・试验测试・ 白车身及四门两盖静态刚度测试系统设计★ 杜爱民 朱沛沛 朱忠攀 （１．同济大学；２．同济汽车设计研究院） 【摘要】根据对白车身及四门两盖静态刚度测试需求分析，搭建了白车身及四门两盖试验测试平台，提出了适应于各 项刚度试验的试验方法及试验流程，设计了静态刚度测量软硬件系统。该测量系统有效整合了白车身与四门两盖静态刚 度试验需求，通过统一的数据报告模板实现了试验数据的规范化管理。通过对不同试件的静态刚度试验测试，验证了该测 量系统的稳定性和可靠性。 主题词：白车身静态刚度测试系统 中图分类号：Ｕ４６７．３文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１５）ｌ１—００５２—０５ Ｓｔａｔｉｃ Ｓｔｉｆｎｅｓｓ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＢＩＷ ａｎｄ ４Ｄ２Ｈ Ｄｕ Ａｉｍｉｎ ，Ｚｈｕ Ｐｅｉｐｅｉ ，Ｚｈｕ Ｚｈｏｎｇｐａｎ ’ （１．Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ＢＩＷ（Ｂｏｄｙ－ｉｎ－ｗｈｉｔｅ）ａｎｄ ４Ｄ２Ｈ（４ ｄｏｏｒｓ ａｎｄ ２ ｈｏｏｄｓ）ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔｓ，ａｎｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ／ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ＢＩＷ ａｎｄ ４Ｄ２Ｈ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ ａ ｕｎｉｉｆｅｄ ｄａｔａ ｒｅｐｏｒｔ ｔｅｍｐｌａｔｅ，ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｉｓ ｍａｎａｇｅｄ ｉｎ ａ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ ｗａｙ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｓｔ ｓａｍｐｌｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＢＩＷ。Ｓｔａｔｉｃ Ｓｔｉ ｅｓｓ．Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ １前言 ２汽车刚度试验设计方案 白车身以及四门两盖（车门、行李舱盖、发动机舱 ２．１轻量化技术对汽车刚度试验的影响 盖等组件总称）的静态刚度试验是汽车车身轻量化设 汽车刚度是影响汽车性能的关键因素，增加车身刚 计的重要试验验证环节，是汽车安全和驾驶舒适性的 度可获得良好的舒适性和安全性，然而刚度过大会增加 重要衡量指标，也是汽车轻量化技术的主要研究实施 车重、油耗及成本，因此需要确定适当的车身刚度以及 对象ｎ 。近年来，国内外围绕白车身刚度试验的研究较 刚度与位移的关系来满足汽车性能要求。在保证刚度 多 ，但均没有对四门两盖等其它组件的刚度测量方 基本要求的基础上利用轻量化技术减轻汽车整备质量， 法进行研究，而四门两盖是轻量化设计的重要组成部 是汽车刚度试验的主要目的。 分，且比白车身有更多的刚度试验要求。为此，本文根 轻量化技术发展对刚度试验的影响主要体现在以 据企业对白车身及四门两盖静态刚度测试需求搭建了 下几方面。 刚度测试试验平台，通过不同类别的静态刚度试验，得 ａ．