某轿车白车身静刚度试验台设计方案研究

陆玉兵

（六安职业技术学院 汽车与机电工程学院，安徽 六安 237158）

基于人们环保意识的增强和机动车节能减排的环保标准不断提高，轻量化设计性要求成为当前轿车设计主导趋势，为了降低用材质量，全承载式结构设计正成为轿车车身设计首选方案，全承载式结构最大优点在于汽车行驶过程中，车身能够承受弯曲和扭转两种载荷。汽车在两种载荷作用下，轿车车身的静态刚度特性设计对车身行驶过程中的安全性起着决定性作用。若轿车车身的静刚度不符合要求，不仅影响着驾驶人员的安全性、可靠性和操纵稳定性，还影响着轿车本身的动力响应特性和轿车启动时的噪音、振动和行驶过程中的油耗等关键性指标。轿车车身结构动态研究是建立在车身静态刚度的基础上，虽然国内外科研机构已经开始对车身静刚度试验台进行相关研究，但这些机构都是针对某一款车型搭建出相应的车身刚度试验平台，进而导致目前市场上存在的车身静刚度试验台均存在着测试不准、安装定位过约束、加载效率低等问题。因此，研究设计出适应多种车型白车身静刚度的试验台，具有重要的市场应用价值。

1 车身静态刚度理论

车身的静刚度是指轿车在行驶过程中车身在遭遇内、外载荷时轿车车身抵抗变形的能力，这种抵抗变形的能力是评价轿车性能的关键指标。分析轿车白车身静刚度并对其进行试验的目的，是找出影响车身静态刚度不足的原因，为车身轻量化设计提供参考性依据。车身的弯曲刚度是指在承受内部或外部负载工况下这种抵抗弯曲变形的特性，在轿车车身静刚度检测中，为方便、简化操作，行业中多以车身承受的总载荷与门槛处的最大弯曲挠度的比值来表征车身的弯曲刚度，其代号为EI，其公式为。

式中EI 为车身弯曲刚度，单位为N/mm；∑F为施加在车身上的载荷，单位为N；δ为车身门槛处最大弯曲挠度，单位为mm。

车身的扭转刚度是指轿车在高低不平的路面上行驶时，车身在承受内外部载荷时抵抗扭转变形的特性，为方便理论计算，可将汽车的车身假设为典型的力学模型，运用刚度计算公式计算出车身的扭转刚度。当轿车车身受到外部扭矩作用时，将产生扭转角，假设车身具有均匀扭转刚度，车身的扭转刚度即表示为单位扭转角所承受到的力，可用代号G表示，其公式为：

式中G为车身扭转刚度，单位为（N·m）/（°）；M 为加载在车身上的外部扭矩，单位为（N·m）；θ为车身受到外部扭矩作用时，前、后轴相互间产生的相对扭转角度，单位为（°）。

2 试验台结构组成

本方案研究的试验台能够实现轿车车身在承受载荷时的车身静态弯曲刚度、静态扭转刚度和车门、风窗洞口变形量两种类型试验项目，同时可以对试验结果进行数值处理、打印和保存。本试验台适用于各类轿车、MPV、SUV 等各种乘用车，车身尺寸长度小于等于6 米、宽度小于等于2 米、高度小于等于2 米的静态弯曲、扭转刚度试验。试验台主要由铁地板、安装台架、加载装置、弯曲刚度施力台架、扭转刚度施力台架、测量控制系统、夹具系统和计算机控制柜等部分组成，试验台方案模型如图1，试验台结构如图2所示。

图1 试验台方案模型

图2 试验台结构图

2.1 铁地板

铁地板的结构设计为T 型槽式结构，设计总体尺寸为4000mm×6000mm×250mm，材料采用HT200。铁地板在安装时，需要用水平仪对其进行水平校准，且保证工作面平面误差不大于1mm，以确保在试验时，施加在平板上的载荷能够被均匀地分散到各支撑点上。在制造时，由于铁地板毛坯为铸造成型，其表面留有硬壳且质地不均匀，因此在铁地板平台粗、精加工前需要回火等热处理，消除平台内部残余应力，从而保证平台稳定不变形。铁地板要求具有良好的承重性，能够有效阻隔振动，并能承载不小于5T/m外部压力。

