李仲奎，袁 亮Li Zhongkui，Yuan Liang

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轎車(chē)車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升研究

李仲奎，袁 亮
Li Zhongkui，Yuan Liang

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

闡述了車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算方法和測(cè)量方法，探討了提升車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的方法途徑。以某三廂車(chē)改款開(kāi)發(fā)兩廂車(chē)為例，在車(chē)身新設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)加強(qiáng)載荷傳遞路徑的剛度設(shè)計(jì)，加強(qiáng)車(chē)身關(guān)鍵接頭結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)，以及加強(qiáng)車(chē)身上安裝點(diǎn)固定支架與車(chē)身上承載梁的集成性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩廂車(chē)在無(wú)后隔板的情況下也能達(dá)到較高的車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度要求，進(jìn)而證實(shí)了車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升方法有效。

白車(chē)身；扭轉(zhuǎn)剛度；性能提升

0 引 言

目前，轎車(chē)大多數(shù)采用全承載結(jié)構(gòu)，由于承載式車(chē)身幾乎承擔(dān)了所有的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，其結(jié)構(gòu)剛度特性舉足輕重[1]。車(chē)身剛度不足，會(huì)引起車(chē)身門(mén)框、窗框、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李廂等開(kāi)口變形大，導(dǎo)致車(chē)門(mén)玻璃破裂和車(chē)門(mén)卡死，密封不嚴(yán)以致透風(fēng)、漏雨和內(nèi)飾脫落等問(wèn)題，還會(huì)影響安裝在車(chē)身上各個(gè)總成的相對(duì)位置[2]。車(chē)身剛度的優(yōu)劣還關(guān)系到車(chē)身的輕量化水平，對(duì)整車(chē)性能造成影響。車(chē)身剛度不合理，將直接影響轎車(chē)的可靠性、安全性、動(dòng)力響應(yīng)特性、NVH性能及燃油經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵性指標(biāo)[3]。此外，改善汽車(chē)的舒適性，保證高速行駛的操縱穩(wěn)定性，也要求車(chē)身有較高的扭轉(zhuǎn)剛度[4]。

承載式車(chē)身的剛度特性在車(chē)企中已引起高度重視，承載式車(chē)身剛度性能在車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一個(gè)值得探討的難題?；谵I車(chē)車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升方法進(jìn)行分析研究，并在某三廂車(chē)改款兩廂車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用。

1 車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算及測(cè)量

轎車(chē)車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度特性反映了車(chē)身在整體上抵抗扭轉(zhuǎn)載荷的能力，體現(xiàn)了轎車(chē)車(chē)身的整體性能[5]。車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度可由前后窗和側(cè)窗的對(duì)角線的變化、車(chē)身鎖位及車(chē)身扭轉(zhuǎn)角度等指標(biāo)來(lái)衡量。

1.1 扭轉(zhuǎn)剛度理論計(jì)算

當(dāng)車(chē)身上作用有反對(duì)稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于扭轉(zhuǎn)工況，將使車(chē)身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，圖1為軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角示意圖。

結(jié)構(gòu)的變形程度與結(jié)構(gòu)上所受的力及結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)。車(chē)身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力，即

J=/（1）

式（1）中，J為車(chē)身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，是單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力；為軸距，為扭矩，為軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。

車(chē)身扭轉(zhuǎn)角與梁的撓度之間的關(guān)系為

式中，為車(chē)身扭轉(zhuǎn)角；1為左側(cè)縱梁測(cè)點(diǎn)的撓度；2為右側(cè)縱梁測(cè)點(diǎn)的撓度；為底架寬。

1.2 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)測(cè)量

目前CAE仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算上，但是考慮到車(chē)身試制過(guò)程中受到材料、工藝技術(shù)和制造誤差的影響，仿真值與實(shí)際測(cè)量值往往有一定的差別。為準(zhǔn)確知道車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的大小，通常開(kāi)展車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示。一般采用汽車(chē)前軸固定、后軸扭轉(zhuǎn)的模式，進(jìn)行加載測(cè)量。