轻量化促使刚度试验目标的转变。汽车刚度 到了面向汽车轻量化设计的静态刚度试验方法与试验 试验在车身及四门两盖结构设计中不只起到性能验证 流程，并开发出了汽车静态刚度试验软硬件测试与分 的作用，也成为辅助设计的关键环节，使设计人员与试 析系统。 验人员协同工作几率增加。 基金项目：上海大众一同济汽车设计研究院产学研项目Ｔ一１２０９—０７９—０与上海市信息委专项基金项目２０１２０１０１５资助。 －５２－－ ・ 汽车技术 ・试验测试・ 基于以上理论分析和流程设计，搭建了面向汽车轻 号转化成±１０ Ｖ的电压信号输出。 该台架统一采用光栅式位移传感器来检测试件在 加载力作用下的变形量，该位移传感器采用了莫尔条 纹的工作原理对外输出１ＹｒＬ脉冲信号。由于刚度试验 量化的白车身及四门两盖刚度测试试验台架，并进行了 从刚度试验数据采集到刚度试验评估分析的软件设计。 ３静态刚度测试系统硬件设计 ３．１系统架构 所需位移传感器较多，故采用计数器信号转接盒对位 移传感器信号进行合并转接，滤波后传输至数据采集 设备。 该台架引入伺服电动缸实现了部分试验的自动化 过程。伺服电动缸是伺服电机与蜗轮蜗杆机构组成的 线性执行器的集成体，可控制加载速度、加载方向和稳 采取模块化集成设计的方法进行系统集成设计。 考虑到企业实际试验需求，将白车身和四门两盖刚度试 验进行了分系统设计，两个子系统的组件分别集成在各 自的控制柜和试验台架中，系统架构如图４和图５所 示。除试件不同导致加载和固定装置不同外，系统其它 部分采取了通用模块化设计，以利于白车身与四门两盖 刚度测量组件的灵活替换，提高设备利用率，降低试验 硬件成本。 图４白车身刚度试验系统架构 图５ 四门两盖刚度试验系统架构 ３．２台架设计 试验台架为Ｔ型槽试验平台，根据试件测试点分布 和加载要求，在平台上固定了力传感器、位移传感器、信 号转接盒和力加载装置以及固定装置等。 该台架采用了国外某公司同一系列不同量程的拉 压通用式力传感器，可满足不同刚度试验的测试要求， 其量程为０．２～ｌ０ ｋＮ，精度为±Ｏ．１５％。力传感器测量信 号通过信号转接盒进行信号放大和滤波处理，将测量信 一５４一 定时间，提高试验过程中试件外部施加力的加载效率和 精准度。 ３－３控制柜设计 依据试验需求进行了控制柜一体化设计。图４和 图５分别为白车身刚度试验系统架构和四门两盖刚度 试验系统架构。由图４和图５可看出，两个试验系统控 制柜均集成了同样的上位机和数据采集设备，数据采集 机箱与数据采集卡选取了美国ＮＩ公司的数据采集系 统，可根据试验所需最大通道数不同，在数据采集机箱 内集成不同数量的数据采集板卡。另外，四门两盖刚度 测量采用了伺服电动缸自动加载，额外集成了ＰＬＣ控制 系统与伺服电动机驱动器等设备。 上位机采用机架式工控机，工控机内嵌Ｒ２３２串口 通讯卡与ＰＬＣ控制器进行通讯，ＰＬＣ控制器根据上位 机指令与伺服电机驱动器通讯实现电动缸控制，另外， 工控机还通过与数据采集机箱的通讯来获取力传感器 与位移传感器的信号，从而形成了对电动缸闭环的控 制系统（图６），以实现四门两盖刚度测量试验的自动 化加载与数据采集。 图６伺服电动缸闭环控制框图 由于传感器与数据采集机箱来自于不同的生产厂 家，在从传感器到数据采集机箱的信号传递过程中还需 要考虑信号的转接问题，因此进行了信号转接盒的设 计。整个信号转接盒系统由模拟量信号转接盒、计数器 信号转接盒及控制柜中内嵌的为转接盒供电的电源盒 等组成。 ４系统软件设计 ４．１数据采集软件开发环境 采用Ｌａｂｖｉｅｗ２０１０作为软件开发平台进行上位机控 汽车技术 ・试验测试・ 行原始数据的后处理并生成试验报告。