天窗对某车型白车身底板变形影响的研究

王金亮，夏添，石见白

（国家汽车质量监督检验中心［襄阳］，襄阳 441004）

天窗对某车型白车身底板变形影响的研究

王金亮，夏添，石见白

（国家汽车质量监督检验中心［襄阳］，襄阳 441004）

近年来，中国的汽车工业发展迅速，已经形成了比较完整的工业体系，成为我国的支柱产业。白车身是汽车比较关键的部分，它的刚度是评价车辆设计可靠性和整车安全性能的重要指标，白车身扭转刚度和弯曲刚度分析是整车开发设计过程中必不可少的环节。现在越来越多的汽车都配置了天窗，它的存在对车身刚度结果产生的影响值得研究。因此，通过测量带天窗与不带天窗的两台白车身的静刚度，来研究天窗对白车身底板的影响具有很好的价值。

白车身；天窗；白车身静刚度；弯曲刚度；扭转刚度

王金亮

毕业于大连理工大学汽车工程专业，现于国家汽车质量监督检验中心（襄阳）工作，主要研究方向：车身及附件试验。

现在的轿车大部分都是采用了全承载式的车身结构，以此来达到结构设计轻量化的目的。由于承载式车身在几乎承载了轿车使用过程中的所有载荷（主要包括弯曲载荷和扭转载荷），因此，若轿车车身的刚度不足以承受这些载荷，将会出现门框、门窗、发动机罩开口、行李舱开口等处的变形量过大，从而会导致车门卡死、玻璃破碎、密封不严导致的渗风、渗水以及内饰脱落等严重问题。而且车身刚度设计不合理最终还会直接或者间接的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。

白车身刚度试验的加载方式是通过模拟实际的边界条件，施加集中载荷或者按照乘员和行李舱的承载情况进行加载。车身受载后，车身地板以及车身各个门洞开口会随之产生变形，通过布置在车身地板关键位上的传感器测量车身地板的变形量，通过记录的这些试验数据可以计算出整个白车身的弯曲刚度和扭转刚度。天窗作为高端豪华车的配置，天窗的存在究竟对车身结构和刚度产生了哪些影响，是很有研究价值和必要的。本文以两台相同型号的车辆（其中一台带天窗，另一台不带天窗），通过测量两者的白车身静刚度来研究天窗对其底板产生的影响。

1　试验测量系统

1.1静刚度测量系统的组成

白车身静刚度试验所需的试验设备及仪器包括静态加载试验台、百分表、拉压力传感器、标准重块等。整个白车身静刚度测量系统主要包括机械约束装置、加载装置和测量系统。

白车身静刚度测试系统的主要装置功能如下：

1.机械约束装置：其主要是用来约束车身的前部和后部，前后四个固定点采用四个十字铰接与车身紧固件相连。

2.加载装置：后部采用上下可绕中间轴旋转的杠杆结构，前部采用龙门架结构固定。进行弯曲刚度试验时，固定住后部的杠杆旋转机构，在左右两侧靠近B柱的位置各找到一测点（大致为前后轴的中间点），在其正上方架一槽钢，通过槽钢在槽钢两端对称给车身加载，施加载荷结构由丝杆加载机构和拉压力传感器组成；进行扭转刚度试验时，松开前部杠杆旋转机构，在杠杆上距离旋转中心1米处施加所需载荷，分为左侧扭转加载和右侧扭转加载。

3.测量系统：车身底部的位移变形通过百分表测量。

1.2白车身的固定

车身坐标系的定义：取车辆前进方向为X轴的正向，前进方向左侧为Y轴的正向，垂直向上为Z轴的正向，坐标轴符合右手定则。

白车身固定示意图如图2所示。白车身前部在前悬架塔形支撑位置处固定，通过十字铰接将两个位置均固定在支架横梁上，位置相对于后部杠杆旋转中心对称分布。白车身后部在后减震器安装孔位上固定，也通过十字铰接将两个位置固定在后部的可旋转杠杆龙门架上，后部仍然相对于杠杆旋转中心对称分布。

2　测点分布及试验方法

2.1试验测点的布置

车身底部垂向位移测点的分布

试验测点应布置在能体现白车身总体刚度的部位上，全面的反映整体的弯曲与扭转特性，同时也要便于测量仪表的安装调试。该试验中测点主要选在车身底部前后位置各主要承载纵梁、左右门槛梁下部及保险杠处。一共有38个位移测点，利用百分表来测量各个测点的Z向位移变化量。

