白车身弯扭刚度测试技术与评价方法

李伟 端木琼 李占方

（中国汽车技术研究中心有限公司）

白车身弯扭刚度包括扭转刚度和弯曲刚度，分别是指白车身在受到扭转、弯曲载荷时，车身抵抗扭转、弯曲变形的能力。白车身弯扭刚度是汽车的基础性能，其好坏直接影响汽车的安全性、可靠性、NVH性能、经济性、舒适性以及操控性等[1-2]。如果白车身弯扭刚度不足，汽车在过坑洼路面时，风窗洞口变形大会导致天窗漏雨、进风以及噪声传递等[3-4]。白车身刚度测试的方法有多种，同一款汽车采用不同方法得出来的结果差异很大。文章介绍了多种测试方案，通过分析各个方案的优缺点，确定出一套较好的测试方法，并在该方法的基础之上，总结出各个车型的刚度评价标准。

1 白车身弯扭刚度测试原理

1.1 白车身扭转刚度

对白车身后悬沿x，y，z向的移动自由度进行约束，在前悬处施加一对相反的力（F/N），测量车身前后悬处z向的变形量。通过测点z向的变形量和测点y向之间的距离，间接计算出前后悬的相对扭转角，然后通过加载力矩和前后悬的相对扭转角计算出白车身扭转刚度值，扭转角计算示意图，如图1所示，白车身扭转刚度加载示意图，如图2所示。

图1 第x对测点的扭转角计算示意图

图2 白车身扭转刚度加载示意图

前、后悬处扭转角的计算公式为：

式中：θf，θr——前、后悬处扭转角，（°）；

Lf，Rf——前悬左、右侧z向的变形量，mm；

Lr，Rr——后悬左、右侧z向的变形量，mm；

Df，Dr——前、后悬左右2个测点的y向距离，mm。

前后悬的相对扭转角（θ/（°））的计算公式为：

根据加载力矩和前后悬相对扭转角的关系，得出线性回归方程。

式中：T——加载力矩，N·m；

c——常数，c=1；

Kt——扭转刚度值，N·m/（°）。

1.2 白车身弯曲刚度

对白车身后悬沿x，y，z向的移动自由度进行约束，前悬处约束沿y，z向的移动自由度，在座椅横梁处施加一定的弯曲载荷。通过测点z向的变形量和测点距离前轴的距离，计算出测点的误差补偿量，车身的变形量减去误差补偿量得出车身的挠度，然后通过加载力和车身的挠度计算出白车身弯曲刚度值。距离前轴为b的测点的弯曲计算示意图，如图3所示。白车身弯曲刚度加载示意图，如图4所示。

图3 距离前轴为b的测点的弯曲计算示意图

图4 白车身弯曲刚度加载示意图

前悬z向变形量的平均值（S/mm）为：

用相同的方法计算出后悬和门槛梁上的测点平均值。

距离前轴为b的测点z向的误差补偿量（Δ/mm）为：

式中：a——前后悬之间的x向距离，mm；

b——测点距前轴的x向距离，mm；

Rr1——后悬z向变形量的平均值，mm。

距离前轴为b的测点补偿后的变形量（M1/mm）为：

式中：M——距离前轴为b的测点z向的变形量，mm。

计算出所有测点补偿后的变形量，选取补偿后变形量最大的点，利用该点的z向变形量和加载力的关系，得出线性回归方程。

式中：Kb——弯曲刚度值，N/mm。

2 试验方法的确定

2.1 白车身扭转刚度测试方法

1）方案1。后悬约束沿x，y，z向的移动自由度，前悬通过球角连接到2个立柱上，立柱刚性固定到T型台架上[5]，如图5所示。对T型台架施加2 000 N·m的载荷，测量车身前后悬的相对扭转角。

