普通乘用车白车身弯扭刚度试验约束系统的研究

向晓峰 陈 军 谭伦兵

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

0 引言

普通乘用车（即轿车）白车身的弯扭刚度是指白车身在静态受载时表现出的抵抗弯扭变形的能力，用于衡量车辆正常行驶时的许可变形。白车身弯扭刚度特性试验所得弯扭刚度值对于相关企业具有相当大的经济价值和技术价值。在这类试验中，试验对象复杂、投入设备多，影响试验及其结果的环节一环紧扣一环，需要试验人员理清其中的主要环节并加以合理实施。在整个试验过程中，约束系统的建设是其中重要的构成部分，不同的约束点用不同形式的接头能够产生差异很大的试验结果。该文希望通过对约束系统设计的讨论，得到一个合适的选择。

1 白车身弯扭刚度试验约束系统的分析

1.1 白车身弯扭刚度试验约束系统的重要作用

1.1.1 对白车身弯扭试验设备体系重要的一环

白车身弯扭刚度试验的完成，主要包括6个环节的实施：1）对象的选择；2）对象的装夹；3）测量点布置；4）设备体系建设；5）加载要求；6）数据处理。试验对象的装夹（即约束系统的构建）与设备体系建设密切相关，对试验承担着重要的作用。

整个试验设备体系构建应，如图1所示：

图1 白车身弯扭试验设备体系构成

1.1.2 对白车身弯扭刚度试验结果重要的影响

针对白车身弯扭刚度试验的约束系统，仅就约束点选择不同的约束形式（接头），使接头所在位置拥有不同的自由度，就可以组合成不同的约束系统，获得差异较大的试验结果。以往所做验证试验已经证明了它对试验结果的重要影响：

1.1.2.1 扭转测试约束的影响

（a）后悬位置固定情况下，前支撑带两个铰接接头，所得刚度比只带一个铰接接头大约60 %。

（b）后悬位置铰接情况下，前支撑带两个铰接接头，所得刚度比只带一个铰接接头大约1倍。

1.1.2.2 弯曲测试约束的影响

（a）后悬位置固定情况下，前支撑带铰接接头，所得刚度比用固定接头大约7 %。

（b）后悬位置铰接情况下，前支撑带铰接接头，所得刚度比用固定接头大约2 %。

1.2 白车身弯扭刚度试验约束系统的建立

1.2.1 白车身弯扭刚度试验约束点的确立

1.2.1.1 白车身实际使用中的约束点

白车身的实际使用千差万别，它与底盘的连接各式各样，所形成的对白车身的约束也有很大不同：普通的乘用车前后悬可以只有12个约束点，对于高级乘用车可达20个约束点，如图2和图3所示。

图2 普通乘用车白车身约束点

图3 高级乘用车白车身约束点

1.2.1.2 白车身弯扭试验中的约束点

白车身毕竟不能等同于整车，白车身弯扭试验理论上是对白车身实际使用的模拟，是实际部分白车身质量评价的依据。在试验时，白车身弯扭试验是对白车身实际使用情况的一种提炼后，以试验设备可以实现的方式，对白车身弯扭情况加以验证，因此，约束点的选择没有纳入每一个约束点，试验设备及其操作也要求尽可能简化。约束点的选择中，4点约束是其中之一，也是被证明最合理的一种约束方法。其他约束方式是根据特殊需要所做的特定条件下的专项试验，如图4和图5所示。

图4 多点约束试验

图5 典型四点约束试验

1.2.2 白车身弯扭刚度试验约束对象的确立

首先，白车身弯扭刚度试验必须明确一点：试验对象是白车身。白车身弯扭试验对普通乘用车的重要性，在于它的刚性值在普通乘用车各总成的刚性之中，贡献率占比最高、价值度最大。白车身弯扭试验就是针对白车身刚性值的测定，而非其他，如图6所示。

图6 各总成对整车刚度贡献率

其次，白车身带悬架、副车架等，不管它们是否刚性固定或者以一定状态锁死，所得结果都不仅是白车身的刚度，试验结果都渗入了其他总成的影响。除非试验目的本就为测定该状态的刚性值，这种状态下的试验并不是我们所谓的白车身弯扭刚度试验。附加总成的刚性化处理不能避免它对白车身试验的影响，除非白车身变形大，已可以完全忽略附加总成的变化，否则白车身弯扭刚性的测定需要纯粹的白车身，如图7和图8所示。

图7 前悬锁死

图8 前副车架锁死

那么，既然白车身弯扭试验是对白车身刚性值的测定，就应该在白车身上选择特殊点作为约束对象，对白车身施加约束。这些点通常选悬架减震弹簧安装所在的减震塔，必要情况下也可选择减震弹簧对应位置的安装支架，象后悬减震弹簧安装支架等。这4个点，在白车身约束点中具有特殊性：位置特殊，通常在各悬架中间位置，或者差异不大，代表了整车的轴距/轮距；作用特殊，本身就是白车身主要承重点，对其他约束点的承重也有重要影响；结构特殊，它是承载式白车身大都有的一类结构，在白车身上易于明确、规范化，如图9和图10所示。

图9 约束在减震塔

图10 约束在减震弹簧安装支架

1.2.3 白车身弯扭刚度试验约束接头的确立

约束接头对白车身弯扭试验影响巨大，尤其是对测定扭转刚度的影响。约束所用接头类型分为固定接头和铰接接头。应用位置分为连接白车身的上接头和连接试验平台的下接头2种。通常而言，铰接接头内装球轴承，一个方向可全周旋转，另2个方向在±6°范围内不受约束，因为白车身弯扭的角度变化不超过3°，可以认为白车身约束点使用铰接头时，各向旋转不受约束，必要时，还可以调整铰接头安装方向，扩大铰接头适用范围。固定接头根据需要有多种形式，最终约束接头的选择，根据约束系统的选择决定，如图11～图14所示。