2.2试验加载的确定

2.2.1弯曲刚度加载

在进行弯曲试验时，载荷通过加载杆施加在前后支点中心位置处，载荷大小按照90 kg、225 kg、305 kg三种载荷顺序加载，加载装置与车身门槛接触，接触宽度100 mm。若加载位置与车身B柱干涉，可将加载位置向车头方向移动，直到不干涉为止。

试验共进行三次，并且必须保证三次试验数据的变化在允许变化范围内。各测点百分表的回零必须均在±0.05 mm范围内，以此保证各测点变形正常，且均未出现塑性变形。各测点三次加载的测量数据与平均值的偏差必须均在±0.03 mm范围内，以此保证数据的一致性。最后对三次的试验数据取平均值进行计算。

2.2.2扭转刚度加载

在进行扭转刚度试验时，白车身前端连接处完全固定在龙门架上，后部通过杠杆旋转机构与车身相连，可在YZ平面内（车身的横切面）旋转，通过丝杆加载机构对后部左右两侧分别进行加载。两加载点到杠杆旋转中心的距离均为1 m，扭转载荷采用从500 N（即500 N·m）按照每级载荷为500 N逐级加载到2 000 N（即2 000 N·m）。在驾驶室同侧加载定义为左扭工况，另外一侧定义为右扭工况。

3　试验结果与分析

3.1弯曲刚度

弯曲刚度EI 常用车身载荷与门槛或纵梁处的最大弯曲挠度的比值来衡量，弯曲刚度的计算公式为：

式中：F 为加载力； δzmax为 最大弯曲挠度。

弯曲刚度最大载荷下的试验结果如图2～3所示：

取中部加载位置底板上两个对称点作为刚度值的参考点，通过弯曲刚度试验测得两个测量点在中部最大载荷下的弯曲挠度值，取两点挠度值的平均值，中部最大载荷已知（F=5×65×9.8=3 185 N），由式（1）可计算出白车身的弯曲刚度见表1：

表1　

3.2扭转刚度

扭转刚度GJ用来表征车身在凹凸不平的路面上抵抗斜对称扭转变形的能力。由于在进行扭转刚度试验时，车身前部两个支撑点虽然完全固定，但是实际上也会产生一些较小的位移变化，所以为了消除前部两个支撑点位移变化产生的影响，可以采用下式来计算扭转刚度：

式中：M为扭矩；L1、L2分别为车身前部两支撑点处测点和后部两支撑点处测点间的距离；△Z1、△Z2、△Z3、△Z4分别为4个支撑点处测点的变形量。

扭转刚度只取最大载荷下的变形情况进行比较，最大扭转载荷为2 000 N·m，两种车身只有有无天窗的区别，两者的L1= L2 = 980 mm，见表2。

表2　

3.4结果分析

车身总刚度是反映车身在各种典型受载工况下的一种综合能力，刚度值越大，则说明车的刚性越好。根据国外汽车的设计要求，轿车的弯曲刚度，国际上一般使用的设计参考值为12 200 N/mm［1］；而对于轿车的扭转刚度来说，一般设计的参考值为13 000 N· m/（°），较高些的要求为16 000 N· m/（°）［2］，见表3。

表3　

对于本次试验中的两个白车身来说，无论是弯曲刚度还是扭转刚度，带天窗的白车身刚度均比不带天窗的白车身刚度要差一些。以不带天窗白车身的刚度值为参考，带天窗白车身的弯曲刚度值下降了15.6%，扭转刚度值下降了13.9%。对于弯曲刚度来说，不带天窗的试验结果与国际上一般使用的设计参考值较为接近，而带天窗的弯曲刚度就离设计参考值相差较远。对于扭转刚度来说，不带天窗与带天窗的白车身的扭转刚度值均达到了较高的要求，只是不带天窗的白车身刚度值更大一些，扭转刚度更好。对于本试验中车型来说，带天窗与不带天窗的白车身弯曲刚度均未达到一般设计参考值的要求，但是两者的扭转刚度均达到了一般设计参考值的较高要求。该车属于SUV系列车型，拥有更好的扭转刚度，说明了该车型在凹凸不平路面上具有很好的抵抗斜对称扭转变形的能力，但是该车型的弯曲刚度还有待加强。

