車載行李架承載力性能及可靠性測(cè)試

唐振華，武文超

（吉利汽車中央研究院，寧波 315336）

引言

汽車行李架的叫法有很多，包括：車頂架、車頂橫梁、車頂行李架、汽車頂架、車頂支架。根據(jù)car2100權(quán)威定義，汽車行李架指安裝在車頂便于系帶大件物品的支架，是汽車車頂一切搭載方案的基礎(chǔ)[1]。 它兼具審美與實(shí)用功能，既可配合車身的造型和顏色，讓車看上去更美觀、更酷，也可以在車內(nèi)空間不足時(shí)，在車身外安全方便地放置和固定行李。它能承載行李廂放不下的東西，比如體積大的行李、自行車、折疊床、皮劃艇等[2]。

當(dāng)然，在行李架上安裝物品后無(wú)疑增高了車輛重心，使得車輛在緊急情況下出現(xiàn)意外的概率大大提升，因此駕車時(shí)需要注意避免急剎、急轉(zhuǎn)彎等情況。為驗(yàn)證行李架具備足夠的載物強(qiáng)度，需要在樣件量產(chǎn)上市前進(jìn)行充分的臺(tái)架測(cè)試和仿真模擬研究，然后再進(jìn)行整車路試，確保行車安全。有限元模擬仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛用于汽車行李架的開(kāi)發(fā)研究，大大推動(dòng)了汽車安全質(zhì)量的提升[3,4]。因此，汽車研究人員開(kāi)發(fā)了一系列汽車行李架，用于汽車載物和出行[5,6]。在裝載物品情況下，行李架自身的安裝強(qiáng)度及耐久性對(duì)行車安全影響巨大[7-9]。本工作開(kāi)發(fā)了汽車行李架臺(tái)架，主要為了將垂直載荷工況的受力情況盡量真實(shí)模擬出來(lái)，從而不用通過(guò)整車實(shí)驗(yàn)，就能在臺(tái)架上得出相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品裝車前就能獲取其設(shè)計(jì)是否可靠的結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

臺(tái)架就是測(cè)試臺(tái)，通常由控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等組成。臺(tái)架測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證并保證產(chǎn)品充分滿足設(shè)計(jì)意圖及質(zhì)量要求。臺(tái)架本身需要具備一些特征，如結(jié)實(shí)性、精確度、可操作性、環(huán)保要求等。本文用到的驗(yàn)證臺(tái)架是由作者聯(lián)合非標(biāo)臺(tái)架設(shè)計(jì)公司進(jìn)行的方案設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)行李架在汽車運(yùn)行過(guò)程中各典型工況的力學(xué)分析驗(yàn)證。臺(tái)架主要部件如表1所示。

表1 工裝臺(tái)架主要部件

設(shè)備說(shuō)明如下：

1）筆記本電腦一臺(tái)，安裝軟件TCE v3.21.0，用于控制調(diào)試數(shù)據(jù)采集儀，并記錄顯示多通道應(yīng)變信號(hào)。

2）數(shù)據(jù)采集儀器一臺(tái)，含一層16通道低電平數(shù)據(jù)板，用于標(biāo)定采集12通道應(yīng)變片信號(hào)。

3）三向應(yīng)變花四片，粘貼在行李架橫梁與端座連接處對(duì)應(yīng)位置，采集測(cè)試過(guò)程中的三向應(yīng)變信號(hào)（收集應(yīng)力情況）。

4）百分表二個(gè)，帶磁性底座固定在車頂上，百分表頂針布置在行李架橫梁對(duì)應(yīng)位置，采集測(cè)試過(guò)程中的位移變化量（測(cè)試位移變化）。

5）伺服液壓缸一套，帶力傳感器并配合鋼絲繩和定滑輪機(jī)構(gòu)，按照要求，控制加載力大小和方向，實(shí)現(xiàn)加載工況。

1.2測(cè)試方法

按照實(shí)際裝車狀態(tài)，把行李架橫梁安裝到車頂縱軌上。在行李架橫梁和其端座螺栓連接處分別布置四個(gè)三向應(yīng)變花（如圖1示例），在行李架一根橫梁上布置兩個(gè)百分表，在加載測(cè)試過(guò)程中，記錄百分表讀數(shù)，并采集應(yīng)變花數(shù)據(jù)。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，分析出行李架橫梁剛度以及橫梁與端座連接處的應(yīng)力分布情況，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文測(cè)試工況為最基礎(chǔ)的垂向載荷工況，其他工況可由實(shí)際需求進(jìn)行改組搭建完成。

