车载行李架承载力性能及可靠性测试

唐振华，武文超

（吉利汽车中央研究院，宁波 315336）

引言

汽车行李架的叫法有很多，包括：车顶架、车顶横梁、车顶行李架、汽车顶架、车顶支架。根据car2100权威定义，汽车行李架指安装在车顶便于系带大件物品的支架，是汽车车顶一切搭载方案的基础[1]。 它兼具审美与实用功能，既可配合车身的造型和颜色，让车看上去更美观、更酷，也可以在车内空间不足时，在车身外安全方便地放置和固定行李。它能承载行李厢放不下的东西，比如体积大的行李、自行车、折叠床、皮划艇等[2]。

当然，在行李架上安装物品后无疑增高了车辆重心，使得车辆在紧急情况下出现意外的概率大大提升，因此驾车时需要注意避免急刹、急转弯等情况。为验证行李架具备足够的载物强度，需要在样件量产上市前进行充分的台架测试和仿真模拟研究，然后再进行整车路试，确保行车安全。有限元模拟仿真技术已经广泛用于汽车行李架的开发研究，大大推动了汽车安全质量的提升[3,4]。因此，汽车研究人员开发了一系列汽车行李架，用于汽车载物和出行[5,6]。在装载物品情况下，行李架自身的安装强度及耐久性对行车安全影响巨大[7-9]。本工作开发了汽车行李架台架，主要为了将垂直载荷工况的受力情况尽量真实模拟出来，从而不用通过整车实验，就能在台架上得出相对准确的数据，在产品装车前就能获取其设计是否可靠的结论。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

台架就是测试台，通常由控制系统、执行系统、测量系统等组成。台架测试的目的是为了验证并保证产品充分满足设计意图及质量要求。台架本身需要具备一些特征，如结实性、精确度、可操作性、环保要求等。本文用到的验证台架是由作者联合非标台架设计公司进行的方案设计，可实现行李架在汽车运行过程中各典型工况的力学分析验证。台架主要部件如表1所示。

表1 工装台架主要部件

设备说明如下：

1）笔记本电脑一台，安装软件TCE v3.21.0，用于控制调试数据采集仪，并记录显示多通道应变信号。

2）数据采集仪器一台，含一层16通道低电平数据板，用于标定采集12通道应变片信号。

3）三向应变花四片，粘贴在行李架横梁与端座连接处对应位置，采集测试过程中的三向应变信号（收集应力情况）。

4）百分表二个，带磁性底座固定在车顶上，百分表顶针布置在行李架横梁对应位置，采集测试过程中的位移变化量（测试位移变化）。

5）伺服液压缸一套，带力传感器并配合钢丝绳和定滑轮机构，按照要求，控制加载力大小和方向，实现加载工况。

1.2测试方法

按照实际装车状态，把行李架横梁安装到车顶纵轨上。在行李架横梁和其端座螺栓连接处分别布置四个三向应变花（如图1示例），在行李架一根横梁上布置两个百分表，在加载测试过程中，记录百分表读数，并采集应变花数据。对采集的数据进行计算处理，分析出行李架横梁刚度以及横梁与端座连接处的应力分布情况，指导产品设计优化。本文测试工况为最基础的垂向载荷工况，其他工况可由实际需求进行改组搭建完成。

图1 垂向载荷示意图

1.3 实验过程及结果讨论

1.3.1台架实验的垂直载荷工况介绍

台架试验如图1所示，在前后行李架的中心位置，模拟735 N的重力加载到该位置，测试前后行李架在加载力方向上的位移值和应力分布。位移测量点为前后横梁中间点，参考图1中A和B点。应力测量点参考图2（P1-P4），应力测量点为有限元分析结果中的应力集中点，此处为横梁与其端座连接处。

1.3.2垂直载荷工况在实际工装台架上的施力过程

1）在台架横梁和端座的连接处（图2中P1-P4处）贴上三向应变花，因横梁表面为阳极氧化处理，需稍加打磨才能粘贴到位（如图3）。4条应变通信电缆接入数据采集仪，电脑连通数采仪，用TCE软件控制数采仪，并标定应变信号。如图4所示。

图2 应力测量点示意图

图3 应变花粘贴位置

图4 电脑连接EDAQ数采仪

2）车顶平放在4 m×6 m的水平铁地板上，用水平仪调整车顶位置，并固定在铁地板上。在行李架横梁对应位置布置两个百分表。如图5所示。

图5 百分表放置位置

3）在当前状态对百分表和数采仪中的应变信号清零，并准备相机和工具，开始加载并记录或采集数据。

4）行李架横梁上放置负载框架，然后逐步在负载框架上增加负载重物，直到735 N为止，如图6所示。记录负载后的百分表读数和应变信号，如图7所示。

图6 负载加载

5）卸载并整理场地。

6）整理实验数据，有效负载实验工况结束。

7）继续完成其他工况（如有），直至所有工况完成。

1.3.3 数据统计分析

各工况静态加载位移统计分析如表2。

由表2可知，各工况静态加载位移测试值中，前后横梁测量值较大，比有限元分析值略大，且符合企业标准设计要求值。有限元分析结果与实际实验值的差异，可从数模网格划分、约束点位置、工装台架精度等进行具体分析，本篇不做详细展开。