2.2 试验台架

为了保证试验台在工作时各机构运行的稳定性，试验台整体设计为架式结构，并将传感器部件、固定机构、支撑部件、外部载荷加载装置等依次安装在试验台的平台上。为了满足和适应不同车型和长宽尺寸要求，试验台需设计为纵向、横向定位装夹机构可调，横向可调范围±0.4m，调整功能通过T 型工作台来实现，T 型工作台的宽度为2m，纵向调整可直接通过后悬安装夹具的移动来实现。

该试验台T 型台架由连接轴、支撑座和衍架等几部分组成，为防止工作时产生轴向窜动，在连接轴处设计有能防止衍架沿轴向窜动的定位元件，衍架和支撑座之间采用连接轴铰接，衍架的铰接点选定在中部，而支撑座的铰接点应选在上端，定位元件设置在衍架两侧面的支撑座上，能有效地防止衍架轴向串动，可提高该试验台的扭转刚度试验精度。

2.3 加载装置

加载装置由六个相互独立的加载系统作为施力源，每个力加载系统均是由伺服步进电动机、减速器（又称为减速机）、测力用传感器、丝杆等主要构件组成。工作时，两个加载系统作为扭转检测加载施力源，同时作用时可实现扭矩试验，另外四部电机作为弯曲检测加载施力源，同时作用时可实现弯矩试验。伺服电机要求加载力≥2000N，并可实现阶梯加载，加载步幅可调范围为300-1500N，伺服电机加载速度≤0.001m/s，其值可通过改变每秒钟伺服电机脉冲数实现。

2.4 测量控制系统

测量控制系统采用力控制、位移控制或复合控制形式，试验中，选用计算机控制柜和高精度模拟量采集卡的控制信号与采集信号，该设备可通过自行或外协设计编程软件，对伺服电机的驱动电压进行调节与控制，以实现电机的转速与载荷的随机控制。在试验过程中，先根据检测要求设定出标准中规定力的初始值，当加载达到该值时，软件就会对力载荷及其相应的位移量等相关数据进行采集和数据处理，显示出对应的刚度数值，并同时绘制出载荷-刚度关系曲线。在静态扭转检测时，加载点位于前悬安装架距中心1m 处，此点是固定的，不因车型不同而变化。在静态弯曲试验时，加载点为前后排座椅安装点，加载单元与加载点的连接顺序依次为直线位移加载杆、牵引软钢缆、力传感器、关节轴承和加载点。静态扭转试验时，加载单元固定不动。静态弯曲试验时，加载单元随加载点的不同而变化。

2.5 计算机控制系统

计算机控制系统全部集成在一台专用的计算机控制柜中，该系统可由专业中高配置通用计算机改制或由专业企业协作生产，计算机控制柜外观采用钢制材质台体，其内部结构分为电气部分和机械部分两大模块，并用控制电缆将其与检测台架和传感器测量柜连接。

2.6 夹具系统

试验台中的夹具影响着其在试验过程中的便捷性和安全性，并对车身固定起着关键性作用。试验时，夹具所产生的夹紧力要能够模拟车身在实际行驶过程中的受力情况。用球铰链将车身夹具分别与车身前、后减振器支座连接，用销轴将前部扭转梁、后部固定台架与连接杆连接，从而避免了过约束对载荷的影响。由于不同车型的前倾角和外倾角是不同的，为适应不同车型的车身装夹要求，前悬安装夹具设计要具有一定柔性。后悬安装夹具采用两点约束或四点约束，并能在室内的槽式钢制地板上实现纵向移动（设为X 方向），以适应不同车型和轴距的装夹要求，同时后悬安装夹具也可实现横向（设为Y方向）移动以适应不同车宽要求。为使车身在试验时能够处于水平状态，后悬安装夹具要能够实现上、下（设为Z方向）移动的调整丝杆，可使车身处于试验前的水平状态。试验时，为保证施加的载荷能够处于垂直方向，用球铰链将前轴的扭转夹具、后轴的固定夹具分别连接在前置减震塔、后置减震塔上。

3 试验及数据处理

3.1 车身静态弯曲刚度试验

将轿车车身安装在试验台上时，以车身和扭转横梁的中心线为参考，将两者调整到等高位置，并使车身的左、右、前、后四个方位均能处于水平状态。试验时，根据白车车身要检测的结构参数，把车身固定在前悬安装架和后悬安装架上，并在铁地板上调整前悬安装架与后悬安装架的位置。调整施力装置到合适的位置并固定牢固。根据试验需要，在不同的检测点安装合适的传感器，并使其固定牢固。各检测点要根据具体情况恰当地选择在车身结构的关键点、承受主要载荷结构的结合处、车身地板结构中心点等关键位置，如前纵梁、门槛梁、门槛梁与前、后横梁的交接处等位置。

