轎車車身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升研究

李仲奎，袁 亮Li Zhongkui，Yuan Liang

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轎車車身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升研究

李仲奎，袁 亮
Li Zhongkui，Yuan Liang

（東風汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

闡述了車身扭轉(zhuǎn)剛度的計算方法和測量方法，探討了提升車身扭轉(zhuǎn)剛度的方法途徑。以某三廂車改款開發(fā)兩廂車為例，在車身新設計過程中，通過加強載荷傳遞路徑的剛度設計，加強車身關(guān)鍵接頭結(jié)構(gòu)的剛度設計，以及加強車身上安裝點固定支架與車身上承載梁的集成性設計，實現(xiàn)兩廂車在無后隔板的情況下也能達到較高的車身扭轉(zhuǎn)剛度要求，進而證實了車身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升方法有效。

白車身；扭轉(zhuǎn)剛度；性能提升

0 引 言

目前，轎車大多數(shù)采用全承載結(jié)構(gòu)，由于承載式車身幾乎承擔了所有的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，其結(jié)構(gòu)剛度特性舉足輕重[1]。車身剛度不足，會引起車身門框、窗框、發(fā)動機罩和行李廂等開口變形大，導致車門玻璃破裂和車門卡死，密封不嚴以致透風、漏雨和內(nèi)飾脫落等問題，還會影響安裝在車身上各個總成的相對位置[2]。車身剛度的優(yōu)劣還關(guān)系到車身的輕量化水平，對整車性能造成影響。車身剛度不合理，將直接影響轎車的可靠性、安全性、動力響應特性、NVH性能及燃油經(jīng)濟性等關(guān)鍵性指標[3]。此外，改善汽車的舒適性，保證高速行駛的操縱穩(wěn)定性，也要求車身有較高的扭轉(zhuǎn)剛度[4]。

承載式車身的剛度特性在車企中已引起高度重視，承載式車身剛度性能在車身結(jié)構(gòu)設計中是一個值得探討的難題?；谵I車車身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升方法進行分析研究，并在某三廂車改款兩廂車車身結(jié)構(gòu)設計中成功應用。

1 車身扭轉(zhuǎn)剛度計算及測量

轎車車身的扭轉(zhuǎn)剛度特性反映了車身在整體上抵抗扭轉(zhuǎn)載荷的能力，體現(xiàn)了轎車車身的整體性能[5]。車身扭轉(zhuǎn)剛度可由前后窗和側(cè)窗的對角線的變化、車身鎖位及車身扭轉(zhuǎn)角度等指標來衡量。

1.1 扭轉(zhuǎn)剛度理論計算

當車身上作用有反對稱垂直載荷時，結(jié)構(gòu)處于扭轉(zhuǎn)工況，將使車身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，圖1為軸間相對扭轉(zhuǎn)角示意圖。

結(jié)構(gòu)的變形程度與結(jié)構(gòu)上所受的力及結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)。車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力，即

J=/（1）

式（1）中，J為車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，是單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力；為軸距，為扭矩，為軸間相對扭轉(zhuǎn)角。

車身扭轉(zhuǎn)角與梁的撓度之間的關(guān)系為

式中，為車身扭轉(zhuǎn)角；1為左側(cè)縱梁測點的撓度；2為右側(cè)縱梁測點的撓度；為底架寬。

1.2 扭轉(zhuǎn)剛度試驗測量

目前CAE仿真技術(shù)已廣泛應用于車身扭轉(zhuǎn)剛度的計算上，但是考慮到車身試制過程中受到材料、工藝技術(shù)和制造誤差的影響，仿真值與實際測量值往往有一定的差別。為準確知道車身扭轉(zhuǎn)剛度的大小，通常開展車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗，試驗臺架如圖2所示。一般采用汽車前軸固定、后軸扭轉(zhuǎn)的模式，進行加載測量。

2 車身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升方法

轎車的焊接白車身如圖3所示，主體可分為車身下裝和上裝兩部分。車身下裝由前地板、后地板和前艙等部件構(gòu)成；上裝由左右側(cè)圍、頂蓋、后隔板及后圍板等部件構(gòu)成。構(gòu)成車身的零件主要分為覆蓋件和結(jié)構(gòu)件兩種，其中覆蓋件的作用是覆蓋和密封，結(jié)構(gòu)件的作用是傳遞載荷和承擔載荷。

提升車身扭轉(zhuǎn)剛度主要從結(jié)構(gòu)件著手，采用以下方式。

1）加強車身底板的縱向、橫向剛度設計

由于承載式車身沒有剛性車架，即使加強了車身上裝、前艙結(jié)構(gòu)設計，也不能輕視車身底板的剛度設計。車身底板構(gòu)架在抗擊4個車輪受力不均勻時仍起到主要作用。如圖4所示，前后懸架在車身上的固定點主要位于車身底板構(gòu)架上。

2）加強車身關(guān)鍵接頭結(jié)構(gòu)的剛度設計

車身結(jié)構(gòu)中把承載桿梁件的連接部位稱為接頭[6]。接頭剛度對車身剛度的影響較大，可達50%～70%。圖5是車身關(guān)鍵接頭所在的位置，在接頭結(jié)構(gòu)的設計上，需注意結(jié)構(gòu)的漸變性，避免產(chǎn)生應力集中或剛度不足的問題。

3）加強載荷傳遞路徑的剛度設計

在車身接頭與接頭之間，需注意載荷傳遞路徑的連續(xù)性及截面尺寸的連續(xù)性，避免載荷傳遞過程中的突變或中斷，如圖6所示。保持載荷傳遞的連續(xù)性，既可提升車身扭轉(zhuǎn)剛度，又可提升車身碰撞安全性。在截面尺寸的構(gòu)建上，一般要求截面封閉成環(huán)，截面越接近圓形，其抗扭能力越高。在矩形截面中，正方形抗扭能力最高，當兩邊長度之比小于1/2時，其抗扭能力明顯下降。

