本文關鍵詞：轎車車身強度道路模擬試驗技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

設計研究

轎車車身強度道路模擬試驗技術研究
周 　 　 　 　 (上海大眾汽車有限公司 ) 煒 金 鋒

【 摘要 】 對轎車車身在用戶道路中產生的損傷情況進行了調查和分析 ,在用戶道路和試驗道路上進行 　
了載荷測量 ,通過數(shù)據(jù)分析和處理 ,在試驗臺上采用遠程參數(shù)控制技術 ,制定了試驗加載譜 ,對白車身進行試驗 后

,得到了與用戶道路相似的損傷 。在多個試件試驗的基礎上 ,制定了白車身強度試驗的方法 ,為開發(fā)和改進設 計提供了檢驗手段 。

【 主題詞 】 道路試驗 　 　 車身 　 轎車

0　 引言
汽車產品的安全性和質量耐久性一直是技術 人員關注的兩大課題 。發(fā)動機 、 底盤 、 車身等零部 件如何在其使用壽命內滿足用戶各種需求 , 是車 輛可靠性設計的主要目標 。一方面 , 國內汽車工 業(yè)起步較晚 ,自主開發(fā)能力尚不健全 ,技術水平和 試驗手段尚未完善 ; 另一方面 , 中國地域遼闊 , 各 地經濟和文化的巨大差異造成路面條件 、 駕駛習 慣、 交通狀況等影響車輛載荷的因素具有很大的 離散度 ,這給車輛耐久性設計帶來了很大困難 。 近年來 ,隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展 ,各企業(yè)逐 步從引進技術 、 聯(lián)合開發(fā)向自主開發(fā)的方向過渡 , 通過引入先進的設計和試驗設備 , 使開發(fā)能力有 了新的提高 。在日益激烈的市場競爭下 , 要求開 發(fā)部門在最短的時間內 ,花費最少的成本 ,設計出 最大限度滿足用戶需求的產品 , 這就使得在開發(fā) 過程中采用先進的設計 、 試驗手段顯得尤為重要 。 道路模擬試驗技術已被國際上幾乎所有的汽 車企業(yè)所采用 。在開發(fā)的早期階段 , 可以在實驗 室內對設計出的零部件在試驗臺上進行模擬真實 道路的試驗 ,對其強度耐久性作出合理 、 真實的評 價 ,為設計提供驗證手段和參考依據(jù) 。由于這樣 的試驗無需使用整車 ,縮短了開發(fā)周期 ,降低了開 發(fā)成本 。
收稿日期 : 2005 - 12 - 27 3 本文為上海市汽車工程學會 2005年 (第 12屆 )學術年會優(yōu)秀論文。

本文以某車型的前部車身為研究對象 , 首先 對用戶使用狀況進行調查 , 對用戶道路和試驗場 道路載荷進行測量 , 比較了實際用戶使用過程中 的損壞狀況和試驗場耐久道路試驗的載荷情況 ; 然后 ,在道路模擬試驗臺上 ,采用遠程參數(shù)控制技 術并結合有限元計算分析的結果 , 重現(xiàn)了道路載 荷 ,在實驗室內進行前部車身強度耐久試驗 ; 最 后 ,通過對試驗結果的分析 ,制定相關零部件的臺 架試驗標準 , 為設計和改進提供驗證手段和參考 依據(jù) 。

1　 用戶使用狀況分析

生產的汽車會被怎樣的用戶使用 ,在怎樣的路 面上行駛 ,駕駛員的操作習慣以及當?shù)氐慕煌ā?氣 候狀況如何 ? 這些都是設計者應該十分關注的問 題 ,也是確定整個設計目標的依據(jù) 。歐洲一些先進 的汽車生產企業(yè) ,一般都會通過用戶調查和實車試 驗 ,選取一條能夠反映典型用戶使用狀況的試驗道 路 ,作為新開發(fā)產品的耐久性試驗道路。在我國 , 大多數(shù)汽車生產企業(yè)并沒有形成自己的檢驗標準 , 國家強制規(guī)定的耐久試驗又與實際用戶使用狀況 相差很大。首先各地的地理 、 氣候等自然條件有較 大差異 ,其次各地經濟發(fā)展嚴重不平衡 ,路面條件、 交通狀況和駕駛者的駕駛習慣也相去甚遠。因此 , 要使設計的汽車滿足所有用戶在所有道路條件下

