轿车车身强度道路模拟试验技术研究

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设计研究

轿车车身强度道路模拟试验技术研究
周 　 　 　 　 (上海大众汽车有限公司 ) 炜 金 锋

【 摘要 】 对轿车车身在用户道路中产生的损伤情况进行了调查和分析 ,在用户道路和试验道路上进行 　
了载荷测量 ,通过数据分析和处理 ,在试验台上采用远程参数控制技术 ,制定了试验加载谱 ,对白车身进行试验 后

,得到了与用户道路相似的损伤 。在多个试件试验的基础上 ,制定了白车身强度试验的方法 ,为开发和改进设 计提供了检验手段 。

【 主题词 】 道路试验 　 　 车身 　 轿车

0　 引言
汽车产品的安全性和质量耐久性一直是技术 人员关注的两大课题 。发动机 、 底盘 、 车身等零部 件如何在其使用寿命内满足用户各种需求 , 是车 辆可靠性设计的主要目标 。一方面 , 国内汽车工 业起步较晚 ,自主开发能力尚不健全 ,技术水平和 试验手段尚未完善 ; 另一方面 , 中国地域辽阔 , 各 地经济和文化的巨大差异造成路面条件 、 驾驶习 惯、 交通状况等影响车辆载荷的因素具有很大的 离散度 ,这给车辆耐久性设计带来了很大困难 。 近年来 ,随着我国汽车工业的发展 ,各企业逐 步从引进技术 、 联合开发向自主开发的方向过渡 , 通过引入先进的设计和试验设备 , 使开发能力有 了新的提高 。在日益激烈的市场竞争下 , 要求开 发部门在最短的时间内 ,花费最少的成本 ,设计出 最大限度满足用户需求的产品 , 这就使得在开发 过程中采用先进的设计 、 试验手段显得尤为重要 。 道路模拟试验技术已被国际上几乎所有的汽 车企业所采用 。在开发的早期阶段 , 可以在实验 室内对设计出的零部件在试验台上进行模拟真实 道路的试验 ,对其强度耐久性作出合理 、 真实的评 价 ,为设计提供验证手段和参考依据 。由于这样 的试验无需使用整车 ,缩短了开发周期 ,降低了开 发成本 。
收稿日期 : 2005 - 12 - 27 3 本文为上海市汽车工程学会 2005年 (第 12届 )学术年会优秀论文。

本文以某车型的前部车身为研究对象 , 首先 对用户使用状况进行调查 , 对用户道路和试验场 道路载荷进行测量 , 比较了实际用户使用过程中 的损坏状况和试验场耐久道路试验的载荷情况 ; 然后 ,在道路模拟试验台上 ,采用远程参数控制技 术并结合有限元计算分析的结果 , 重现了道路载 荷 ,在实验室内进行前部车身强度耐久试验 ; 最 后 ,通过对试验结果的分析 ,制定相关零部件的台 架试验标准 , 为设计和改进提供验证手段和参考 依据 。

1　 用户使用状况分析

生产的汽车会被怎样的用户使用 ,在怎样的路 面上行驶 ,驾驶员的操作习惯以及当地的交通、 气 候状况如何 ? 这些都是设计者应该十分关注的问 题 ,也是确定整个设计目标的依据 。欧洲一些先进 的汽车生产企业 ,一般都会通过用户调查和实车试 验 ,选取一条能够反映典型用户使用状况的试验道 路 ,作为新开发产品的耐久性试验道路。在我国 , 大多数汽车生产企业并没有形成自己的检验标准 , 国家强制规定的耐久试验又与实际用户使用状况 相差很大。首先各地的地理 、 气候等自然条件有较 大差异 ,其次各地经济发展严重不平衡 ,路面条件、 交通状况和驾驶者的驾驶习惯也相去甚远。因此 , 要使设计的汽车满足所有用户在所有道路条件下

?32?

