基于轻型货车和重型货车白车身刚度试验方法的研究.pdf

552023年第05期轻型货车（轻卡）和重型货车（重卡）在使用过程中要承受扭转、弯曲和碰撞等多种载荷的作用。如果车身刚度不足，在使用过程中可能造成车身密封不严漏风渗雨等现象发生，在碰撞时也可能会引起车身的门框、窗框等处的变形过大，从而导致车门卡死、玻璃破碎等不符合汽车安全性法规的现象发生。另外，如果车身刚度设计不合理，最终会直接或间接地影响汽车的动力响应、NVH 性能等，对汽车行驶的平顺性和操纵稳定性产生不利影响，从而影响汽车的主动安全性。因此研究车身结构的刚度显得十分重要。车身设计中需要确认最终所设计的车身能承担使用过程中的各种载荷,其中主要包括扭转、弯曲和碰撞载荷等。在这些载荷的作用下,车身的变形情况将直接或间接地对整车各种性能产生影响。这里反映车身载荷与变形关系的刚度特性显得十分重要,它主要包括车身的弯曲刚度和扭转刚度两个方面,它们从两个不同的侧面表达了车身在整体上抵抗扭转载荷和抵抗弯曲载荷的能力,这种能力又表现在静载荷与动载荷两种工况下。通常,车身的总体刚度是车身整体在各种典型受载情况下的一种综合能力的反映。车身刚度试验方法 1.弯曲刚度弯曲刚度可用车身在铅垂载荷作用下产生的挠度来描述,或者用单位轴距长度最大挠度评价。轻卡刚度试验前固定支撑如图 1 所示，轻卡刚度试验后固定支撑如图 2 所示。约束方式：1）约束白车身前左、右悬置安装座Y、Z二个方向的平动自由度（Y、Z）。2）约束白车身后左、右悬置安装座X、Y、Z三个方向的平动自由度(Y、X、Z)。3）在公司的试验中通常 4 个约束点的 6 个自由度都约束，采用刚性连接。基于轻型货车和重型货车白车身刚度试验方法的研究刚度试验是考量白车身性能的基本参数。轻型货车和重型货车白车身设计开发过程中都需要通过虚拟 CAE 分析和物理试验的方式，验证白车身的弯曲刚度和扭转刚度，保证产品性能合格。德创未来汽车科技有限公司 张宏森 魏益冰 张致乾 薛伟鹏图 1 轻卡刚度试验前固定支撑图 2 轻卡刚度试验后固定支撑49-56 测试与试验.indd 552023/9/12 15:19:4456 2023年第05期测试与试验AUTOMOTIVE TESTING加载方式：在通过座椅H点的YOZ平面与门槛相交的位置施加沿Z轴负向F=2000 N 的载荷（分别加于左右两处）。座椅H点为假人的髋部与躯干的交点，加载点的选取要求其X坐标值与座椅H点X坐标相等。在公司的试验中轻卡、重卡通常采用两点加载，加载点尽量在座椅的R点附近（图 3）。2.车身弯曲刚度试验步骤 1）重卡将左右前悬置、左右后悬置用螺栓固定在白车身上，用球铰连接在工装的固定点上；因轻卡纵梁Z向曲面变化幅度较大，需制作工装将白车身左右前悬置、左右后悬置固定点分别连接，用球铰连接在工装的固定点上。2）测量点的布置：车身刚度测量通常在白车身上进行,测量点位置的选择可以视车身的具体结构而定,通常均将测点设置在车身的主要承载结构件上,如前纵梁、门槛梁、传动轴通道梁和后纵梁上。3）进行测量点位移传感器布置安装：放置位移传感器工装，确定参考平面，对左右纵梁上各个测量点进行位移传感器安装固定。4）加载力工装安装：左右纵梁上面（主副驾座椅区域）放置垫块，将钢杆穿过左右门洞对称放置在垫块上，在垂直方向用丝杆与左右端伺服电动机连接，完成加载力的 工 装 搭 建。5）位 移 传 感 器 安 装测试：试验开始之前，将位移传感器数值归零。6）从左右逐级加载到 0、500 N、1000 N、2000 N 力，读取位移值，三次刚度值求平均值，算得弯曲刚度值（N/mm）。3.扭转刚度扭转刚度可用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角来描述,或用单位轴距长度轴间相对扭转角评价。约束方式：1）约束白车身前围中间处，同时需要保证约束点的Y坐标的值为 0，约束该点的Z向的平动自由度（Z）。2）约束白车身左右后悬置安装支座X、Y、Z三个方向的平动自由度（Y、X、Z）。3）在公司试验中约束白车身左、右后悬置安装支座的六个自由度，采用刚性连接。加载方式：在白车身前左、右悬置支座上施加一对大小为 5000 N 的力，其力的方向都在Z向。4.车身扭转刚度试验步骤1）轻卡和重卡白车身与工装连接方法同弯曲刚度试验保持一致。2）对左右前悬置约束点台架固定。3）对左右后悬置约束点台架固定。4）布置侧围门洞对角线位移传感器。5）布置前风窗对角线位移传感器。6）前扭转刚度在白车身前端安装加载力工装和传感器安装测试；后扭转刚度在白车身后端安装加载力工装和传感器安装测试。7）左右纵梁分别施加载荷，测试数据。8）从左右逐级加载到 0、1000 N、2000 N、3000 N、4000 N、5000 N 力，读取位移值，测量求平均值，算得前扭转刚度和后扭转刚度、侧围门洞和前风窗开口框对角线变化量。白车身刚度试验值和CAE 分析值准确性评价首先，白车身必须满足最低的刚度要求；其次，刚度值也不是越大越好。综合评价车身设计的优劣,除了考虑其强度方面要素外,还应同时考虑到车身自身质量(或重力)以及车身内部可利用的空间等要素。根据本方法进行商用车轻卡和重卡刚度试验，同一车型同等约束加载条件与数据处理方法下，获得的试验与 CAE 分析的刚度值误差在 5以内。若误差超出范围，需要对试验和CAE 分析方法、约束位置等展开分析。（1）轻卡物理试验和虚拟分析区别。轻卡物理试验，后悬置约束位置，用三个螺栓通过白车身后锁体安装孔，将白车身固定到试验工装上。轻卡 CAE 虚拟试验：Catia 软件分析，是通过软件寻找的后锁体固定点的重心位置，分析选用的后约束位置重心抬高，但物理试验无法选取，造成试验值与物理值偏差过大，在数值分析时需要关注。（2）轻卡和重卡物理试验区别。因轻卡纵梁Z向曲面变化幅度较大，且轻卡和重卡悬置结构不同，轻卡的前约束位置约束在新制作的工装上，后约束位置在后锁体安装支架上；重卡的约束点是前后悬置的支座上。（3）轻卡和重卡白车身物理结构不同，物理试验和虚拟分析实际可选取的点也不同，试验工装等原因也会造成轻卡和重卡试验值不同，碰到问题时需要仔细分析问题产生原因，如多次测量求平均值，或检查试验方法、工装设备、约束位置等方法，尽量减少偏差，理论上物理试验较CAE 虚拟分析更接近准确值。图 3 弯曲刚度试验加载点49-56 测试与试验.indd 562023/9/12 15:19:44