汽車試驗(yàn)技術(shù) 課件 項(xiàng)目3 結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度基本理論

項(xiàng)目三結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度基本理論

剛度是反映結(jié)構(gòu)變形與力的大小關(guān)系的參數(shù)，即結(jié)構(gòu)受多大力產(chǎn)生多少變形的量，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是一根彈簧，拉力除以伸長(zhǎng)量就是彈簧的剛度。它是指構(gòu)件或者零件在外力作用下，抵御彈性變形或者位移的能力，即彈性變形或者唯一不應(yīng)該超過(guò)工程允許的范圍。3.3.1結(jié)構(gòu)剛度基本理論車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度可以通過(guò)前懸架變形情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，即：k=M/a=(F?l)/(l/s)（3.1）式中：M為施加的力矩，N?m；F是作用于車身的恒力，N；s是由于力產(chǎn)生的形變，m；l是左右前減振器中心點(diǎn)之間的距離，m；a為旋轉(zhuǎn)角度，rad。3.3.1結(jié)構(gòu)剛度基本理論計(jì)算車身扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，假定轎車車身是一個(gè)具有均勻扭轉(zhuǎn)剛度的桿體，轎車車身前、后軸間平均扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算公式為：GJ=TL/θ（3.2）式中：GJ是車身扭轉(zhuǎn)剛度（單位：N﹒m/deg）；T是車身上加載扭力（單位為N）；L是車身軸距（單位：m）；θ為車身軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度（單位：deg）。軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角示意圖，如圖3.10所示。式中：θ為扭轉(zhuǎn)角，單位為度；U1為左側(cè)縱梁測(cè)點(diǎn)的撓度，單位為mm；U2為右側(cè)縱梁測(cè)點(diǎn)的撓度，單位為mm；D為左、右縱梁中心線的距離，單位為mm。圖3.10軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角示意圖3.3.1結(jié)構(gòu)剛度基本理論車身結(jié)構(gòu)的彎曲剛度可以通過(guò)前門檻變形情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，即：K=F/z(3.3)式中：F——最大載荷（集中力加載），N；z——門檻梁的垂直方向最大變形（最大彎曲撓度），m；K——車身的剛度，N/m。計(jì)算假定車體具有相同的張力，而車體作為一個(gè)整體是一個(gè)具有均勻彎曲剛度的簡(jiǎn)單支撐梁，在中心點(diǎn)中央加載，如圖3.11所示，從而得到前后軸線的彎曲剛度。運(yùn)用力學(xué)公式計(jì)算了梁的彎曲剛度，同時(shí)根據(jù)荷載和最大彎曲撓度算出車體的彎曲剛度見(jiàn)式3.4。EI=Fax(L2-x2-a2)/6LZ(3.4)

式中：EI為轎車車身彎曲剛度，單位為N/m2；

F為集中載荷力，單位為N；

L為前后懸掛固定座支撐點(diǎn)縱向距離，單位為m；

b、a分別是前后支撐點(diǎn)與載荷的距離，單位為m；

z為垂直方向彎曲撓度，單位為m；x為計(jì)算z值點(diǎn)到前支撐點(diǎn)與集中載荷的距離，單位為m。3.3.1結(jié)構(gòu)剛度基本理論感謝聆聽(tīng)項(xiàng)目三結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度基本理論強(qiáng)度的定義

構(gòu)件或者零部件在外力作用下，抵御破壞（斷裂）或者顯著變形的能力。強(qiáng)度是反映材料發(fā)生斷裂等破壞時(shí)的參數(shù)，強(qiáng)度一般有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等，就是當(dāng)應(yīng)力達(dá)到多少時(shí)材料發(fā)生破壞的量，強(qiáng)度單位一般是兆帕（MPa）。3.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)車身的主要失效形式是局部發(fā)生斷裂或塑性變形。對(duì)于由塑性材料組成的車身，因在外力作用下，車身處于三向復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，所以按第四強(qiáng)度理論計(jì)算車身應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為：