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的行驶需求是不可能也不现实的 。 据用户反映 , 在某地区的部分出租车中出现 了车身某些部位开裂的问题 。为此 , 在相关地区 进行了信息收集工作 。前部车身开裂的部位主要 集中在 4 处 : ( 1 ) A 柱根部 ; ( 2 )前纵梁与车身连接 处 ; ( 3 )前部车身空调出水口处 ; ( 4 ) 副车架与车 身连接处 。 据不完全统计 ,这些裂纹出现的行驶里程也有 较大的离散性 ,但大多数集中在 10 万 km 左右 。除 此之外 ,我们还对当地的路面情况以及用户使用状 况作了调查 。从道路组成来看 ,当地属于山区 , 郊 区道路很大部分由山路组成 ,市区内又有多条河流 经过 ,部分路面在路桥接缝处有较高的隆起。从路 面状况来看 ,较好的路面是新铺的水泥和柏油路 , 一些未铺的沙石路 、 山区的石子路面和损坏严重的 柏油路则较差 ,也占据了郊区道路一定的比例 。在 用户使用状况方面 ,一般作为出租车的车辆 ,其使 用状况有如下特点 : ( 1 )车辆使用频繁 ,一般一年的 行驶里程都大于 10 万 km ,个别的近 20 万 km; ( 2 ) 车辆装载普遍较重 ,一般超过 60%的载重量 ; ( 3 )行 驶车速较快 ,即使在较差的路面上 , 只要来往车辆 不多 ,就高速行驶。总的来说 ,在调查的地区 ,出租 车的使用状况是十分恶劣的。 为了进一步量化用户载荷的大小 , 对用户道 路进行了载荷测量 。根据实际用户车身开裂情 况 ,选择了具有代表性的车身应变测点进行载荷 谱测量 ,考虑到车身构件复杂的受力状态 ,在某些 测点采用了三向直角应变 。此外 , 还在车轮以及 减振器和车身联结处测量振动加速度 。 的 6 个分力 ( 3 个方向的力和 3 个方向的力矩 ) 。 而以往 ,分解纵向力 、 侧向力和垂直力的工作非常 复杂 。首先要在底盘部件上分别找到对单向载荷 敏感的关键点 ,然后在相应位置粘贴应变片 ,最后 在台架上进行单向载荷标定 ,才能测量车轮载荷 。 这样的做法有很大的局限性 , 实际上各方向载荷 在这些关键点藕合作用不能完全消除 , 整个过程 步骤繁杂 ,误差积累明显 。因而 ,准确性和适用性 很低 ,影响了对道路载荷的分析 。 除测量轮之外 , 还对底盘加速度 、 车身加速 度、 重心加速度 、 减震器位移 、 车身危险截面应变 、 转向横拉杆载荷等其它物理量进行了测量 。 数据处理包括了时间域 、 频率域和幅值域的 分析 。时间域分析包括各载荷信号的统计特性 , 均值 、 、 方差 最大值 、 最小值 、 均方根值等 ; 频率域 分析包括各载荷信号的功率谱密度 、 幅值谱 、 各通 道间的凝聚函数等 ; 幅值域分析包括对载荷信号 进行的程对计数 、 穿级计数 、 雨流计数等载荷累积 频次分析 。 除此之外 ,更重要的是引入了广义损伤的概 念 ,作为衡量载荷大小的统一指标 。在计算金属 的疲劳损伤时 ,采用线性累积损伤的原理 ,可以在 得到构件应变信号 (雨流计数 ) 和材料特性 ( S - N 曲线 )的条件下计算结构的疲劳寿命 。如果将这 一概念扩展到其它的载荷信号 , 如力 、 位移 、 加速 度等 ,采用统一的 S - N 曲线 , 就能够计算出一个 表征载荷大小的数值 , 这样可以方便地对在不同 工况下的各种载荷进行比较 。