圖1 垂向載荷示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果討論

1.3.1臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的垂直載荷工況介紹

臺(tái)架試驗(yàn)如圖1所示，在前后行李架的中心位置，模擬735 N的重力加載到該位置，測(cè)試前后行李架在加載力方向上的位移值和應(yīng)力分布。位移測(cè)量點(diǎn)為前后橫梁中間點(diǎn)，參考圖1中A和B點(diǎn)。應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)參考圖2（P1-P4），應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)為有限元分析結(jié)果中的應(yīng)力集中點(diǎn)，此處為橫梁與其端座連接處。

1.3.2垂直載荷工況在實(shí)際工裝臺(tái)架上的施力過(guò)程

1）在臺(tái)架橫梁和端座的連接處（圖2中P1-P4處）貼上三向應(yīng)變花，因橫梁表面為陽(yáng)極氧化處理，需稍加打磨才能粘貼到位（如圖3）。4條應(yīng)變通信電纜接入數(shù)據(jù)采集儀，電腦連通數(shù)采儀，用TCE軟件控制數(shù)采儀，并標(biāo)定應(yīng)變信號(hào)。如圖4所示。

圖2 應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)示意圖

圖3 應(yīng)變花粘貼位置

圖4 電腦連接EDAQ數(shù)采儀

2）車頂平放在4 m×6 m的水平鐵地板上，用水平儀調(diào)整車頂位置，并固定在鐵地板上。在行李架橫梁對(duì)應(yīng)位置布置兩個(gè)百分表。如圖5所示。

圖5 百分表放置位置

3）在當(dāng)前狀態(tài)對(duì)百分表和數(shù)采儀中的應(yīng)變信號(hào)清零，并準(zhǔn)備相機(jī)和工具，開(kāi)始加載并記錄或采集數(shù)據(jù)。

4）行李架橫梁上放置負(fù)載框架，然后逐步在負(fù)載框架上增加負(fù)載重物，直到735 N為止，如圖6所示。記錄負(fù)載后的百分表讀數(shù)和應(yīng)變信號(hào)，如圖7所示。

圖6 負(fù)載加載

5）卸載并整理場(chǎng)地。

6）整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效負(fù)載實(shí)驗(yàn)工況結(jié)束。

7）繼續(xù)完成其他工況（如有），直至所有工況完成。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

各工況靜態(tài)加載位移統(tǒng)計(jì)分析如表2。

由表2可知，各工況靜態(tài)加載位移測(cè)試值中，前后橫梁測(cè)量值較大，比有限元分析值略大，且符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求值。有限元分析結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)值的差異，可從數(shù)模網(wǎng)格劃分、約束點(diǎn)位置、工裝臺(tái)架精度等進(jìn)行具體分析，本篇不做詳細(xì)展開(kāi)。

表2 有限元分析值和實(shí)際工裝測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比表

1.3.4 有限元分析的應(yīng)力數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)有限元分析的應(yīng)力數(shù)據(jù)（圖8），可以得出最大應(yīng)力基本在橫梁與四個(gè)端座的連接處。

圖8 735 N負(fù)載下有限元分析應(yīng)力值

將實(shí)際應(yīng)力值與虛擬分析值進(jìn)行比較分析，如表3所示。應(yīng)力虛擬分析值與實(shí)際臺(tái)架結(jié)果相當(dāng)接近，實(shí)測(cè)值較理論值偏小，該有限元分析值可信度較高，值得在其他產(chǎn)品推廣。

表3 11種工況下有限元分析應(yīng)力值

1.3.5行李架疲勞動(dòng)載可靠性驗(yàn)證

行李架在實(shí)際使用過(guò)程中隨著汽車的上下顛簸，整個(gè)載荷加載過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此有必要對(duì)行李架橫梁安裝后進(jìn)行垂直動(dòng)態(tài)加載驗(yàn)證。加載條件按照要求如表4所示。

表4 動(dòng)態(tài)加載參數(shù)

工裝采用氣缸，力傳感器及位移傳感器等組成（如圖9），將行李架橫梁通過(guò)一些固定板材固定到氣缸頂部推頭上，當(dāng)氣缸頭上下行進(jìn)過(guò)程中帶動(dòng)行李架橫梁一起上下運(yùn)動(dòng)，推力大小根據(jù)力傳感器的讀取進(jìn)行閉環(huán)控制，加載波形和位移波形如圖10和圖11所示。

圖9 行李架疲勞動(dòng)載可靠性耐久工裝

圖10 ±700 N加載波形及位移圖

從圖10中可以看出，在±700 N加載過(guò)程中，行李架橫梁最大位移為0.3 mm，在±500 N加載過(guò)程中（圖11），行李架橫梁最大位移為0.24 mm。

