普通乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法

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(dòng)機(jī)罩蓋作為整個(gè)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(shí)，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(duì)車身外觀和振動(dòng)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(dòng)機(jī)罩蓋在開閉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，影響用戶使用感受，降低用戶評(píng)價(jià)[1，3]。因此，在車身的開發(fā)過程中，除了需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋進(jìn)行碰撞、NVH以及模態(tài)分析等試驗(yàn)外，常常也需要對(duì)其單獨(dú)進(jìn)行靜剛度試驗(yàn)分析，重點(diǎn)得出發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法進(jìn)行了討論。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋主要結(jié)構(gòu)型式及對(duì)靜剛度試驗(yàn)的影響

到目前為止，通過對(duì)所搜集國內(nèi)資料的研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度的試驗(yàn)途徑超過10種，但大部分測(cè)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(dòng)機(jī)罩蓋的各種結(jié)構(gòu)相互影響，兩者共同決定了試驗(yàn)方法的有效性[4]。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋主要結(jié)構(gòu)型式對(duì)測(cè)點(diǎn)布置的影響

1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋型面對(duì)測(cè)點(diǎn)布置的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋體現(xiàn)了汽車造型獨(dú)特的一面，而汽車造型關(guān)乎空氣動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)罩蓋型面的面積有大有小，而測(cè)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(cè)試設(shè)備布置測(cè)點(diǎn)的一大難題。市場(chǎng)上可見的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋型面，如圖1所示。普通乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)罩蓋型面

1.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋內(nèi)板對(duì)測(cè)點(diǎn)布置的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)確定，形式多種多樣，如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度測(cè)試時(shí)，測(cè)點(diǎn)往往落在外板上，通過外板的變化反映發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的剛度，但外板受內(nèi)板影響，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)內(nèi)板的筋或凹空時(shí)，測(cè)試的結(jié)果有明顯不同[6]，需要業(yè)內(nèi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

圖2 4種發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋內(nèi)板

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋主要結(jié)構(gòu)型式對(duì)夾具布置的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行討論。發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋內(nèi)板上的6個(gè)特殊點(diǎn)（如圖3所示），是其靜剛度測(cè)試時(shí)，供測(cè)試人員普遍選擇的夾具安裝點(diǎn)，但僅靠這些點(diǎn)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋側(cè)向彎曲剛度試驗(yàn)并不夠。如：進(jìn)行側(cè)向彎曲剛度測(cè)試時(shí)，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(dòng)機(jī)罩蓋前緣的切線，而后者相對(duì)合理。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋特殊點(diǎn)位置示意圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法的研究按上述方面的考量，需要重點(diǎn)得出正向彎曲、側(cè)向彎曲及扭轉(zhuǎn)3個(gè)方面剛度參數(shù)[2-3，7-11]的概念及試驗(yàn)方法，文章以某車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋為對(duì)象，選擇合理的試驗(yàn)途徑進(jìn)行了試驗(yàn)方法的使用驗(yàn)證。

2.1 國內(nèi)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法

表1示出國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)的方法。從表1中可以看到，試驗(yàn)方法變化最大的是靜剛度測(cè)試加載點(diǎn)位置的選擇，尤其針對(duì)正向彎曲剛度，試驗(yàn)過程中，各加載點(diǎn)的加載值也有不同選擇。其中，加載點(diǎn)落在外板對(duì)應(yīng)點(diǎn)上。

表1 國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法的驗(yàn)證試驗(yàn)

2.2.1 正向彎曲剛度試驗(yàn)

正向彎曲剛度試驗(yàn)測(cè)試的是發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋受到正向載荷（彎曲、抨擊）時(shí)抵抗變形的能力，如圖4a所示?？梢杂糜谠u(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)罩蓋是行人頭部碰撞安全保護(hù)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域之一，它與發(fā)動(dòng)機(jī)艙剛性部件之間的空間，是提供行人安全保護(hù)的重要吸能空間，所能提供的吸能量需要發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋彎曲剛度給予保證。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋正向彎曲剛度測(cè)試