2 車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度性能提升方法

轎車(chē)的焊接白車(chē)身如圖3所示，主體可分為車(chē)身下裝和上裝兩部分。車(chē)身下裝由前地板、后地板和前艙等部件構(gòu)成；上裝由左右側(cè)圍、頂蓋、后隔板及后圍板等部件構(gòu)成。構(gòu)成車(chē)身的零件主要分為覆蓋件和結(jié)構(gòu)件兩種，其中覆蓋件的作用是覆蓋和密封，結(jié)構(gòu)件的作用是傳遞載荷和承擔(dān)載荷。

提升車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度主要從結(jié)構(gòu)件著手，采用以下方式。

1）加強(qiáng)車(chē)身底板的縱向、橫向剛度設(shè)計(jì)

由于承載式車(chē)身沒(méi)有剛性車(chē)架，即使加強(qiáng)了車(chē)身上裝、前艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也不能輕視車(chē)身底板的剛度設(shè)計(jì)。車(chē)身底板構(gòu)架在抗擊4個(gè)車(chē)輪受力不均勻時(shí)仍起到主要作用。如圖4所示，前后懸架在車(chē)身上的固定點(diǎn)主要位于車(chē)身底板構(gòu)架上。

2）加強(qiáng)車(chē)身關(guān)鍵接頭結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)

車(chē)身結(jié)構(gòu)中把承載桿梁件的連接部位稱為接頭[6]。接頭剛度對(duì)車(chē)身剛度的影響較大，可達(dá)50%～70%。圖5是車(chē)身關(guān)鍵接頭所在的位置，在接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，需注意結(jié)構(gòu)的漸變性，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中或剛度不足的問(wèn)題。

3）加強(qiáng)載荷傳遞路徑的剛度設(shè)計(jì)

在車(chē)身接頭與接頭之間，需注意載荷傳遞路徑的連續(xù)性及截面尺寸的連續(xù)性，避免載荷傳遞過(guò)程中的突變或中斷，如圖6所示。保持載荷傳遞的連續(xù)性，既可提升車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度，又可提升車(chē)身碰撞安全性。在截面尺寸的構(gòu)建上，一般要求截面封閉成環(huán)，截面越接近圓形，其抗扭能力越高。在矩形截面中，正方形抗扭能力最高，當(dāng)兩邊長(zhǎng)度之比小于1/2時(shí)，其抗扭能力明顯下降。

4）加強(qiáng)車(chē)身環(huán)狀結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)

轎車(chē)車(chē)身由于四門(mén)兩蓋、風(fēng)擋玻璃窗的存在，以及擁有A、B、C、D柱和眾多的縱向梁、橫向梁，其自身存在很多環(huán)狀結(jié)構(gòu)。圖7為車(chē)身橫向環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)對(duì)提高扭轉(zhuǎn)剛度非常有利，因此在環(huán)狀結(jié)構(gòu)處需注意載荷傳遞路徑截面尺寸設(shè)計(jì)，避免閉合環(huán)轉(zhuǎn)變成開(kāi)口環(huán)。

5）加強(qiáng)車(chē)身上安裝點(diǎn)固定支架與車(chē)身上承載梁的集成性設(shè)計(jì)

車(chē)身上一些重要安裝點(diǎn)，如懸架、動(dòng)力總成、拖鉤、座椅和安全帶等的固定點(diǎn)，一般應(yīng)設(shè)置在載荷傳遞路徑上。這樣，既可以保證固定點(diǎn)強(qiáng)度，又可以加強(qiáng)載荷傳遞路徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做到車(chē)身輕量化。

3 扭轉(zhuǎn)剛度性能提升設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

以某車(chē)型開(kāi)發(fā)為例，在三廂車(chē)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)兩廂車(chē)，軸距不變。兩廂車(chē)與三廂車(chē)的不同點(diǎn)主要是車(chē)身后半部，三廂車(chē)的駕駛室與行李廂是獨(dú)立的，兩廂車(chē)的駕駛室與行李廂是結(jié)合在一起的，如圖8所示，車(chē)身前半部相同，后半部不同。從車(chē)身結(jié)構(gòu)來(lái)比較，三廂車(chē)與兩廂車(chē)的最大不同點(diǎn)是三廂車(chē)有后隔板，兩廂車(chē)沒(méi)有后隔板，如圖9所示。由于后隔板位于車(chē)身后半部的中部，連接左右側(cè)圍，對(duì)提升車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度有一定的作用。