统一形式的试 验数据以及自动生成的试验报告有助于缩短数据处理 分析时间，加强试验信息的存储与管理，其流程为：试验 数据采集一数据计算处理一自动生成报告一试验报告 上传一试验报告审核一试验报告入库一试验报告下载 一试验报告查阅。图１１为基于ＴＣＰ￣Ｐ协议的内部局域 网试验报告共享系统。 客户端 图１１试验报告文件共享系统 ５静态刚度测试系统的应用 利用所设计的测试系统在某企业进行了白车身及 四门两盖等不同试件的静态刚度试验。 图１２为车门下垂试验的试验数据处理结果，其中 加载变形曲线表征了在１００～１ ０００ Ｎ加载力作用下车 门ＭＰ１点的变形量，试验要求加载变形量最大值不能 超过１０ ｍｍ；残余变形曲线表征不同加载力卸载后车门 残余的变形量，试验要求残余变形量不能超过１ ｍｎｌ。 试验结果表明，随加载力的增加，车门变形量和残余变 形量均逐渐增加，在最大加载力（１ ０００ Ｎ）作用下的最 大变形量为６．１ １ ｍｍ，残余变形量为０．２３ ｍｍ，满足试验 要求。 图１２ ＭＰ１点变形量和加载力关系曲线 图１３为车门过开试验的试验数据处理结果，过开 角度变化曲线表征了在５０～５００ Ｎ加载力作用下车门过 开角的大小，常规角度变化曲线表征了卸载后车门过开 角的残余值。由图ｌ３可看出，车门过开角在加载力作 用下呈线性增长趋势。 一５６一 ＿口 垦 缸娶 图１３车门过开角度变化曲线 静态刚度试验结果表明，该汽车刚度测试系统可适 用于不同类别的汽车刚度测试试验的实际工程测试需 求，可有效提升试验效率。 ６结束语 本文结合汽车轻量化与车身及四门两盖刚度试验 需求，提出了适应于白车身及四门两盖各项刚度试验 的试验方法与试验流程；通过对白车身与四门两盖静 态刚度试验的共性与差异性研究，设计了白车身及四 门两盖静态刚度测量软硬件系统。该测试系统有效整 合了白车身与四门两盖静态刚度试验需求，通过统一 的数据报告模板实现了试验数据的规范化管理，为汽 车试验信息化发展与试验数据管理提供了借鉴。通过 对不同试件静态刚度试验测试，验证了该系统的稳定 性和可靠性。 参考文献 １ Ｋｉｃｈａｎｇ Ｋｉｍ，Ｉｎｈｏ Ｃｈｏｉ，ＣｈａｎＭｏｏｋ Ｋｉｍ．Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ Ｂｏｄｙ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ ＳｔｉｆｆｎｅｓｓＳＡＥ ２００５—０１—２４６４． ２范叶，杨沿平，孟先春，等．汽车轻量化技术及其实施途径． 汽车工业研究，２００６（７）：４０—４２． ３袁玲，仇彬，于霞．轿车车身扭转刚度试验方法研究．农业装 备与车辆工程，２００７（１１）：１３—１６． ４胡文伟．轿车车身刚度测量．上海汽车，１９９５（５）：６～８．ＨＵ Ｗｅｎｗｅｉ．Ｃａｒ ｂｏｄｙ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇ— ｈａｉ Ａｕｔｏ，１９９５（５）：６～８． ５邵建旺，彭为，靳晓雄，等．ＳＵＶ白车身静态刚度试验研究． 汽车技术，２００９（４）：４１ ４４． ６孙卓，颜德田，韦红雨等．汽车车身静态刚度测量．计算机测 量与控制，２００６（６）：７２４～７２６． ７ Ｋ ａｒａｎ Ｒ．Ｋｈａｎｓｅ，Ｓｈｅｋｈａｒ Ｐ Ｐａｔｈａｋ．Ｔｅｓｔ Ｓｅｔ—Ｕｐ ｏｆ ＢＩＷ （Ｂｏｄｙ ｉｎ Ｗｈｉｔｅ）Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．ＳＡＥ ２０１３—０１— １４３９． （责任编辑文楫） 修改稿收到Ｅｌ期为２０１５年７月８日。 汽车技术 ｇ哪