轻型客车车架冲击试验方法探讨与应用

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摘要：本文参考模拟计算和实际试验结果，针对具有车身车架结构的轻型客车，设计了车架冲击试验的方法。车架冲击试验是一种简单有效的验证性试验，可以在汽车正面碰撞安全性结构改进过程中代替整车正面碰撞试验，快速准确直接地检验车架改进方案的实际效果，是可以加快改进速度，节约成本的高效方法。
关键词：车架冲击试验 车架

Discussion and Appliance of Frame Impact Test Method
Wang Dazhi, Kong Fanzhong, Huang Shilin, Zhang Jinhuan
State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] Basing on the results of simulations and tests, this paper designs a new method of frame impact test for some minibuses with frame-body structure. Frame impact test is a simple and efficient method to validate the actual effect of improvement design on frame structures, so that it can be used to replace the real vehicle impact test to validate the new design improvement measure more rapidly, correctly and directly in the course of vehicle structure improvement. It is an effective method to expedite the process of safety improvement at low cost.
Key words: frame impact test frame

1 引言

众所周知，对汽车的正面碰撞安全性的改进，虽然模拟计算起到越来越重要的作用，但试验的方法是必不可少的。由于整车正面碰撞试验的巨大消耗，它不可能经常性地用于检验改进工作的阶段性效果。而对于具有车身车架结构的轻型客车来说，车架在汽车正面碰撞中起主导作用，改进车架前端结构可以提高整车的正面碰撞安全性。本文在分析了车架结构与整车碰撞性能关系的基础上，设计了车架冲击试验方法用以代替在汽车结构改进过程中的整车正面碰撞试验。通过车架的结构改进设计并采用车架冲击试验方法，以较低的代价阶段性地验证支持了设计改进方案，加速整车结构改进的进程，为改进车通过正面安全法规奠定基础。

2 车架冲击试验方法研究

车架冲击试验是一种新的试验方式，适用于车身车架结构汽车的碰撞安全结构改进。具体来说，车架冲击试验方法是将车架总成固定在台车上，使台车按照整车能量的折算速度冲击固定障碍壁，测量车架的变形量和加速度进行分析。这种试验方法费用较低，而且可以在短时间内进行多次试验，取得大量的试验数据，不仅可以验证数值计算结果的有效性，还可以预测判断整车正面碰撞的效果。车架冲击试验实际情况如图1 所示。

图1 车架总成冲击试验情况和试验结果

车架冲击试验作为整车正面碰撞试验的代替试验，衡量整车结构耐撞性改进效果，与整车的正面碰撞结构耐撞性存在一定的联系。一般情况下，车架冲击试验的台车速度按照整车能量60％的标准折算，车架冲击试验的结果与整车正面碰撞试验结果就能够吻合较好。这个速对慧算标准可以通过计算机模拟和试验两种方法得到证明。

首先从模拟计算的角度来验证该标准比较简单，对几种不同的具有车身车架结构形式的整车的模拟计算结果表明，车架在碰撞中吸收能量都超过整车碰撞能量的60％[2][3]。下面主要从试验角度来验证60％的这一标准。这里采用的是假设验证的方法。先假设标准成立，在此基础上进行车架冲击试验，通过试验结果反过来检验该标准是否确实成立。通过车架冲击试验和整车正面碰撞试验的试验加速度和变形量的对比，建立起车架冲击与整车正面碰撞之间的联系，使车架冲击试验可以用于预测整车正面碰撞效果。

2.1 试验加速度分析

对比两种不同的轻型客车的车架冲击试验与整车正面碰撞试验的加速度曲线，如图2 所示。加速度测点都位于车架上对应于B 柱下方的位置。

图2 两种轻型客车车架冲击试验与整车试验加速度对比

由图2 加速度对比可知，车架冲击试验加速度曲线与整车碰撞加速度曲线在波形上走向大体趋势是一致的，但存在一定的差异，这是试验方法和试验条件造成的，原因分析如下：

首先，刚性的车架结构直接撞击刚体墙，当碰撞开始后车架前端结构将发生塑性硬化现象，这样直接导致了车架冲击试验的第一峰值较高。

其次，车架冲击试验是将车架固定在台车上冲击障碍壁的试验方法，使用同一台车对不同改进车架总成进行多次的试验，车架总成与台车间的连接是活动的，因此车架总成与台车之间的连接必然存在间隙，碰撞后车架与滑车间要消除各部位的连接间隙，使得试验加速度曲线波动性较大。