3　 实验室道路模拟试验 2　 试验道路载荷测量
试验台是 M TS 公司开发的道路模拟试验系 用户使用状况的调查和道路载荷测量仅可作 为载荷分析手段 , 要在试验台上进行相应的道路 模拟试验必须对浓缩强化的道路载荷谱进行迭 代 。目前上海大众在开发中普遍使用试车场的强 化耐久试验道路作为参考基准 。 测量轮技术的出现为道路载荷测量提供了极 大的方便 。通过安装在一个特制的轮毂上的力传 感器单元 ,可以方便地测量地面作用在车轮中心
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统的一种 ,可以进行车桥的零部件总成和白车身 道路模拟试验 。配以台架专用的测量轮 , 采用远 程参数控制 ( RPC )技术可以在实验室进行道路载 荷的再现 。
MTS RPC III软件是远程参数控制技术的具体

实现手段 ,也是当今在汽车行业比较流行的道路模 拟控制软件 。首先 ,定义系统的输入和输出 , 即控 制液压系统的激励信号和试件上响应信号 ; 然后 , ?3 3 ?

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通过一定带宽噪声的激励 ,自动求解系统的传递函 数 ;接着 ,系统产生一个初始激励信号 ,驱动试验系 统 ,并采集系统响应 ; 比较得到的响应信号与道路 测量时得到的响应之间的差别 ,求得下一步驱动信 号的增量 ,再次驱动试验系统采集响应 ; 如此循环 迭代 ,直到期望响应和实际响应的误差在允许范围 内 ;最后 ,得到试验所需的驱动信号 ,并认为在迭代 控制点上 ,实际道路载荷在台架上得到了再现 。试 验系统在每个车轮上有 3 个方向的力和一个方向 的力矩输入 ,分别相对应车轮的纵向力 Fx , 侧向力 Fy , 垂直力 Fz , 以及制动力矩 M y 。试验中 , 以两个 车轮上的 3 向力 (共 6 个信号 ) 作为迭代目标 , 以 车身危险截面应变作为监测点 。 试件为白车身 ,为了固定试件 , 加工了特制的 夹具 ,在车身前部 、 两侧门框 、 车身后部等夹紧车 身 。作动力通过特制的加载盘经悬架 (减震器 、 弹 簧、 副车架 )等零件传入车身 。为真实模拟车辆前 部的惯性特性 ,安装了动力总成和转向机构 。 道路上采集得到的载荷信号 ,要经过筛选和编 辑处理才能用作台架迭代的期望载荷谱。即使在 试车场固定的道路上 , 载荷测量也是一个随机过 程 ,驾驶方式 、 当时的气候 (温度、 湿度、 风速等 ) 、 道 路状况等是普遍的影响因素 。因此测得的载荷也 具有一定统计特性的参量 ,必须通过多次试验才能 得到接近理想真值的分布特性 。通过对多次测量 结果的对比 ,在选取迭代目标时还必须考虑其它一 些因素 : ( 1 )所选择的试验路段必须包含所有的路 面组成 ; ( 2 )选取的数据长度应符合迭代的实际要 求 ,一般在 10m in以内 ; ( 3 )保证一定大载荷出现的 频次 ; ( 4 )考虑左右两侧车轮载荷的平衡。 在测得的载荷信号中选取一段比较合适的数 据 ,对其进行滤波 、 、 编辑 转换采用频率等处理后 , 可得到迭代的期望响应信号 。除了控制迭代通道 的误差外 ,监测通道信号的误差也是需要考虑的 因素 。由于 6 个控制通道对车身关键点应变的影 响各异 ,首先必须对应变信号根据各加载通道进 行标定 ,得到各控制通道对危险截面应变的影响 关系 。然后 ,根据得到的影响关系以及实测应变 载荷的特征 ,对加载谱进行合理的修正 ,以保证监 测点的应变在进行台架试验时不致于和道路行驶 ?34?
图 1 　A 柱根部的裂纹与用户道路损伤情况基本一致