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的行駛需求是不可能也不現(xiàn)實的 。 據(jù)用戶反映 , 在某地區(qū)的部分出租車中出現(xiàn) 了車身某些部位開裂的問題 。為此 , 在相關地區(qū) 進行了信息收集工作 。前部車身開裂的部位主要 集中在 4 處 : ( 1 ) A 柱根部 ; ( 2 )前縱梁與車身連接 處 ; ( 3 )前部車身空調出水口處 ; ( 4 ) 副車架與車 身連接處 。 據(jù)不完全統(tǒng)計 ,這些裂紋出現(xiàn)的行駛里程也有 較大的離散性 ,但大多數(shù)集中在 10 萬 km 左右 。除 此之外 ,我們還對當?shù)氐穆访媲闆r以及用戶使用狀 況作了調查 。從道路組成來看 ,當?shù)貙儆谏絽^(qū) , 郊 區(qū)道路很大部分由山路組成 ,市區(qū)內又有多條河流 經過 ,部分路面在路橋接縫處有較高的隆起。從路 面狀況來看 ,較好的路面是新鋪的水泥和柏油路 , 一些未鋪的沙石路 、 山區(qū)的石子路面和損壞嚴重的 柏油路則較差 ,也占據(jù)了郊區(qū)道路一定的比例 。在 用戶使用狀況方面 ,一般作為出租車的車輛 ,其使 用狀況有如下特點 : ( 1 )車輛使用頻繁 ,一般一年的 行駛里程都大于 10 萬 km ,個別的近 20 萬 km; ( 2 ) 車輛裝載普遍較重 ,一般超過 60%的載重量 ; ( 3 )行 駛車速較快 ,即使在較差的路面上 , 只要來往車輛 不多 ,就高速行駛�？偟膩碚f ,在調查的地區(qū) ,出租 車的使用狀況是十分惡劣的。 為了進一步量化用戶載荷的大小 , 對用戶道 路進行了載荷測量 。根據(jù)實際用戶車身開裂情 況 ,選擇了具有代表性的車身應變測點進行載荷 譜測量 ,考慮到車身構件復雜的受力狀態(tài) ,在某些 測點采用了三向直角應變 。此外 , 還在車輪以及 減振器和車身聯(lián)結處測量振動加速度 。 的 6 個分力 ( 3 個方向的力和 3 個方向的力矩 ) 。 而以往 ,分解縱向力 、 側向力和垂直力的工作非常 復雜 。首先要在底盤部件上分別找到對單向載荷 敏感的關鍵點 ,然后在相應位置粘貼應變片 ,最后 在臺架上進行單向載荷標定 ,才能測量車輪載荷 。 這樣的做法有很大的局限性 , 實際上各方向載荷 在這些關鍵點藕合作用不能完全消除 , 整個過程 步驟繁雜 ,誤差積累明顯 。因而 ,準確性和適用性 很低 ,影響了對道路載荷的分析 。 除測量輪之外 , 還對底盤加速度 、 車身加速 度、 重心加速度 、 減震器位移 、 車身危險截面應變 、 轉向橫拉桿載荷等其它物理量進行了測量 。 數(shù)據(jù)處理包括了時間域 、 頻率域和幅值域的 分析 。時間域分析包括各載荷信號的統(tǒng)計特性 , 均值 、 、 方差 最大值 、 最小值 、 均方根值等 ; 頻率域 分析包括各載荷信號的功率譜密度 、 幅值譜 、 各通 道間的凝聚函數(shù)等 ; 幅值域分析包括對載荷信號 進行的程對計數(shù) 、 穿級計數(shù) 、 雨流計數(shù)等載荷累積 頻次分析 。 除此之外 ,更重要的是引入了廣義損傷的概 念 ,作為衡量載荷大小的統(tǒng)一指標 。在計算金屬 的疲勞損傷時 ,采用線性累積損傷的原理 ,可以在 得到構件應變信號 (雨流計數(shù) ) 和材料特性 ( S - N 曲線 )的條件下計算結構的疲勞壽命 。如果將這 一概念擴展到其它的載荷信號 , 如力 、 位移 、 加速 度等 ,采用統(tǒng)一的 S - N 曲線 , 就能夠計算出一個 表征載荷大小的數(shù)值 , 這樣可以方便地對在不同 工況下的各種載荷進行比較 。