第三，整车正面碰撞时，车架作为汽车底盘件的承载结构刚度较大，而位于整车前部零件比如保险杠等相对刚度较小，在汽车发生碰撞时能够起到一定的缓冲作用，使得整车碰撞加速度曲线相对于车架曲线比较平缓，波形各个峰值较低。相应的车架冲击试验各峰值较高。

另外，由于实际车架制作质量控制不完全一致，也是使车架冲击试验结果加速度曲线有比较明显的波动的原因。

2.2 车架前端变形量对比

表1 列举了几种轻型客车的车架冲击试验和整车正面碰撞试验车架变形量数据。其中前两种车型就是图2 加速度的车型：

表1 几种轻型客车车架冲击试验与整车正面碰撞试验车架变形量对比（mm）

车架结构的变形量可以作为衡量能量吸收量的一个标准，试验结果对比说明在类似车身车架结构的轻型客车发生正面碰撞时，其车架结构是主要吸能变形部分，车架总成的能量吸收量占总碰撞能量的60％左右。

通过以上车架冲击试验与整车正面碰撞试验加速度曲线和变形量的对比，证明了对于非承载式车身结构的轻型客车，车架可以在很大程度上表征整车碰撞性能，对车架的改进能够大大提高整车的正面碰撞性能。因此在整车的改进过程中可以用车架冲击试验代替整车正面碰撞试验，阶段性地检验改进措施的效果。并且，在一般情况下，对这种轻型客车进行车架冲击试验时，按照60％能量吸收标准折算台车的碰撞速度是有效可行的。

3 车架冲击试验的实际应用

采用车架冲击试验方法实际验证计算机模拟车架改进方案的实际碰撞效果，并预测整车正面碰撞性能。首先对改进前车架做冲击试验，以检验车架冲击试验与模拟计算结果的一致性，并且作为衡量改进措施实施效果的基准。试验结果加速度曲线与模拟计算加速度曲线对比如图3 所示。

图3 改进前车架冲击试验与计算加速度对比

从试验变形量看，试验车架前端纵向变形量150mm，模拟计算车架前端纵向总变形量155mm，试验值与计算值基本吻合。车架冲击试验很好地再现了模拟计算车架变形方式，说明模拟计算模型是准确有效的。从加速度波形上看，车架冲击试验加速度波形与模拟计算加速度波形也比较接近。加速度波形有一定的差异，原因是如上一节分析，车架冲击试验有许多不确定因素，试验加速度波形与模拟计算加速度波形不可能吻合得非常好，但波形的基本形状是一致的。以改进前车架的冲击试验结果作为基础衡量车架改进方案的效果。在此基础上，对应用了改进方案的两种车架进行冲击试验，两种车架B 立柱位置的加速度曲线与模拟计算曲线对比如图4 所示。

图4 两种改进方案车架冲击试验与模拟计算曲线对比

对比结果试验与模拟加速度曲线吻合较好，车架冲击试验实际验证了模拟计算模型的准确性。对比改进前后车架冲击试验结果，车架结构的改进降低车身加速度30.8％，由此推测在整车上的应用改进方案后，车身加速度将相应降低30％左右。通过试验测得改进前后整车正面碰撞车身加速度峰值降低35％，与车架冲击试验结果接近。事实证明，车架冲击试验验证了改进方案的实际可行性和有效性。

4 结论

车架冲击试验是承载式车身汽车正面碰撞安全性改进过程中的简单试验方法，它操作相对整车试验简单，可以在短时间内多次试验，以较低的资金和时间代价，快速准确直接地检验了车架改进方案的实际效果，是一种可以加快改进速度，节约成本的高效方法。

根据模拟计算和试验两方面的对比分析，一般情况下对于具有类似车身车架结构的轻型客车，车架能够在很大程度上表征整车正面碰撞性能，可以在汽车结构改进过程中代替整车正面碰撞试验，阶段性地检验车架改进方案的实际效果。在设置车架冲击试验条件时，以车架吸收汽车总碰撞能量的60％来折算车架冲击试验的台车速度的试验标准是可行的。
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