4）加強車身環(huán)狀結(jié)構(gòu)的剛度設計

轎車車身由于四門兩蓋、風擋玻璃窗的存在，以及擁有A、B、C、D柱和眾多的縱向梁、橫向梁，其自身存在很多環(huán)狀結(jié)構(gòu)。圖7為車身橫向環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)對提高扭轉(zhuǎn)剛度非常有利，因此在環(huán)狀結(jié)構(gòu)處需注意載荷傳遞路徑截面尺寸設計，避免閉合環(huán)轉(zhuǎn)變成開口環(huán)。

5）加強車身上安裝點固定支架與車身上承載梁的集成性設計

車身上一些重要安裝點，如懸架、動力總成、拖鉤、座椅和安全帶等的固定點，一般應設置在載荷傳遞路徑上。這樣，既可以保證固定點強度，又可以加強載荷傳遞路徑結(jié)構(gòu)設計，做到車身輕量化。

3 扭轉(zhuǎn)剛度性能提升設計及驗證

以某車型開發(fā)為例，在三廂車基礎上開發(fā)兩廂車，軸距不變。兩廂車與三廂車的不同點主要是車身后半部，三廂車的駕駛室與行李廂是獨立的，兩廂車的駕駛室與行李廂是結(jié)合在一起的，如圖8所示，車身前半部相同，后半部不同。從車身結(jié)構(gòu)來比較，三廂車與兩廂車的最大不同點是三廂車有后隔板，兩廂車沒有后隔板，如圖9所示。由于后隔板位于車身后半部的中部，連接左右側(cè)圍，對提升車身扭轉(zhuǎn)剛度有一定的作用。

3.1 提升扭轉(zhuǎn)剛度的結(jié)構(gòu)設計

1）側(cè)圍后支柱加強板設計

為提升側(cè)圍后支柱處載荷傳遞路徑的剛度，結(jié)合車身后三角窗造型，設置三角架式后支柱上加強板結(jié)構(gòu)，將后輪罩與門框上邊梁及頂蓋后橫梁連接起來，如圖10所示。

2）頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接接頭設計

為提升頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接處接頭剛度，在確保工藝可行的前提下，將后背門鉸鏈固定點加強板與側(cè)圍后支柱上加強板連接起來，實現(xiàn)頂蓋后橫梁、背門鉸鏈固定點加強板與側(cè)圍外板、流水槽板、后支柱上加強板、后支柱里板等部件相互連接，保證頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接處的接頭剛度。如圖11所示。接頭處車身橫斷面如圖12所示。

3）側(cè)圍后支柱里板加強板設計

在側(cè)圍后支柱里板加強板的結(jié)構(gòu)設計上，為加強側(cè)圍結(jié)構(gòu)，增強車身扭轉(zhuǎn)剛度，減少三廂變兩廂無后隔板的影響，采用鐮刀形加強板結(jié)構(gòu)，如圖13所示。該結(jié)構(gòu)一是能加強后輪罩里板、后支柱里板及后支柱里板后側(cè)邊的載荷傳遞路徑的剛度，二是能提供后排座椅靠背鎖扣、后排安全帶卷收器的固定點，實現(xiàn)車身上安裝點固定支架與車身上承載梁的集成性設計。

3.2 仿真分析

對上述兩廂車進行扭轉(zhuǎn)剛度分析，與三廂車作比較，見表1。盡管兩廂車無后隔板和后隔板前、后橫梁結(jié)構(gòu)，但分析結(jié)果顯示，兩廂車白車身的扭轉(zhuǎn)剛度僅比三廂車低4.8%。

表1 扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果比較

三廂車兩廂車降低比率 扭轉(zhuǎn)剛度/（N·m/°）13 10112 4704.8%

對頂蓋后橫梁與側(cè)圍之間的接頭進行剛度分析，其、向剛度值分別為12 824 N/°、3 546 N/°，均超過相應的經(jīng)驗參考值。

3.3 試驗驗證

對焊接白車身進行扭轉(zhuǎn)剛度臺架試驗，如圖14所示，分別在后軸位置沿逆時針、順時針依次加載500、1 000、1 500、2 000 N·m扭矩載荷進行試驗，各測點百分比的回零均在±0.05 mm范圍內(nèi)，說明各測點變形正常，且均未出現(xiàn)塑性變形。其中，在后軸沿順時針加載2 000 N·m扭矩載荷車身變形曲線如圖15所示。

將測量值進行計算轉(zhuǎn)化為剛度值，為12 654 N·m/°，與仿真值基本吻合。

4 結(jié)束語

探討了提升車身扭轉(zhuǎn)剛度的方法，包括加強車身底板骨架梁結(jié)構(gòu)、加強車身接頭結(jié)構(gòu)、加強載荷傳遞路徑結(jié)構(gòu)、加強車身環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)及將重要安裝點支架與載荷傳遞路徑集成的方法，并在某兩廂車車身結(jié)構(gòu)設計中進行應用，取得良好的效果。通過在無后隔板的兩廂車上，加強側(cè)圍后支柱載荷傳遞路徑結(jié)構(gòu)設計，加強頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接處接頭結(jié)構(gòu)設計，以及將后排座椅靠背鎖扣固定點、后排安全帶固定點集成到后支柱加強件的載荷傳遞路徑上，實現(xiàn)提升兩廂車車身扭轉(zhuǎn)剛度的效果。

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2016-06-30

1002-4581（2016）06-0010-04

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10.14175/j.issn.1002-4581.2016.06.003