3.1 提升扭轉(zhuǎn)剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）側(cè)圍后支柱加強(qiáng)板設(shè)計(jì)

為提升側(cè)圍后支柱處載荷傳遞路徑的剛度，結(jié)合車(chē)身后三角窗造型，設(shè)置三角架式后支柱上加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，將后輪罩與門(mén)框上邊梁及頂蓋后橫梁連接起來(lái)，如圖10所示。

2）頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接接頭設(shè)計(jì)

為提升頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接處接頭剛度，在確保工藝可行的前提下，將后背門(mén)鉸鏈固定點(diǎn)加強(qiáng)板與側(cè)圍后支柱上加強(qiáng)板連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)頂蓋后橫梁、背門(mén)鉸鏈固定點(diǎn)加強(qiáng)板與側(cè)圍外板、流水槽板、后支柱上加強(qiáng)板、后支柱里板等部件相互連接，保證頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接處的接頭剛度。如圖11所示。接頭處車(chē)身橫斷面如圖12所示。

3）側(cè)圍后支柱里板加強(qiáng)板設(shè)計(jì)

在側(cè)圍后支柱里板加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為加強(qiáng)側(cè)圍結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度，減少三廂變兩廂無(wú)后隔板的影響，采用鐮刀形加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，如圖13所示。該結(jié)構(gòu)一是能加強(qiáng)后輪罩里板、后支柱里板及后支柱里板后側(cè)邊的載荷傳遞路徑的剛度，二是能提供后排座椅靠背鎖扣、后排安全帶卷收器的固定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車(chē)身上安裝點(diǎn)固定支架與車(chē)身上承載梁的集成性設(shè)計(jì)。

3.2 仿真分析

對(duì)上述兩廂車(chē)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度分析，與三廂車(chē)作比較，見(jiàn)表1。盡管兩廂車(chē)無(wú)后隔板和后隔板前、后橫梁結(jié)構(gòu)，但分析結(jié)果顯示，兩廂車(chē)白車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度僅比三廂車(chē)低4.8%。

表1 扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果比較

三廂車(chē)兩廂車(chē)降低比率 扭轉(zhuǎn)剛度/（N·m/°）13 10112 4704.8%

對(duì)頂蓋后橫梁與側(cè)圍之間的接頭進(jìn)行剛度分析，其、向剛度值分別為12 824 N/°、3 546 N/°，均超過(guò)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參考值。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)焊接白車(chē)身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度臺(tái)架試驗(yàn)，如圖14所示，分別在后軸位置沿逆時(shí)針、順時(shí)針依次加載500、1 000、1 500、2 000 N·m扭矩載荷進(jìn)行試驗(yàn)，各測(cè)點(diǎn)百分比的回零均在±0.05 mm范圍內(nèi)，說(shuō)明各測(cè)點(diǎn)變形正常，且均未出現(xiàn)塑性變形。其中，在后軸沿順時(shí)針加載2 000 N·m扭矩載荷車(chē)身變形曲線如圖15所示。

將測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)化為剛度值，為12 654 N·m/°，與仿真值基本吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

探討了提升車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的方法，包括加強(qiáng)車(chē)身底板骨架梁結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)車(chē)身接頭結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)載荷傳遞路徑結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)車(chē)身環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)及將重要安裝點(diǎn)支架與載荷傳遞路徑集成的方法，并在某兩廂車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用，取得良好的效果。通過(guò)在無(wú)后隔板的兩廂車(chē)上，加強(qiáng)側(cè)圍后支柱載荷傳遞路徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接處接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及將后排座椅靠背鎖扣固定點(diǎn)、后排安全帶固定點(diǎn)集成到后支柱加強(qiáng)件的載荷傳遞路徑上，實(shí)現(xiàn)提升兩廂車(chē)車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的效果。

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2016-06-30

1002-4581（2016）06-0010-04

U463.82

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10.14175/j.issn.1002-4581.2016.06.003