某货车驾驶室静刚度试验与分析①

吴 江， 王 进， 王香廷， 谭继锦

(1.江淮汽车股份公司技术中心，安徽合肥 230601;2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

0 引言

非承载式货车驾驶室与车架纵梁相连，在使用过程中，由于受到自重及负载作用而发生弯曲，受到路面不平导致的车架发生扭转，进而驾驶室也发生扭转;因此为了使驾驶室满足疲劳寿命和装配及使用要求，其结构需要有足够的刚度和强度.目前国内外轿车静刚度分析和试验进行的较多，理论和试验方案都比较完善[1～3]，但介绍驾驶室刚度试验的文章较少.本文介绍了如何建立货车驾驶扭转刚度和弯曲刚度测试系统，并重点分析了扭转刚度的计算方法，获得了驾驶室扭弯工况下的总体变形规律和刚度特征数据.为驾驶室研发与参考车型对标分析及改进设计建立了基础[4，5].

1 静刚度测试系统与方法

1.1 静刚度测试系统的组成

1.1.1 驾驶室固定方案

按照实际的驾驶室结构、前轴位置连接点和后部车架纵梁支撑点的连接形式，专门设计了连接夹具，在驾驶室底板与车架纵梁前部连接点处附近的螺栓孔，利用原车所配的连接件将其和白车身刚度试验台前横梁刚性固定;同理，驾驶室后纵梁支撑点处，通过连接件将其刚性固定在车身刚度试验台后横梁上.车身刚度试验台为有两条长导轨的专用试验台架，该试验台前部有可转动的T形支架横梁和后部可沿导轨移动的后支架横梁，驾驶室安装可以实现高度可调，角度可调，前后与左右位置可调.通过固定驾驶室于试验台上，将驾驶室前后左右调平，使中轴线和试验台扭转横梁中心线一致.扭转刚度试验时，前T形支架横梁绕其中心旋转一定角度，而弯曲刚度试验时，前T形支架横梁加双柱支撑保持水平.

1.1.2 加载装置

主要包括:力传感器、千斤顶和标准砝码.测试扭转工况时，把千斤顶放置于力传感器上对试验台前T形支架横梁施加一定数值的向上作用力，由此产生驾驶室受到的对应扭矩;测试弯曲工况时，可按照实际的驾驶室承载情况，在驾驶室相应位置放置标准砝码.

1.1.3测试及数据采集系统

主要包括:门框和窗框变形尺规，水平仪，位移传感器，固定传感器的夹具及支座，电源、导线、电脑以及静态测试仪等组成的测试系统.

1.2 测点布置方案

根据实际的驾驶室结构特点，在驾驶室左右门槛梁上各布置有4个测点，前风窗和左、右车门沿对角线各布置一对测点，前横梁两侧各2个测点，前横梁左右纵梁位置处各1点，测点总数为18，构成了较为完整的测点分布[5].由此可以获得弯/扭工况下驾驶室个测点传感器测得的垂直变形量和门/窗框变形情况，见图1.

图1 驾驶室左、右、前各测点布置与静刚度测试系统及驾驶室刚度试验照片

2 静刚度试验原理和结果

2.1 试验加载方案

2.1.1 扭转工况

试验之前需进行预加载，以消除驾驶室连接间隙及产生的内应力.扭转刚度试验共进行6次，先左侧加载重复3次，再右侧加载重复3次;每次加载均需分4级载荷逐级加载;试验完成后，3次重复试验的数据值需取平均值进行刚度计算和绘制扭转变形曲线;其中分级载荷为:300kg，600kg，900kg，1200kg.

2.1.2 弯曲工况

弯曲试验也需要进行预加载，弯曲载荷根据驾驶室实际受载，按前排三座和后排两部分，分两次进行加卸载.其中分级载荷为:75kg，225kg，300kg，375kg.

2.2 扭转工况数据结果和扭转刚度

(1)扭转刚度计算公式:

式中:Kniu为驾驶室整体扭转刚度，M为驾驶室前端所受扭矩，F为所施加载荷，a为加载力到转轴中心距离，L为左右测点的距离，h为左右两测点的垂向位移绝对值之和;分母项Φ即为白车身左右安装点相对扭转角，单位一般取(°).

(2)扭转工况数据结果

1)各测点变形量(左侧加载下)见表1，左侧与右侧加载下驾驶室底版纵横梁各测点变形曲线如图3～6.扭转刚度值见表2;相应变化曲线如图7～8.