为防止在试验过程中因车身下沉对检测结果的影响，通过计算机对施力装置加载控制时，以设置的最大载荷值的二分之一为标准量，对车身进行加载，如此反复两至三次。计算机控制施力装置缓慢加载，直到力达到规定的数值。在加载过程中，计算机自动记录各测量点的变形量，并形成在不同加载力值时相关测量点的变形曲线。在对白车身门槛梁进行弯曲刚度试验时，只需限制车身前悬挂点的X、Y、Z 方向三个平动自由度，后悬挂点在XY方向平面上采用自由支撑，并对其Z方向的平动自由度进行限制。伺服电机加载时，在轿车车身的两排座椅安装固定处使用4 个电机在垂直方向上分四次阶梯式进行加载。

试验时，计算机根据采集的各检测点至前轴距离和相应的位移量，经过系统处理，并绘制出各检测点位移-变形量曲线图。加载力为14700N，各测试点变形量曲线如图3 所示，图中所示曲线图的X 坐标轴表示测试点至前轴距离，Y 坐标轴表示门槛梁在承受外部载荷时的变形量。

图3 白车身门槛梁各检测点位移-变形量曲线图

在如图3 变形曲线上，找出在Y 坐标方向上的位移变形量为最大位置处（最高处）的变形量值约为2.5mm，根据弯曲刚度公式（1）计算出白车身门槛梁弯曲刚度数值EI=14700/2.5=5880N/mm，该值与运用ANSYS 受力仿真分析软件分析的结果6000N/mm 较为接近，即该装置检测的弯曲刚度与ANSYS仿真的误差率小于5.0%，在正常允许误差范围内。

3.2 车身静态扭转刚度试验

对轿车车身进行静态扭转刚度试验时，车身的安装固定方法要求和静态弯曲刚度试验安装方法不同点在于进行静态扭转刚度试验时，需要在门槛梁和前后纵梁两处分别增设相应传感器，用来测量整车身在接受外部载荷时的变形量，特别是布置在前后悬架上的传感器，此位置测量数据是进行前、后悬架相对扭转角计算的基础。在进行车身静态扭转刚度检测时，前悬挂点限制X、Y和Z 方向三个平动自由度，后悬挂点需限制X、Y和Z三个方向的平动和绕轴的三个转动共六个自由度。

在完成车身安装固定和传感器安装后，同样需要进行两到三次的预加载，除了防止加载时车身下垂对测量的影响外，还可消除车身安装时可能产生的间隙。计算机控制的施力装置进行缓慢加载，直到扭矩达到预先规定的数值。在加载过程中，计算机自动记录各测量点的变形量，并形成在不同加载扭矩值时相关测量点的位移曲线。加载时，以1000Nm 逐级加载，直到达到最大值，期间每1000Nm 采集一次各点变形值，顺时针和逆时针各做三次，各测点位移变形量以及扭转角变化曲线如图4所示。

图4 白车身各测点位移变形量和扭转角曲线图

在如图4 变形曲线上，找出在Y 坐标方向上扭转角最大位置处（前悬位置）的扭转角分别约为0.06°、0.11°、0.16°和0.22°，根据扭转刚度计算公式（2）计算出每次加载时的扭转刚度数值，取四次平均值后得出身的扭转刚度数值G=17945.08（N·m）/（°），该值与运用ANSYS 受力仿真分析软件分析的结果18000（N·m）/（°）较为接近，即该试验台检测的弯曲刚度与ANSYS 仿真的误差率小于5.0%，在正常允许误差范围内。

4 结束语

基于静态弯曲、扭转刚度理论基础，研究出用于白车车身静态刚度检测系统的试验台，并利用该试验台在静态工况下，检测轿车白车身或其主要部件的静态刚度，得出白车身或其主要部件的弯曲、扭转刚度数值及刚度的变化规律，并依据静刚度计算公式得出弯曲扭转刚度数值，进而做出车身的静态刚度合格性判定。试验时，通过设定、记录和显示力、变量等检测数据的关系图，并可选择性地保存检测数据，形成并打印检测报告，为轿车厂家车身轻量化优化过程中的车身刚度设计提供参考。除此之外，本装置可通过程序控制对检测项目和参数功能进行任意选择和组合，以适应不同场合需要。