3.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論某車身各部件使用材料的屈服極限見(jiàn)圖3.13圖3.13某車身各部件使用材料的屈服極限3.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)

固體結(jié)構(gòu)件在循環(huán)力或交變力作用下工作時(shí)，盡管這種應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后發(fā)生突然斷裂，且無(wú)明顯的塑性變形斷的現(xiàn)象，稱為疲勞或疲勞破壞。這是由于固體內(nèi)部微觀組織中位錯(cuò)的存在，在外部交變載荷作用下，裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展直至固體發(fā)生破壞。圖3.14勺子折疊斷裂過(guò)程3.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論離合器軸在旋轉(zhuǎn)的交變載荷作用下工作一定長(zhǎng)時(shí)間后發(fā)生疲勞斷裂（見(jiàn)圖3.15）圖3.15離合器軸疲勞斷裂3.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論車輛在行駛一定歷程后，副車架在長(zhǎng)期的路面振動(dòng)下發(fā)生焊縫脫落（見(jiàn)圖3.16）圖3.16副車架焊縫脫落3.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論感謝聆聽(tīng)項(xiàng)目三結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度基本理論車身剛度設(shè)計(jì)的意義車身剛度對(duì)車身結(jié)構(gòu)功能可靠性的影響

車身剛度直接影響車身的承載功能。車身整體剛度低，將使車身的整體承載能力降低。車身的局部剛度低，將使車身局部變形增加，車身的局部安裝等功能喪失。車身剛度低，還直接影響的疲勞強(qiáng)度，使可靠性降低，局部的失效和整體的失效都將大大降低整體使用性能，使整體性能指標(biāo)降低。3.3.3汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義

車身洞口變形受車身剛度的影響最大。車身上的洞口主要有車門、車窗、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和行李艙等。車身洞口部分的變形大，會(huì)造成車門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和行他艙蓋開(kāi)關(guān)困難，對(duì)灰塵和和雨水的密封性不好等不良狀況，引起車身結(jié)構(gòu)功能可靠性的失效。因此，車身洞口部分的變形在各種工況下都不能超過(guò)限值。車身洞口變形試驗(yàn)見(jiàn)圖3.1。圖3.1車身洞口剛度試驗(yàn)3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義

連續(xù)的車身振動(dòng)會(huì)造成車身結(jié)構(gòu)逐漸減弱并導(dǎo)致耐久性的問(wèn)題。為了避免耐久性問(wèn)題，車身必須有足夠的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。圖3.2和圖3.3分別為車身彎曲剛度試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)現(xiàn)象。圖3.2車身彎曲剛度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖3.3車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義

由于當(dāng)受到不平路面激勵(lì)時(shí)，彎曲載荷引起的車身應(yīng)力幅比扭轉(zhuǎn)載荷引起的小，所以，車身的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)耐久性問(wèn)題更重要。例如，SUV越野承受的不平路面激勵(lì)較大（見(jiàn)圖3.4），因此要求SUV車身和底盤具有更高剛度來(lái)提高耐久可靠性（見(jiàn)圖3.5）。圖3.5SUV應(yīng)具有高剛度車身和扎實(shí)的底盤圖3.4SUV承受的不平路面激勵(lì)3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義車身剛度對(duì)車身結(jié)構(gòu)安全性的影響

車身剛度直接影響車身的結(jié)構(gòu)安全性。車身整體剛度不合理，使車身的碰撞安全性降低，車身的剛度分配應(yīng)該遵循一定的規(guī)則。

在轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，轎車車身結(jié)構(gòu)安全性對(duì)車身剛度的要求：(a)在碰撞中，轎車結(jié)構(gòu)以可控制的方式變形，吸收沖擊動(dòng)能，而使乘坐空間不被侵入。(b)在碰撞中，通過(guò)犧牲駕駛室以外的結(jié)構(gòu)來(lái)減小傳至乘員的減速度和力。(c)在碰撞中，內(nèi)部吸能裝置，如轉(zhuǎn)向柱和儀表板，在乘員的沖擊下變形，以減輕二次碰撞(未受約束的乘員對(duì)汽車內(nèi)部的碰撞)。

