普通乘用車白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束系統(tǒng)的研究

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(shí)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(shí)的許可變形。白車身彎扭剛度特性試驗(yàn)所得彎扭剛度值對(duì)于相關(guān)企業(yè)具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和技術(shù)價(jià)值。在這類試驗(yàn)中，試驗(yàn)對(duì)象復(fù)雜、投入設(shè)備多，影響試驗(yàn)及其結(jié)果的環(huán)節(jié)一環(huán)緊扣一環(huán)，需要試驗(yàn)人員理清其中的主要環(huán)節(jié)并加以合理實(shí)施。在整個(gè)試驗(yàn)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(diǎn)用不同形式的接頭能夠產(chǎn)生差異很大的試驗(yàn)結(jié)果。該文希望通過對(duì)約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的討論，得到一個(gè)合適的選擇。

1 白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束系統(tǒng)的分析

1.1 白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束系統(tǒng)的重要作用

1.1.1 對(duì)白車身彎扭試驗(yàn)設(shè)備體系重要的一環(huán)

白車身彎扭剛度試驗(yàn)的完成，主要包括6個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)施：1）對(duì)象的選擇；2）對(duì)象的裝夾；3）測量點(diǎn)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(yàn)對(duì)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(duì)試驗(yàn)承擔(dān)著重要的作用。

整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備體系構(gòu)建應(yīng)，如圖1所示：

圖1 白車身彎扭試驗(yàn)設(shè)備體系構(gòu)成

1.1.2 對(duì)白車身彎扭剛度試驗(yàn)結(jié)果重要的影響

針對(duì)白車身彎扭剛度試驗(yàn)的約束系統(tǒng)，僅就約束點(diǎn)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(yàn)結(jié)果。以往所做驗(yàn)證試驗(yàn)已經(jīng)證明了它對(duì)試驗(yàn)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(gè)鉸接接頭，所得剛度比只帶一個(gè)鉸接接頭大約60 %。

（b）后懸位置鉸接情況下，前支撐帶兩個(gè)鉸接接頭，所得剛度比只帶一個(gè)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(yàn)約束系統(tǒng)的建立

1.2.1 白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束點(diǎn)的確立

1.2.1.1 白車身實(shí)際使用中的約束點(diǎn)

白車身的實(shí)際使用千差萬別，它與底盤的連接各式各樣，所形成的對(duì)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(gè)約束點(diǎn)，對(duì)于高級(jí)乘用車可達(dá)20個(gè)約束點(diǎn)，如圖2和圖3所示。

圖2 普通乘用車白車身約束點(diǎn)

圖3 高級(jí)乘用車白車身約束點(diǎn)

1.2.1.2 白車身彎扭試驗(yàn)中的約束點(diǎn)

白車身畢竟不能等同于整車，白車身彎扭試驗(yàn)理論上是對(duì)白車身實(shí)際使用的模擬，是實(shí)際部分白車身質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)。在試驗(yàn)時(shí)，白車身彎扭試驗(yàn)是對(duì)白車身實(shí)際使用情況的一種提煉后，以試驗(yàn)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)的方式，對(duì)白車身彎扭情況加以驗(yàn)證，因此，約束點(diǎn)的選擇沒有納入每一個(gè)約束點(diǎn)，試驗(yàn)設(shè)備及其操作也要求盡可能簡化。約束點(diǎn)的選擇中，4點(diǎn)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(xiàng)試驗(yàn)，如圖4和圖5所示。

圖4 多點(diǎn)約束試驗(yàn)

圖5 典型四點(diǎn)約束試驗(yàn)

1.2.2 白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束對(duì)象的確立

首先，白車身彎扭剛度試驗(yàn)必須明確一點(diǎn)：試驗(yàn)對(duì)象是白車身。白車身彎扭試驗(yàn)對(duì)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(xiàn)率占比最高、價(jià)值度最大。白車身彎扭試驗(yàn)就是針對(duì)白車身剛性值的測定，而非其他，如圖6所示。

圖6 各總成對(duì)整車剛度貢獻(xiàn)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(yàn)結(jié)果都滲入了其他總成的影響。除非試驗(yàn)?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(yàn)并不是我們所謂的白車身彎扭剛度試驗(yàn)。附加總成的剛性化處理不能避免它對(duì)白車身試驗(yàn)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(yàn)是對(duì)白車身剛性值的測定，就應(yīng)該在白車身上選擇特殊點(diǎn)作為約束對(duì)象，對(duì)白車身施加約束。這些點(diǎn)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(duì)應(yīng)位置的安裝支架，象后懸減震彈簧安裝支架等。這4個(gè)點(diǎn)，在白車身約束點(diǎn)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(diǎn)，對(duì)其他約束點(diǎn)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(yàn)約束接頭的確立