1.2.4 白车身弯扭刚度试验约束系统的确立

图11 上铰接接头

图12 下铰接接头

图13 上固定接头

图14 下固定接头

约束系统是对约束试样所用接头形成的约束点自由度的体系化安排。国内外对此系统的研究各有不同，主要依据试验设备和研究目的对接头的选择做安排，有选择全约束、选择约束全部平动、选择对4个支撑点分别约束平动、后悬全约束/前悬两点分别安排等多种设计，4个位置选用不同的组合，试验结果都会有差异。与接头的不同所带来的试验结果差异相比，试验设备的不同，反而带来的试验结果差异要小很多。

4个约束点有不同自由度，与系统相关，更与试验目的相关。为了用一套夹具实现弯曲与扭转两项试验，两项试验约束条件常取一致。

如图15所示，对白车身的约束通常选4个位置（即悬架减震弹簧安装所在的4个位置），分别用件A、B、C、D施加约束，件A、B与刚性平台之间通过旋转横梁支架连接，件C、D与刚性平台之间可以直接连接。而件A、B与旋转横梁连接可采用铰接，件C、D与刚性平台之间可以直接刚性连接。件A、B、C、D与白车身之间，可以选择铰接、刚性固定或其组合。

图15 白车身弯扭试验的约束位置

2 白车身弯扭刚度试验约束体系的应用

2.1 白车身弯扭刚度试验约束系统的要求

2.1.1 试验约束系统的一般要求

白车身弯扭刚度测试合理的约束方案，应使试验对象与试验平台构成一个稳定的空间结构；还必须保证约束装置的刚度不影响白车身自身的刚度；白车身受载后，约束装置也不能影响白车身在空间上的变形。很多试验中，会选择约束系统自由度为负，以便达到约束系统刚性化的目的；同时，让约束系统中夹具的刚性远远超过试验对象，这样可利用约束系统的刚性化，使部分试验结果尽可能理想化。但是，这种做法只是部分试验的合理做法，并不适用于所有试验，尤其是普通乘用车白车身弯扭试验。夹具刚性与约束系统自由度毕竟是两回事。

2.1.2 白车身弯扭刚度试验约束系统刚性化的困境

对白车身弯扭试验来说，约束系统刚性化的选择并非合理：

（a）白车身本身就是一个刚性大的试验对象。

（b）夹具方面由于试验需要（特别是扭转）不可能无限刚性化。

（c）试件与夹具两者刚性差距相对较小（有接头）。

（d）每种乘用车的白车身约束都不一样，自由度大小的确定不明确。

2.1.3 白车身弯扭刚度试验约束系统自由度的合理选择

由前文已知：白车身刚度试验结果受夹具影响相对较大；而且，通过约束系统刚性化实施试验又不合理，那么，明确约束系统自由度为0就是一个合理的选择：

（a）在约束要求的合理范围内（要求约束系统自由度≤ 0）；

（b）可以尽可能减小设备异同对试验结果的影响；

（c）可以尽可能减小约束刚性对试验结果的影响；

（d）可以尽可能降低整个系统对夹具刚度的要求；

（e）可以在不同试验体系中选择出统一的体系，形成规范；

（f）方便试验实施。

2.2 白车身弯扭刚度试验约束系统的选择

白车身弯扭刚度试验系统包括位移传感器、力传感器和加载装置、数据采集系统、结构支撑约束系统、测量平台。典型约束系统如图16所示，图中A、B、C、D、E、F、G、H、I为接头。按照推荐的系统选择，需约束系统自由度为0（虚约束的增加看情况而定，不影响整体自由度）。

图16 典型夹具系统示意图

白车身弯扭试验约束系统的建立，都要从实现基本稳定约束开始，一般从3点约束开始，逐步增加（辅助）支撑，形成有效的试验约束系统。对不同约束，可以放开某些约束或相反，使整个系统的自由度为0，从而达成白车身试验约束。自由度计算如下：

其中：

n—活动构件数量。

Pi—各类运动副。

WV—虚约束数量。

WP—局部自由度数量。

需要注意的是接头连接方式的不同造成的虚约束和局部约束的影响。表1中列出了部分接头的选择和判断。

3 结论

白车身弯扭试验要通过试验获取合理的结果，便于对比和评价白车身弯扭刚度，为轿车设计、生产服务。在白车身弯扭刚度试验中，约束系统的设计对最终结果存在影响：约束系统用得不一样，试验结果会有大的差异，尤其是扭转测试的结果，这个差异足以影响对轿车白车身弯扭刚度的评价。对于白车身这样的大型试件，约束系统的建立不能对连接接头以全约束加以处理，附加总成也要适当考虑其用途。通过分析，文中提出了一种合理的约束方式，这种方式适用于测定白车身弯曲刚度和扭转刚度。这种方式的核心在于选择约束系统的整体自由度为0，它的目的是保证白车身受载后变形不受约束夹具的影响，最大限度地保证测试结果的准确性和可靠性，并使这类的试验能够有一个统一的规范，利于比较、便于实施。选择约束系统自由度为0，在一定程度上是该项试验的合理选择。

表1 部分约束的分析