動(dòng)自由度，后懸掛點(diǎn)需限制X、Y和Z三個(gè)方向的平動(dòng)和繞軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共六個(gè)自由度。

在完成車身安裝固定和傳感器安裝后，同樣需要進(jìn)行兩到三次的預(yù)加載，除了防止加載時(shí)車身下垂對測量的影響外，還可消除車身安裝時(shí)可能產(chǎn)生的間隙。計(jì)算機(jī)控制的施力裝置進(jìn)行緩慢加載，直到扭矩達(dá)到預(yù)先規(guī)定的數(shù)值。在加載過程中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄各測量點(diǎn)的變形量，并形成在不同加載扭矩值時(shí)相關(guān)測量點(diǎn)的位移曲線。加載時(shí)，以1000Nm 逐級加載，直到達(dá)到最大值，期間每1000Nm 采集一次各點(diǎn)變形值，順時(shí)針和逆時(shí)針各做三次，各測點(diǎn)位移變形量以及扭轉(zhuǎn)角變化曲線如圖4所示。

圖4 白車身各測點(diǎn)位移變形量和扭轉(zhuǎn)角曲線圖

在如圖4 變形曲線上，找出在Y 坐標(biāo)方向上扭轉(zhuǎn)角最大位置處（前懸位置）的扭轉(zhuǎn)角分別約為0.06°、0.11°、0.16°和0.22°，根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式（2）計(jì)算出每次加載時(shí)的扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值，取四次平均值后得出身的扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值G=17945.08（N·m）/（°），該值與運(yùn)用ANSYS 受力仿真分析軟件分析的結(jié)果18000（N·m）/（°）較為接近，即該試驗(yàn)臺檢測的彎曲剛度與ANSYS 仿真的誤差率小于5.0%，在正常允許誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

基于靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度理論基礎(chǔ)，研究出用于白車車身靜態(tài)剛度檢測系統(tǒng)的試驗(yàn)臺，并利用該試驗(yàn)臺在靜態(tài)工況下，檢測轎車白車身或其主要部件的靜態(tài)剛度，得出白車身或其主要部件的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值及剛度的變化規(guī)律，并依據(jù)靜剛度計(jì)算公式得出彎曲扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值，進(jìn)而做出車身的靜態(tài)剛度合格性判定。試驗(yàn)時(shí)，通過設(shè)定、記錄和顯示力、變量等檢測數(shù)據(jù)的關(guān)系圖，并可選擇性地保存檢測數(shù)據(jù)，形成并打印檢測報(bào)告，為轎車廠家車身輕量化優(yōu)化過程中的車身剛度設(shè)計(jì)提供參考。除此之外，本裝置可通過程序控制對檢測項(xiàng)目和參數(shù)功能進(jìn)行任意選擇和組合，以適應(yīng)不同場合需要。