表1 各测点位置在不同载荷下的变形量

2)扭转刚度值及其变化曲线

表2 不同载荷下的扭转刚度及扭转角

3)计算扭转刚度Kniu

货车驾驶室不同于一般的承载式车身，其主要载荷由车架承担.驾驶室除了承担自身重量外，分担多少车架传过来的载荷，尚缺乏理论分析依据.考虑到驾驶室扭转是随车架扭转一起运动的实际，因此确定驾驶室扭转工况可以从车架扭转变形着手，以车架变形作为参考，确定驾驶室变形指标.对此提出两种方法加以确定:

图2 右侧扭转工况下左右纵梁变形曲线(左略)

图3 左侧扭转工况下前横梁变形曲线

图4 右侧扭转工况下前横梁变形曲线

一为直接法，根据前轮突起值，换算到前支撑臂处位移值，以此确定车身所承受的载荷及对应的扭转刚度.

二为间接法，参考乘用车风窗及前门框变形指标，反算车身底板所承受的载荷，进一步确定车身扭转刚度.参考承载式轿车车身在最大扭转刚度下的变形量推荐值指标:前风窗框对角线变形≤5.0mm;前门框对角线变形≤3.0mm.

综合考虑非承载式驾驶室前风窗对角线变形可以略大于轿车前风窗变形，前门变形要求基本一致的实际情况，参照表1各测点变形值，选取600kg载荷量级，相当于施加于驾驶室扭矩为5298Nm，取左右侧加载扭转刚度的平均值有:

图5 弯曲加载左门槛梁变形曲线(右略)

2.3 弯曲工况数据结果和弯曲刚度

(1)弯曲刚度计算公式:

其中:Kwan白车身弯曲刚度，W为所施加垂向载荷;d为纵梁的最大变形量.

(2)弯曲工况数据结果

各测点弯曲变形量见表3，驾驶室左右门槛梁各测点变形曲线如图9～10.

表3 弯曲工况下各测点变形值

1－8 对角线 0.09 0.31 0.45 0.49 0.43 2－7 右门 0.16－0.66－0.88－1.03－0.82 2－8 对角线 0.07 0.45 0.53 0.65 0.55 1－9 前风窗 0.03－0.01－0.07－0.13－0.18 2－9 对角线0－0.25－0.26－0.17－0.18

根据左右门槛梁的最大变形量计算弯曲刚度并取平均值为:Kwan=3557N/mm.

3 试验数据结果分析

该试验样车白车身目前处于试制阶段，按照车身正向开发流程，需要大量的性能数据支撑研发，本文仅列出了部分测试结果.

静刚度试验结果分析

(1)该驾驶室在扭转与弯曲工况下各测点变形曲线平滑、无突变，左右门槛梁变形曲线对称性好，试验数据重复性好，表明试验方案合理，测量系统精确，该车身结构设计以及制造工艺良好.

(2)对于扭转工况，该驾驶室的扭转刚度值计算方法有别于一般的承载式车身.另外上述试验数据和图表，反映了驾驶室地板变形与门框变形综合情况，为全面了解和掌握该型车身静态刚度性能建立了基础.

(3)对于弯曲工况，该货车驾驶室有别于承载式车身，作为非承载式驾驶室其弯曲试验下各测点变形较小，反映在驾驶室弯曲载荷工况下其结构弯曲性能良好.一般而言，货车驾驶室主要分析四种静态工况，即弯曲工况、扭转工况、正面碰撞工况与顶部静压工况，其中弯曲工况分析尚需要结合其他工况共同分析判断车身结构性能，而非采用单一指标.

4 结束语

对于非承载式驾驶室，由于所受垂向载荷一般不大，试验表明该驾驶室弯曲刚度特性满足使用要求，对于驾驶室扭转刚度特性需要区别对待.驾驶室结构必须有足够的强度刚度以保证其疲劳寿命和装配及使用要求，驾驶室刚度试验与分析的关键在于确定其合理载荷及目标值.利用静态驾驶室刚度试验获得的扭转/弯曲刚度值、各测点变形值、扭转/弯曲变形曲线等各项重要数据，可以客观地对驾驶室刚度性能进行评价.

从上述意义上讲，车身刚度试验正是通过对现有车辆的测试来把握其基本的力学性能指标，建立起自有的一套车身刚度指标体系，并且将其与竞争车型作对比，进而对开发新系列车型有清晰的认识.

[1]黄金陵.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版社，2008.

[2]高云凯.汽车车身结构分析[M].北京:北京理工大学出版社，2006.

[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]夏国林.轿车白车身静刚度分析[J].汽车科技，2008，22(3):25－28.

[5]邵建旺，彭为，靳晓雄，等.SUV白车身静态刚度试验研究[J].汽车技术，2009，(4):37－41.