表2 有限元分析值和实际工装测试值与标准值对比表

1.3.4 有限元分析的应力数据与实际数据对比

根据有限元分析的应力数据（图8），可以得出最大应力基本在横梁与四个端座的连接处。

图8 735 N负载下有限元分析应力值

将实际应力值与虚拟分析值进行比较分析，如表3所示。应力虚拟分析值与实际台架结果相当接近，实测值较理论值偏小，该有限元分析值可信度较高，值得在其他产品推广。

表3 11种工况下有限元分析应力值

1.3.5行李架疲劳动载可靠性验证

行李架在实际使用过程中随着汽车的上下颠簸，整个载荷加载过程是一个动态过程，因此有必要对行李架横梁安装后进行垂直动态加载验证。加载条件按照要求如表4所示。

表4 动态加载参数

工装采用气缸，力传感器及位移传感器等组成（如图9），将行李架横梁通过一些固定板材固定到气缸顶部推头上，当气缸头上下行进过程中带动行李架横梁一起上下运动，推力大小根据力传感器的读取进行闭环控制，加载波形和位移波形如图10和图11所示。

图9 行李架疲劳动载可靠性耐久工装

图10 ±700 N加载波形及位移图

从图10中可以看出，在±700 N加载过程中，行李架横梁最大位移为0.3 mm，在±500 N加载过程中（图11），行李架横梁最大位移为0.24 mm。

图11 ±500 N加载波形及位移图

具体可靠性要求如下：

1）实验过程中观察行李架是否有异响等异常状态。

2）连接头和纵梁之间通过M6螺栓连接，安装扭矩为（9±2）N·m；横梁和连接头之间通过M5螺栓连接，安装扭矩为（4.5±1）N·m。在实验后先手动摇晃测试横梁有无明显松动，然后用扭矩扳手测试螺栓扭矩值是否在范围内。

3）读取行李架前后横梁中心点位置的最终位移量，要求永久位移变化小于3 mm。

4）观察行李架横梁、纵梁和横梁的连接处有无明显外观变化，如铝材应力变色、表面涂层脱落、基材裂纹、断裂等。

5）观察纵梁与车顶匹配情况，实验前进行照片记录，实验后不应出现异常的间隙及干涉情况，造成对车顶的损伤。

6）若是行李架安装在车辆上进行实验，条件允许的前提下，需要将车辆行驶到专业路试路面，对行李架进行行车品质的验证，确保实验后无异常情况。

实验结果如下：

1） 实验过程中，实验人员每隔2 h对实验中的横梁进行观察监控，未发现有异响等异常情况发生。

2） 实验完成后，实验人员拆除工装，手动摇晃前后行李架横梁，未发现行李架横梁有异常松动，随后用扭矩扳手进行实验后的螺栓扭矩测试，发现连接头与纵梁的螺栓扭矩值都在（9±2）N·M范围内，符合扭矩要求；连接头与横梁的螺栓扭矩值在（4.5±1）N·M范围内，符合扭矩要求。

3） 通过百分表读取前后行李架横梁的永久位移变化，前横梁为向下0.8 mm，后横梁为向下1.2 mm，满足小于3 mm的标准要求。

4） 将横梁从纵梁上拆下，仔细观察气缸工装在横梁的施力处，无应力发白、表面涂层脱落等情况发生。连接头和横梁的交接处匹配正常，无明显间隙变化和其他外观变化。连接头和纵梁的连接处无明显间隙变化和断裂情况，拆下的紧固件除正常紧固时造成的螺纹轻微擦痕，无任何其他变化产生。

5）实验结束后，行李架纵梁与车顶之间配合正常、间隙均匀，基本与实验前的状态保持一致，且没有对车顶造成任何损伤。

6）因该行李架安装在白车身上进行实验，故无法进行路试，仅通过以上台架检测项目进行可靠性的验证。

通过以上试验可以得出，行李架在完成标准规范要求的可靠性耐久实验后，各项参数均满足标准要求，行李架的间隙、外观、状态均在标准要求范围内，实验顺利通过。

2 结论

本篇通过对行李架系统在工装上进行垂直静态加载测试，得出实际位移量和应力数值，通过与有限元分析数值进行比较，得出了两者相对接近的数据，并对实际加载工装进行了详细介绍，为行李架量产前的性能验证提供保障。又根据相关标准要求，对行李架进行了总计21 000次的加载耐久实验，实验后发现无论是扭矩、位移量、外观形状，还是产品自身的安装状态，都符合相关标准的可靠性要求。

行李架加载工装可以根据企业要求、客户实际使用场景、路况等因素进行适应性调节，其广泛的适用性及精准的结果为研发设计人员提供了有效的设计输入及质量保障，是行李架开发过程中必不可少的验证工具，值得推广应用。