扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度)

在汽车的设计生产过程中,车身刚性是非常重要的评判指标与设计基础。一辆汽车想要具有良好的操作稳定性能,良好的车身刚性是基础。车身刚性并不是直接提升车辆的操作稳定性能,但却是汽车相关性能调校的基础。若汽车的刚性太差,车身就会吸收一部分能量发生形变,最终将会出现转向问题或行走线路达不到预期等情况,或者给人感觉整车松散,从而影响车辆的操作稳定性。

白车身刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度可用车身在垂直载荷作用下产生的挠度大小来描述,扭转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述。车身弯曲及扭转刚度的加载方法、计算方法及结果评价方法等多种多样,每个企业也有不同的要求。本期我们重点探讨车身弯曲刚度及扭转刚度目标值的制定方法。

一、车身刚度目标的来源

车身刚度目标来源有不同的出处,通过查找相关文献其主要有以下:

1、Bending Stiffness Requirement:The feeling of solidness as the vehicle drives over road irregularities. Solidness is a subjective feeling that the vehicle is “well put together”, “vault-like”, and not “loose” or “shaky”. This subjective feel has been correlated to engineering parameters; one of the more significant is body vibration resonance.

2、Torsional Stiffness Requirement:To ensure good handling properties, the body should be torsionally stiff relative to the suspension stiffness.To ensure a solid structural feel and minimize relative deformations which result in squeaks and rattles. This is related to the fundamental natural frequency of the body twisting mode.

3、总结以上两点,即车身弯曲刚度目标来源主要是整车弯曲模态,扭转刚度目标来源主要是操纵稳定性和整车扭转模态。

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

二、车身弯曲刚度目标值的确定方法

1、根据振动力学,我们知道均匀梁的频率可以用如下公式表述,而整车可假设为均匀梁,如图1所示。

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图1 均匀梁弯曲简化模型

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图2 均匀梁弯曲圆频率公式

2、我们可以将均匀梁弯曲刚度简化如图3所示模型。通过转换可以将弯曲刚度与弯曲模态圆频率间关系表述,如图4所示。

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图3 均匀梁弯曲刚度简化模型

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图4 弯曲刚度与弯曲模态圆频率间关系

3、车身弯曲刚度目标确定方法-案例简述

(1)如某车型整备质量M=1450kg,轴距l= 2700mm,整车L=4500mm

预计整车弯曲模态频率约为28~30Hz,刚性连接到车身的质量为0.4~0.6倍的整备质量,即580kg~870kg;

通过上述公式计算,弯曲刚度为:7951N/mm~13690N/mm,

当系数取0.5倍的整备质量,弯曲刚度为11409N/mm。

(2)当频率f=30Hz时,弯曲刚度与整备质量关系曲线如下图5所示。

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图5 弯曲刚度与整备质量关系曲线

(3)当质量m=725Kg时,弯曲刚度与模态频率关系曲线如下图6所示。

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图6 弯曲刚度与模态频率关系曲线

(4)从弯曲刚度与模态频率关系曲线可以看出,当弯曲模态固有频率为定值时,弯曲刚度与整备质量成线性关系;当整备质量为定值时,弯曲刚度与弯曲模态频率成二次方关系。

三、车身扭转刚度目标值的确定方法

当车身转向时,车辆会发生侧倾,这种侧倾会导致质量从一侧转移至另一侧,并会影响车辆的转向特性。在设计悬架时,车身假设为刚体,而悬架参数是基于此假设设计的,所以我们希望车身的扭转刚度要求足够高,以符合车身刚体假设是正确的,上述假设的正确性,可以通过使车身扭转刚度高于悬架刚度的很多倍来实现。即车身扭转刚度主要是基于操稳确定。

1、相关理论基础

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图7 操稳侧倾模型

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图8 车身为柔性体的悬架侧倾刚度模型

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图9 真实的侧倾刚度

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图10 修正后的悬架侧倾刚度

扭转刚度和弯曲刚度(轴的弯曲刚度) 

图11 车身扭转刚度与悬架刚度关系曲线

2、当车身刚度是悬架刚度的10倍时,KEFF = 0.9 KROLL ,此时车身扭转刚度不会随着侧倾刚度增加而增加,达到相对稳定;所以车身扭转刚度设计时,一般定义为悬架侧倾刚度10倍以上。

3、从操稳角度考虑,根据悬架侧倾刚度与车身刚度的理论关系,某车型扭转刚度计算值应该大于12350N·m/°;从门洞变形量角度考虑,为减小开闭件与车身的异响概率,应该尽可能提高车身的扭转刚度;从车身强度耐久角度考虑,适当的提升车身的扭转刚度,可以有效的提升强度耐久性能。

四、小结

1、车身弯曲刚度和扭转刚度与整车模态有着紧密联系;

2、车身弯曲刚度目标值确定主要是基于弯曲模态制定;

3、车身扭转刚度目标值确定主要是基于操稳性能制定;

4、不管是弯曲刚度还是扭转刚度目标值确定,需要理论方法与实际相结合,包括相近车型计算或实测值作为参考,综合尽可能的相关数据来制定刚度目标值。

所有的方法都不是唯一的,必须结合实际工程进行综合考虑,制定适合自身的刚度性能目标,为产品开发提供依据。

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