图5 方案1扭转工况示意图

2）方案2。后悬约束沿x，y，z向的移动自由度，前悬通过球角连接到2个立柱上，立柱通过球角连接到T型台架上，如图6所示。对T型台架施加2 000 N·m的载荷，测量车身前后悬的相对扭转角。

图6 方案2扭转工况示意图

对3台刚度不同的车型，用以上2种扭转试验方案分别进行刚度测试，得到数据，如表1所示；3台车在2种扭转试验方案中产生的横向位移数据，如表2所示。

表1 白车身扭转试验方案扭转刚度值的对比

表2 白车身扭转试验方案横向位移的对比

由表1可知，对于刚度值大的车身，2种测试方案结果差异不明显，随着车身刚度值的减小，2种试验方案的差异越来越明显。

由表2可知，对于刚度值大的车身，2种测试方案横向位移差10%，随着车身刚度值的减小，2种试验方案的差异更加明显。由于摩擦力和车身自重的原因，汽车的横向位移不可避免。

综上可知，方案2在扭转刚度测试过程中，产生的横向位移更小，更加接近汽车的真实情况，随着车身刚度的变小，差异越来越明显。

2.2 白车身弯曲刚度测试方法

1）方案1。后悬约束沿x，y，z向的移动自由度，前悬约束沿y，z向的移动自由度，在前后排座椅位置加载6 000 N的载荷，测量车身的挠度。

2）方案2。左后悬约束沿x，y，z向的移动自由度，右后悬约束沿x，z向的移动自由度，左前悬约束沿y，z向的移动自由度，右前悬约束沿z向的移动自由度，在前后排座椅位置加载6 000 N的载荷，测量车身的挠度。

对3台刚度不同的车型，用以上2种弯曲刚度试验方案分别进行刚度测试，得到数据，如表3所示。

表3 白车身弯曲试验方案结果的对比

由表3可知，2种弯曲测试方案结果差异不明显。

3 白车身刚度的评价方法

利用上述测试方案，对几十款A级车进行白车身刚度试验，得出刚度分布规律，总结出A级车型的刚度范围，如图7所示。

图7 A级车白车身刚度范围

由图7a可知，A级车扭转刚度的范围在10 000～30 000 N·m/（°），其中扭转刚度较低的占20%，在10 000～14 500 N·m/（°）；扭转刚度较高的占20%，在22 000～30 000 N·m/（°）；扭转刚度中间的占60%，在14 500～22 000 N·m/（°）。

由图7b可知，A级车弯曲刚度的范围在11 000～33 000 N/mm，其中弯曲刚度较低的占20%，在11 000～14 000 N/mm；弯曲刚度较高的占20%，在25 000～30 000 N/mm；弯曲刚度中间的占 60%，在 14 000～25 000 N/mm。

综合上述内容可以得出，对于A级车，扭转刚度低于14 500 N·m/（°）的车型，认为扭转刚度值较弱；扭转刚度值处于14 500～22 000 N·m/（°）的车型，认为扭转刚度值一般；扭转刚度高于22 000 N·m/（°）的车型，认为扭转刚度较强。对于弯曲刚度低于14 000 N/mm的车型，认为弯曲刚度较弱；对于弯曲刚度处于14 000～25 000 N/mm的车型，认为弯曲刚度一般；弯曲刚度大于25 000 N/mm的车型，认为刚度较强。

4 结论

通过2种白车身扭转刚度测试方案的对比，得出一种更加接近真实工况的试验方案，该方案改善了试验过程中的侧向位移；利用该方案，对几十款A级车进行弯扭刚度试验，得出A级车的弯扭刚度评价标准，为企业研发新车型提供参考依据，避免了后期车型刚度不足导致的各种问题。

文章只是针对A级车的弯扭刚度给出了评价标准，还不够细化。未来将对SUV中的A00，A0，A，B，C，D级车等，对轿车中的 A00，A0，A，B，C，D级车等进行评价标准的研究，以及研究推出车身弯扭刚度测试的国标。