时相差太大 。 在台架上进行试验的白车身是被夹具固定 的 ,而实际上在道路上行驶的车辆是“ 浮动 ” ,因 的 此即使传入车身的作动力与道路上是一致的 , 由 于传递路径的变化 , 台架上车身的受力状况与实 际情况也几乎是不同的 , 这样造成试验的结果往 往是在实际道路上不会出现裂纹的地方在台架试 验时首先发生了破坏 , 而先前选择的危险截面点 (即用户道路裂纹产生点 )并无任何损坏 。这也是 进行整车白车身强度道路模拟试验的难点所在 。 在采取某些必要的修正措施后 ,开始试验 ,整 个过程中对作动力和车身应变进行了监测 , 得到 了令人满意的试验结果 。试验结果显示 A 柱根部 的裂纹 、 前纵梁与车身连接处的裂纹 、 副车架与车 身连接处的裂纹与用户道路损伤情况相似 , 见图 1、 和 3。 2

图 2　 前纵梁与车身连接处的裂纹与用户道路损伤情况相似

图 3　 副车架与车身连接处的裂纹与用户道路损伤情况相似

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4　 结语
完成了若干个白车身的试验后 , 总结以上研 究工作 ,形成了前部白车身强度的《 试验标准 》规 , 定了试验台的构成 、 试验所用的加载谱 、 试件范围 以及控制的关键部位等技术信息 , 为车身开发以 及方案改进的试验验证提供了技术手段 。 对于车身而言 ,由于其结构更加复杂 ,台架试 验中载荷输入点与关键控制部位的距离更远 , 因 此在试验台上进行道路载荷的真实模拟更加困 难 。通过本文的工作 , 希望对车身零部件的强度 道路模拟试验进行探索 , 结合开发和技术改进的 实际需求 ,为车身强度设计提供验证手段 ,也为解 决用户抱怨问题提供较为合理的参考依据 。 参考文献
1 　 P. Heuler, J. Vogler A. Beste. Ableitung von Festigkeits . forderungen fuer PK unter Beruecksichtigung statistischer Kriterien. W Materialw issenschaft und W erkstofftechnik, 2003. 9 2 　Horst - M , Schaefer - U , Schm idt - R. Er ittlung von statis2 m Konferenz - Einzelbericht: DVM - Ber Fahr . werke und Betriebsfes2 tigkeit, 2002. 10 3 　 　 ,周 　 ,冯展辉 . 动态模拟试验技术在汽车结构强 周 炜 鋐 4 　 　 ,周 　 ,冯展辉 . 应用局部应力 —— 周 炜 鋐 — 应变法估算机 5　 张基全 . 载荷谱的数据采集与处理技术 . 工程机械 , 1996. 6 6　 周长城 ,徐 　 ,王要武 , 张道林 . 室内强化加载快速可靠 刚

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械疲劳寿命 . 同济大学学报 (自然科学版 ) , 2001. 29 ( 8)

性试验加载技术的研究 . 农业机械学报 , 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 页 )

5　 沈观林 . 复合材料力学 . 北京 : 清华大学出版社 , 1996

的铺层厚度和角度 ,则设计变量太多 ,计算规模太 大 ,对所需计算机资源要求较高 。 从优化结果看 , 两种模型中最优厚度及角度 参数均为非整数 ,这虽然在工艺上比较麻烦 ,但理 论上是完全合理的 ,作为设计研究 , 具有良好的参 考意义 。 参考文献

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 　 　 ,马 　 ,王仲范 . 复合材料高速储能飞轮强度极 杨 橙 力

materials on longitudinal beam as variable, the other

限转速的确定 . 武汉理工大学学报 , 2002. 24 ( 8)

2 　 　 ,马 　 ,王仲范 . 复合材料高速储能飞轮临界转 杨 橙 力

速与极限转速的研究 . 中国机械工程 , 2003. 14 ( 18) 出版社 . 1996

3　 黄天泽 , 黄金陵 . 汽车车身结构与设计 . 北京 : 机械工业 4　 余良富 ,马 　 ,王 　 . 复合材料重型专用车车架设计 力 皎

与分析 . 武汉理工大学学报 , 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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