分析1：从弯曲刚度的试验曲线上（图2～3）可以看出，不带天窗与带天窗白车身的外围载荷变形曲线形状保持一致，只是数值上有差异；而对于内侧的中纵梁来说，两者却有较大差别。不带天窗的白车身内侧中纵梁的变形曲线均比较贴近外围的变形曲线，说明不带天窗的白车身的地板在受到弯曲载荷时每一个横切面几乎是整体下沉的；而带天窗的白车身的内侧中纵梁的变形曲线完全偏离了外围变形曲线，几乎变成了一条直线，其外围的变形趋势虽然与不带天窗的白车身是一致的，但变形量增大，而地板内侧受弯曲载荷时变成每一个纵切面几乎整体下沉。相对于不带天窗白车身横切面上，外围变形增大，内侧变形是峰顶值减小接近两端的值，并且内侧的峰顶值前移。

分析2：比较两者的扭转刚度，从两者的扭转刚度曲线（图4～7）比较看出，带天窗的白车身变形最大值增大，整体变形值也均增大，内外侧曲线的开口均增大，说明带天窗的白车身扭转变形的更加厉害，抗扭能力变差。还有通过曲线的前端变形比较可看出，带天窗的白车身出现了轻微的交叉现象，而不带天窗的白车身前端变形几乎是平行的，说明在施加扭转载荷时，带天窗的白车身前端出现了对称侧上翘的现象，即在左侧施加扭转载荷时，车头的右前部位上翘，在右侧施加扭转载荷时，车头的左前部位上翘，也由此说明带天窗白车身的抵抗斜对称扭转变形的能力变差。

4　结 语

通过试验研究得到了某车身底部各测点的Z向位移，反求出白车身的弯曲刚度和扭转刚度，从而比较得出有无天窗对某车型白车身底部变形的影响。建立了白车身弯曲、扭转刚度试验系统，对其弯曲、扭转刚度进行了试验研究。试验方案中固定方式及加载方式较为合理，试验结果的重复性也很好，刚度的测试方法同样适用于其它的车型。

［1］段伟， 石琴， 张雷等.轿车白车身刚度分析［J］.合肥工业大学学报， 2008，31（6）：843～847.

［2］赵常虎， 余海东， 郭永进.影响轿车白车身扭转刚度的关键结构研究［J］.机械设计， 2007，24（8）：66～68.

［3］张攀， 雷刚， 廖林清.某汽车白车身刚度分析［J］.重庆工学院学报， 2008，22（4）：12～15.

［4］高云凯.汽车车身结构分析［M］.北京：北京理工大学出版社， 2006.

［5］黄金陵.汽车车身设计［M］.北京：机械工业出版社， 2007.

［6］喻镇涛、李鸿飞、熊燕.EQCT-453-2009《乘用车车身刚度及门洞开口变形试验》［S］.2009.

专家推荐

李鸿飞：

目前公开发表的文章较多以假设条件下理论分析。以试验实测数据分析较少，较具有实用性。本文较系统地研究复杂的车身总成刚度测试方法。以及介绍了车身刚度测试数据在产品开发中的应用。有较好推广借鉴价值。

Study Deformation of the Skylight Effected on Body in White

WANG Jin-liang， XIA Tian， SHI Jian-bai
（ National Automobile Quality Supervision and Test center ［Xiangyang］， Xiangyang 441004， China ）

In recent years， China's auto industry has developed rapidly， it has formed a relatively complete industrial system， and become the pillar industry of our country. Body in White is a key part of automobile， its stiffness is an important index of reliability evaluation of vehicle design and vehicle safety performance， The torsion and bending stiffness of body in white is the essential steps in the process of vehicle development and design. Now more and more cars are configured with the skylight，it is worth studying the impact of the result of the car body stiffness. Therefore， by measuring the static rigidity of the body in white with a skylight and the body in white without a skylight， it has the very good value to study the skylight effected on body in white.

Body in White； sunroof； white body static stiffness； bending stiffness and torsion rigidity

U463.82+1

A

1005-2550（2015）06-0065-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.06.013

2015-07-07