3　 實驗室道路模擬試驗 2　 試驗道路載荷測量
試驗臺是 M TS 公司開發(fā)的道路模擬試驗系 用戶使用狀況的調查和道路載荷測量僅可作 為載荷分析手段 , 要在試驗臺上進行相應的道路 模擬試驗必須對濃縮強化的道路載荷譜進行迭 代 。目前上海大眾在開發(fā)中普遍使用試車場的強 化耐久試驗道路作為參考基準 。 測量輪技術的出現(xiàn)為道路載荷測量提供了極 大的方便 。通過安裝在一個特制的輪轂上的力傳 感器單元 ,可以方便地測量地面作用在車輪中心
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統(tǒng)的一種 ,可以進行車橋的零部件總成和白車身 道路模擬試驗 。配以臺架專用的測量輪 , 采用遠 程參數(shù)控制 ( RPC )技術可以在實驗室進行道路載 荷的再現(xiàn) 。
MTS RPC III軟件是遠程參數(shù)控制技術的具體

實現(xiàn)手段 ,也是當今在汽車行業(yè)比較流行的道路模 擬控制軟件 。首先 ,定義系統(tǒng)的輸入和輸出 , 即控 制液壓系統(tǒng)的激勵信號和試件上響應信號 ; 然后 , ?3 3 ?

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通過一定帶寬噪聲的激勵 ,自動求解系統(tǒng)的傳遞函 數(shù) ;接著 ,系統(tǒng)產生一個初始激勵信號 ,驅動試驗系 統(tǒng) ,并采集系統(tǒng)響應 ; 比較得到的響應信號與道路 測量時得到的響應之間的差別 ,求得下一步驅動信 號的增量 ,再次驅動試驗系統(tǒng)采集響應 ; 如此循環(huán) 迭代 ,直到期望響應和實際響應的誤差在允許范圍 內 ;最后 ,得到試驗所需的驅動信號 ,并認為在迭代 控制點上 ,實際道路載荷在臺架上得到了再現(xiàn) 。試 驗系統(tǒng)在每個車輪上有 3 個方向的力和一個方向 的力矩輸入 ,分別相對應車輪的縱向力 Fx , 側向力 Fy , 垂直力 Fz , 以及制動力矩 M y 。試驗中 , 以兩個 車輪上的 3 向力 (共 6 個信號 ) 作為迭代目標 , 以 車身危險截面應變作為監(jiān)測點 。 試件為白車身 ,為了固定試件 , 加工了特制的 夾具 ,在車身前部 、 兩側門框 、 車身后部等夾緊車 身 。作動力通過特制的加載盤經懸架 (減震器 、 彈 簧、 副車架 )等零件傳入車身 。為真實模擬車輛前 部的慣性特性 ,安裝了動力總成和轉向機構 。 道路上采集得到的載荷信號 ,要經過篩選和編 輯處理才能用作臺架迭代的期望載荷譜。即使在 試車場固定的道路上 , 載荷測量也是一個隨機過 程 ,駕駛方式 、 當時的氣候 (溫度、 濕度、 風速等 ) 、 道 路狀況等是普遍的影響因素 。因此測得的載荷也 具有一定統(tǒng)計特性的參量 ,必須通過多次試驗才能 得到接近理想真值的分布特性 。通過對多次測量 結果的對比 ,在選取迭代目標時還必須考慮其它一 些因素 : ( 1 )所選擇的試驗路段必須包含所有的路 面組成 ; ( 2 )選取的數(shù)據(jù)長度應符合迭代的實際要 求 ,一般在 10m in以內 ; ( 3 )保證一定大載荷出現(xiàn)的 頻次 ; ( 4 )考慮左右兩側車輪載荷的平衡。 在測得的載荷信號中選取一段比較合適的數(shù) 據(jù) ,對其進行濾波 、 、 編輯 轉換采用頻率等處理后 , 可得到迭代的期望響應信號 。除了控制迭代通道 的誤差外 ,監(jiān)測通道信號的誤差也是需要考慮的 因素 。由于 6 個控制通道對車身關鍵點應變的影 響各異 ,首先必須對應變信號根據(jù)各加載通道進 行標定 ,得到各控制通道對危險截面應變的影響 關系 。然后 ,根據(jù)得到的影響關系以及實測應變 載荷的特征 ,對加載譜進行合理的修正 ,以保證監(jiān) 測點的應變在進行臺架試驗時不致于和道路行駛 ?34?
圖 1 　A 柱根部的裂紋與用戶道路損傷情況基本一致