約束接頭對(duì)白車身彎扭試驗(yàn)影響巨大，尤其是對(duì)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(yàn)平臺(tái)的下接頭2種。通常而言，鉸接接頭內(nèi)裝球軸承，一個(gè)方向可全周旋轉(zhuǎn)，另2個(gè)方向在±6°范圍內(nèi)不受約束，因?yàn)榘总嚿韽澟さ慕嵌茸兓怀^3°，可以認(rèn)為白車身約束點(diǎn)使用鉸接頭時(shí)，各向旋轉(zhuǎn)不受約束，必要時(shí)，還可以調(diào)整鉸接頭安裝方向，擴(kuò)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(yàn)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(duì)約束試樣所用接頭形成的約束點(diǎn)自由度的體系化安排。國內(nèi)外對(duì)此系統(tǒng)的研究各有不同，主要依據(jù)試驗(yàn)設(shè)備和研究目的對(duì)接頭的選擇做安排，有選擇全約束、選擇約束全部平動(dòng)、選擇對(duì)4個(gè)支撐點(diǎn)分別約束平動(dòng)、后懸全約束/前懸兩點(diǎn)分別安排等多種設(shè)計(jì)，4個(gè)位置選用不同的組合，試驗(yàn)結(jié)果都會(huì)有差異。與接頭的不同所帶來的試驗(yàn)結(jié)果差異相比，試驗(yàn)設(shè)備的不同，反而帶來的試驗(yàn)結(jié)果差異要小很多。

4個(gè)約束點(diǎn)有不同自由度，與系統(tǒng)相關(guān)，更與試驗(yàn)?zāi)康南嚓P(guān)。為了用一套夾具實(shí)現(xiàn)彎曲與扭轉(zhuǎn)兩項(xiàng)試驗(yàn)，兩項(xiàng)試驗(yàn)約束條件常取一致。

如圖15所示，對(duì)白車身的約束通常選4個(gè)位置（即懸架減震彈簧安裝所在的4個(gè)位置），分別用件A、B、C、D施加約束，件A、B與剛性平臺(tái)之間通過旋轉(zhuǎn)橫梁支架連接，件C、D與剛性平臺(tái)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(tái)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(yàn)的約束位置

2 白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束體系的應(yīng)用

2.1 白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束系統(tǒng)的要求

2.1.1 試驗(yàn)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(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成一個(gè)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(yàn)中，會(huì)選擇約束系統(tǒng)自由度為負(fù)，以便達(dá)到約束系統(tǒng)剛性化的目的；同時(shí)，讓約束系統(tǒng)中夾具的剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過試驗(yàn)對(duì)象，這樣可利用約束系統(tǒng)的剛性化，使部分試驗(yàn)結(jié)果盡可能理想化。但是，這種做法只是部分試驗(yàn)的合理做法，并不適用于所有試驗(yàn)，尤其是普通乘用車白車身彎扭試驗(yàn)。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(yàn)約束系統(tǒng)剛性化的困境

對(duì)白車身彎扭試驗(yàn)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(gè)剛性大的試驗(yàn)對(duì)象。

（b）夾具方面由于試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(yàn)結(jié)果受夾具影響相對(duì)較大；而且，通過約束系統(tǒng)剛性化實(shí)施試驗(yàn)又不合理，那么，明確約束系統(tǒng)自由度為0就是一個(gè)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；

（c）可以盡可能減小約束剛性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；

（d）可以盡可能降低整個(gè)系統(tǒng)對(duì)夾具剛度的要求；

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

（f）方便試驗(yàn)實(shí)施。

2.2 白車身彎扭剛度試驗(yàn)約束系統(tǒng)的選擇

白車身彎扭剛度試驗(yàn)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(tái)。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(yàn)約束系統(tǒng)的建立，都要從實(shí)現(xiàn)基本穩(wěn)定約束開始，一般從3點(diǎn)約束開始，逐步增加（輔助）支撐，形成有效的試驗(yàn)約束系統(tǒng)。對(duì)不同約束，可以放開某些約束或相反，使整個(gè)系統(tǒng)的自由度為0，從而達(dá)成白車身試驗(yàn)約束。自由度計(jì)算如下：

其中：

n—活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量。

Pi—各類運(yùn)動(dòng)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(yàn)要通過試驗(yàn)獲取合理的結(jié)果，便于對(duì)比和評(píng)價(jià)白車身彎扭剛度，為轎車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)服務(wù)。在白車身彎扭剛度試驗(yàn)中，約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)最終結(jié)果存在影響：約束系統(tǒng)用得不一樣，試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有大的差異，尤其是扭轉(zhuǎn)測試的結(jié)果，這個(gè)差異足以影響對(duì)轎車白車身彎扭剛度的評(píng)價(jià)。對(duì)于白車身這樣的大型試件，約束系統(tǒng)的建立不能對(duì)連接接頭以全約束加以處理，附加總成也要適當(dāng)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(zhǔn)確性和可靠性，并使這類的試驗(yàn)?zāi)軌蛴幸粋€(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，利于比較、便于實(shí)施。選擇約束系統(tǒng)自由度為0，在一定程度上是該項(xiàng)試驗(yàn)的合理選擇。

表1 部分約束的分析