圖11 ±500 N加載波形及位移圖

具體可靠性要求如下：

1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察行李架是否有異響等異常狀態(tài)。

2）連接頭和縱梁之間通過(guò)M6螺栓連接，安裝扭矩為（9±2）N·m；橫梁和連接頭之間通過(guò)M5螺栓連接，安裝扭矩為（4.5±1）N·m。在實(shí)驗(yàn)后先手動(dòng)搖晃測(cè)試橫梁有無(wú)明顯松動(dòng)，然后用扭矩扳手測(cè)試螺栓扭矩值是否在范圍內(nèi)。

3）讀取行李架前后橫梁中心點(diǎn)位置的最終位移量，要求永久位移變化小于3 mm。

4）觀察行李架橫梁、縱梁和橫梁的連接處有無(wú)明顯外觀變化，如鋁材應(yīng)力變色、表面涂層脫落、基材裂紋、斷裂等。

5）觀察縱梁與車頂匹配情況，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行照片記錄，實(shí)驗(yàn)后不應(yīng)出現(xiàn)異常的間隙及干涉情況，造成對(duì)車頂?shù)膿p傷。

6）若是行李架安裝在車輛上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，條件允許的前提下，需要將車輛行駛到專業(yè)路試路面，對(duì)行李架進(jìn)行行車品質(zhì)的驗(yàn)證，確保實(shí)驗(yàn)后無(wú)異常情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)人員每隔2 h對(duì)實(shí)驗(yàn)中的橫梁進(jìn)行觀察監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)有異響等異常情況發(fā)生。

2） 實(shí)驗(yàn)完成后，實(shí)驗(yàn)人員拆除工裝，手動(dòng)搖晃前后行李架橫梁，未發(fā)現(xiàn)行李架橫梁有異常松動(dòng)，隨后用扭矩扳手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的螺栓扭矩測(cè)試，發(fā)現(xiàn)連接頭與縱梁的螺栓扭矩值都在（9±2）N·M范圍內(nèi)，符合扭矩要求；連接頭與橫梁的螺栓扭矩值在（4.5±1）N·M范圍內(nèi)，符合扭矩要求。

3） 通過(guò)百分表讀取前后行李架橫梁的永久位移變化，前橫梁為向下0.8 mm，后橫梁為向下1.2 mm，滿足小于3 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4） 將橫梁從縱梁上拆下，仔細(xì)觀察氣缸工裝在橫梁的施力處，無(wú)應(yīng)力發(fā)白、表面涂層脫落等情況發(fā)生。連接頭和橫梁的交接處匹配正常，無(wú)明顯間隙變化和其他外觀變化。連接頭和縱梁的連接處無(wú)明顯間隙變化和斷裂情況，拆下的緊固件除正常緊固時(shí)造成的螺紋輕微擦痕，無(wú)任何其他變化產(chǎn)生。

5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，行李架縱梁與車頂之間配合正常、間隙均勻，基本與實(shí)驗(yàn)前的狀態(tài)保持一致，且沒(méi)有對(duì)車頂造成任何損傷。

6）因該行李架安裝在白車身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故無(wú)法進(jìn)行路試，僅通過(guò)以上臺(tái)架檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行可靠性的驗(yàn)證。

通過(guò)以上試驗(yàn)可以得出，行李架在完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的可靠性耐久實(shí)驗(yàn)后，各項(xiàng)參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，行李架的間隙、外觀、狀態(tài)均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)順利通過(guò)。

2 結(jié)論

本篇通過(guò)對(duì)行李架系統(tǒng)在工裝上進(jìn)行垂直靜態(tài)加載測(cè)試，得出實(shí)際位移量和應(yīng)力數(shù)值，通過(guò)與有限元分析數(shù)值進(jìn)行比較，得出了兩者相對(duì)接近的數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)際加載工裝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為行李架量產(chǎn)前的性能驗(yàn)證提供保障。又根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)行李架進(jìn)行了總計(jì)21 000次的加載耐久實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)無(wú)論是扭矩、位移量、外觀形狀，還是產(chǎn)品自身的安裝狀態(tài)，都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的可靠性要求。

行李架加載工裝可以根據(jù)企業(yè)要求、客戶實(shí)際使用場(chǎng)景、路況等因素進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，其廣泛的適用性及精準(zhǔn)的結(jié)果為研發(fā)設(shè)計(jì)人員提供了有效的設(shè)計(jì)輸入及質(zhì)量保障，是行李架開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的驗(yàn)證工具，值得推廣應(yīng)用。