時相差太大 。 在臺架上進行試驗的白車身是被夾具固定 的 ,而實際上在道路上行駛的車輛是“ 浮動 ” ,因 的 此即使傳入車身的作動力與道路上是一致的 , 由 于傳遞路徑的變化 , 臺架上車身的受力狀況與實 際情況也幾乎是不同的 , 這樣造成試驗的結果往 往是在實際道路上不會出現(xiàn)裂紋的地方在臺架試 驗時首先發(fā)生了破壞 , 而先前選擇的危險截面點 (即用戶道路裂紋產生點 )并無任何損壞 。這也是 進行整車白車身強度道路模擬試驗的難點所在 。 在采取某些必要的修正措施后 ,開始試驗 ,整 個過程中對作動力和車身應變進行了監(jiān)測 , 得到 了令人滿意的試驗結果 。試驗結果顯示 A 柱根部 的裂紋 、 前縱梁與車身連接處的裂紋 、 副車架與車 身連接處的裂紋與用戶道路損傷情況相似 , 見圖 1、 和 3。 2

圖 2　 前縱梁與車身連接處的裂紋與用戶道路損傷情況相似

圖 3　 副車架與車身連接處的裂紋與用戶道路損傷情況相似

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4　 結語
完成了若干個白車身的試驗后 , 總結以上研 究工作 ,形成了前部白車身強度的《 試驗標準 》規(guī) , 定了試驗臺的構成 、 試驗所用的加載譜 、 試件范圍 以及控制的關鍵部位等技術信息 , 為車身開發(fā)以 及方案改進的試驗驗證提供了技術手段 。 對于車身而言 ,由于其結構更加復雜 ,臺架試 驗中載荷輸入點與關鍵控制部位的距離更遠 , 因 此在試驗臺上進行道路載荷的真實模擬更加困 難 。通過本文的工作 , 希望對車身零部件的強度 道路模擬試驗進行探索 , 結合開發(fā)和技術改進的 實際需求 ,為車身強度設計提供驗證手段 ,也為解 決用戶抱怨問題提供較為合理的參考依據(jù) 。 參考文獻
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械疲勞壽命 . 同濟大學學報 (自然科學版 ) , 2001. 29 ( 8)

性試驗加載技術的研究 . 農業(yè)機械學報 , 1995. 1

Abstract

The article investigates and analyzes the injury

situation of car body caused while driving on the user road. Load measurement is done on both user road

and test road. By analyzing and dealing w ith data,

remote parameter control technology is app lied on test

bench to draw up the load test spectrum. App lying it injury situation on user road. Based on several parts test data, the article establishes a method of testing

on vehicle body test can get an alike result w ith the

body intensity and p rovides test ways of development and design enhancem ent .

tisch abgesicherten Kunden - Lastkollektiven fuer Personenkraftwagen.

(上接第 31 頁 )

5　 沈觀林 . 復合材料力學 . 北京 : 清華大學出版社 , 1996

的鋪層厚度和角度 ,則設計變量太多 ,計算規(guī)模太 大 ,對所需計算機資源要求較高 。 從優(yōu)化結果看 , 兩種模型中最優(yōu)厚度及角度 參數(shù)均為非整數(shù) ,這雖然在工藝上比較麻煩 ,但理 論上是完全合理的 ,作為設計研究 , 具有良好的參 考意義 。 參考文獻

Abstract

pound materials in heavy duty vehicle is done in the

article. The weight of frame w ith compound materials tablished, one using layer thickness of compound

1 　 　 ,馬 　 ,王仲范 . 復合材料高速儲能飛輪強度極 楊 橙 力

materials on longitudinal beam as variable, the other

限轉速的確定 . 武漢理工大學學報 , 2002. 24 ( 8)

2 　 　 ,馬 　 ,王仲范 . 復合材料高速儲能飛輪臨界轉 楊 橙 力

速與極限轉速的研究 . 中國機械工程 , 2003. 14 ( 18) 出版社 . 1996

3　 黃天澤 , 黃金陵 . 汽車車身結構與設計 . 北京 : 機械工業(yè) 4　 余良富 ,馬 　 ,王 　 . 復合材料重型專用車車架設計 力 皎

與分析 . 武漢理工大學學報 , 2005. 27 ( 5)

materials .

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als as variable. The op tim ized result p roves it effec2 tive to do light eight study on automobile ’s large w size load parts from the point of both the app lication and structure op tim ized design of modern compound

being targeted function, two op tim ized models are es2 using layer angle and thickness of compound materi2

Op tim ized design for Fram e structure w ith com 2

?3 5 ?



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