出于整體考察發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度的目的，靜載荷施加的效應(yīng)要能反映發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋作為整體抵抗變形的能力[2，4-5，10，12-13]。不同加載點(diǎn)得出的正向彎曲剛度值差異很大，加載點(diǎn)選擇中央位置（正向彎曲剛度值由此點(diǎn)給出，在該點(diǎn)的選擇上不建議選鎖扣點(diǎn)，該點(diǎn)加載更多反映的是鎖扣局部剛度，不足以代表發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋整體；同時(shí)，中央點(diǎn)也是行人碰撞時(shí)頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)罩蓋邊緣的區(qū)域，這也可以避免加載點(diǎn)落在過渡圓弧區(qū)域，無法得出有效測(cè)試值。同時(shí)，夾具安裝點(diǎn)也就可以選擇鉸鏈與鎖扣位置，形成三點(diǎn)支撐，構(gòu)成測(cè)試體系[14]，便于得出一個(gè)統(tǒng)一的值。而且，剛度值可以方便地直接由中央點(diǎn)力/位移得出，如圖4b所示。

2.2.2 側(cè)向彎曲剛度試驗(yàn)

側(cè)向彎曲剛度試驗(yàn)測(cè)試的是發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋受到側(cè)向載荷（彎曲、撞擊）時(shí)抵抗變形的能力，如圖5a所示。加載點(diǎn)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋前端一側(cè)邊緣[7]，載荷F垂直作用于加載點(diǎn)切線上。裝夾點(diǎn)選擇鉸鏈（A，B）、減振墊安裝點(diǎn)（C，D）。鉸鏈全約束，減振墊點(diǎn)約束Z向移動(dòng)。有的試驗(yàn)將加載點(diǎn)實(shí)施于減振墊點(diǎn)或鎖扣上，考察的對(duì)象不能代表發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋整體，故而不建議實(shí)施（有的甚至將載荷變?yōu)榇怪陛d荷，這一方法實(shí)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(diǎn)力/位移得出，如圖5b所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋側(cè)向彎曲剛度測(cè)試

2.2.3 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)測(cè)試的是發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋受到扭轉(zhuǎn)力矩時(shí)抵抗變形的能力，如圖6a所示。發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋在結(jié)構(gòu)上，為避免與發(fā)動(dòng)機(jī)艙周邊部件剛性碰撞,常常會(huì)在其兩側(cè)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙周邊部件之間設(shè)計(jì)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(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋左右兩側(cè)受力扭轉(zhuǎn)。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋在使用中，開閉時(shí)會(huì)受到扭轉(zhuǎn)載荷；汽車在不平路面上行駛時(shí)，車身承受扭轉(zhuǎn)載荷，轉(zhuǎn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋，也會(huì)受力扭轉(zhuǎn)[14-15]。發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)試時(shí)，加載點(diǎn)可選擇減振墊安裝點(diǎn)之一所對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋外板對(duì)應(yīng)點(diǎn)，垂向加載；裝夾點(diǎn)可選擇鉸鏈點(diǎn)全約束，另一減振墊安裝點(diǎn)約束Z向移動(dòng)。扭轉(zhuǎn)的表象為角度，因而扭轉(zhuǎn)剛度可由減振墊兩點(diǎn)連線所受力矩與該連線相對(duì)左右鉸鏈點(diǎn)連線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系表示，如圖6b所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法的選擇

通過對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)方法的比較研究，以及選擇發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋實(shí)體進(jìn)行試驗(yàn)方法的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終推薦試驗(yàn)方法，如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋靜剛度試驗(yàn)途徑

3 結(jié)論

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

試驗(yàn)方法的應(yīng)用追求科學(xué)性、可操作和通用性。通過試驗(yàn)及其結(jié)果，可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋設(shè)計(jì)或者生產(chǎn)合理性的評(píng)價(jià)，還可以與同級(jí)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋進(jìn)行比較，進(jìn)而獲取發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋改進(jìn)的方法。上述試驗(yàn)加載、裝夾和評(píng)價(jià)方法，在靜態(tài)條件下，便于操作并合理測(cè)試普通乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)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。