3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙是正碰的吸能區(qū)，因此，剛度應(yīng)按照碰撞的要求使其變形最大限度地吸收碰撞的變形能量，并使乘客所受到的沖擊小于安全法規(guī)規(guī)定的最大范圍。乘客艙的剛度應(yīng)盡量提高，從而能保證乘客的空間，使乘客在碰撞的過(guò)程中盡量免受沖擊，以達(dá)到保護(hù)乘員的作用。如圖3.6所示，可通過(guò)合理設(shè)計(jì)車身不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度來(lái)分散碰撞時(shí)的能量，從而改善安全性能。圖3.6車身正面撞擊沖力分散示意圖3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義車身剛度對(duì)NVH性能的影響

車身受到振動(dòng)激勵(lì)后會(huì)產(chǎn)生車身總體的彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)或各種振動(dòng)的復(fù)合形式，同時(shí)還會(huì)引起板件產(chǎn)生局部振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械性噪聲。當(dāng)激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率吻合或接近時(shí)，將發(fā)生共振，這種振動(dòng)造成車身內(nèi)部的低頻噪聲(隆隆聲)。此外，由于機(jī)械的撞擊、摩擦以及交變載荷的作用，車室內(nèi)裝備的運(yùn)動(dòng)部件，以及車身結(jié)構(gòu)的連接件都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和車內(nèi)噪聲。由于車身振動(dòng)而向車內(nèi)輻射的聲波，在遇到障礙物反射回來(lái)時(shí)，若恰好與原來(lái)的聲波同相，則這部分聲波被增強(qiáng)，且作為一種激勵(lì)加劇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，這種二次激勵(lì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)本身就是一個(gè)噪聲源，稱為車廂(空腔)共鳴。合理的車身剛度可以較好地改善由車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲。3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義

因此，車身剛度直接影響轎車的舒適性。車身的剛度是保證轎車行駛舒適性能的重要指標(biāo)，合理的車身剛度可以使的舒適性能得到很好保證。例如，車身頂蓋橫梁就是為了提高頂蓋的剛度，從而降低車內(nèi)噪聲（見(jiàn)圖3.7）。圖3.7車身頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)示意圖3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義車身剛度對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

燃油經(jīng)濟(jì)性的影響因素主要有使用和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的因素。

如果車身的剛度不合理，使車輛經(jīng)濟(jì)行駛使用環(huán)境難以保證，結(jié)果將使燃油經(jīng)濟(jì)性降低。另外還有結(jié)構(gòu)上的因素，車身剛度的合理分布，也將有助于車身整體的輕量化的要求，更輕的車身當(dāng)然有助于減少燃油的消耗。3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試驗(yàn)的意義車身強(qiáng)度設(shè)計(jì)的意義

車身強(qiáng)度是汽車車身在外力或內(nèi)應(yīng)力的作用下抵抗車身局部變形或疲勞失效的能力，即衡量零件本身承載能力的重要指標(biāo)，不僅與結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)的幾何形狀、外力的作用形式等有關(guān)，它是機(jī)械零件的基本要求。

根據(jù)承受外力的作用形式，它可分為靜態(tài)強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

駕駛過(guò)程中，車輛必須能夠承受各種載荷，不能出現(xiàn)塑性變形，以及裂紋現(xiàn)象。如果車身強(qiáng)度不足，會(huì)造成車身零件塑性變形、局部和整體斷裂損壞，使汽車壽命變短以及安全系數(shù)變差，因此車身都必須進(jìn)行校核，從而以滿足強(qiáng)度要求。3.3.3

汽車剛度強(qiáng)度試