汽车连接头刚度及其影响因素

1.连接头

连接头是指车身中两个以上的承载构件相互连接的接合部位。车身上有很多连接头，它们将梁和梁或梁和立柱连在一起，形成了车身框架。图2-26佩示了轿车的A柱、B柱和C柱部位的连接头。可以近似认为车身是对称结构，这样就只需研究车身一侧的连接头。轿车（子厢车）车身一侧有7个主要的连接头，下面分别给出定义。

图2-26 轿车车身A柱、B柱和C柱处的连接头

A1连接头：A柱与地板纵梁、地板前横梁、前轮毂包的连接部位。

A2连接头：A柱与风窗前罩板、发动机舱上边梁的连接部位。

A3连接头：A柱与顶棚纵梁、顶棚前横梁和顶棚钣金件的连接部位。

B1连接头：B柱与地板纵梁、地板中间横梁、地板钣金件的连接部位。

B2连接头：B柱与顶棚纵梁、顶棚中间横梁和顶棚钣金件的连接部位。

C1连接头：C柱与地板纵梁、地板后横梁和地板钣金件的连接部位。

C2连接头：C柱与顶棚纵梁、顶棚后横梁和顶棚钣金件的连接部位。

对于SUV来说，除了三厢车的7个连接点外，还有两个连接点，如图2-27所示：

D1连接头：D柱与地板纵梁、地板后横梁的连接部位。

D2连接头：D柱与顶棚纵梁、顶棚后横梁和顶棚钣金的连接部位。

图2-27 SUV车身A柱、B柱、C柱和D柱的连接头

2.连接头的刚度分析

一个系统由几个刚度非常大的梁和一个连接头组成，那么这个系统的刚度不仅仅取决于梁的刚度，而且还取决于连接头的刚度。假设一个系统由两根梁和一个连接头组成，如图2-28所示，梁的刚度分别是k₁和k₂，连接头的刚度为k₃，则这个系统可以看成是一个串联系统，其刚度为

只有当梁的刚度和连接头的刚度都足够大，才能保证这个系统的刚度大。

图2-28 两根梁和一个连接头组成的系统(www.xing528.com)

连接头的刚度是决定车身整体刚度最重要的因素之一。如果连接头的刚度不足，会带来很多问题，如异响、NVH问题、可靠性问题等：第一，连接头连接不当会使局部刚度大大降低，连接头处的几个部件之间很容易产生变形，从而使车门框架对角线的变形增大；第二，门框的大变形会使车身与车门之间产生异响，并影响车门和车身之间的密封；第三，连接头刚度低使车身的整体刚度降低，从而降低了车身的弯曲模态和扭转模态频率，整车很容易出现轰鸣声和共振；第四，连接头连接不当还会使局部应力集中加大，从而使车身出现裂纹，甚至疲劳断裂。

连接头的刚度很大程度上取决于连接处几个连接件的截面形状和支撑情况。如果梁的截面改变了，那么连接头的刚度会改变。连接头的刚度可以看成是几个连接件截面参数的函数。例如，图2-26中的B2连接头由B柱、顶棚前纵梁、顶棚中间横梁和顶棚后纵梁这四根梁组成。这些梁的参数如下：

B柱：I_x1，I_y1，J₁，A₁

顶棚前纵梁：I_x2，I_y2，J₂，A₂

顶棚中间梁：I_x3，I_y3，J₃，A₃

顶棚后纵梁：I_x4，I_y4，J₄，A₄

连接头部件：I_x5，I_y5，J₅，A₅

连接头最重要的刚度是前后方向的弯曲刚度（K_xx）、内外方向的弯曲刚度（K_yy）和扭转刚度（K_zz）。于是，B2连接头的刚度就是上述梁截面参数的函数，即

连接头的刚度很难通过测试得到，也很难通过理论分析得到精确值，通常用CAE计算得到，如有限元方法。使用有限元方法分析连接头刚度时，以连接头为中心，在X、Y和Z三个方向分别截取一定长度（如100mm或180mm）的部分作为分析对象，如图2-29所示为B2连接头截取区域。固定相对坚固部分，在最弱的梁截面上分别施加三个方向的弯矩，便得到前后方向的弯曲刚度、内外方向的弯曲刚度和扭转刚度。

图2-29 连接头刚度分析的截取部分

3.连接头刚度的控制方法

连接头刚度的控制方法主要有两种：一是从设计上来提升刚度；二是通过在连接头处增加附加材料来提升刚度。

从连接头的设计来提升刚度是最主要的方法。图2-30为一个B2连接头的解剖图，连接头由车身顶棚、顶棚横梁、侧围内板、侧围内加强板、内部安装孔加强板、B柱内板、B柱内加强板和车身侧围组成。这些部件的刚度对连接头的刚度影响非常大。在车身板、梁和立柱已经定型的情况下，内板和加强板的设计非常重要。另外，这些部件的弯曲半径、上面的孔、焊点的位置和间距等也会影响连接头的刚度。

图2-30 连接头的解剖图

提升连接头刚度的第二种方法是在连接头处增加结构泡沫，如图2-31所示。

图2-31 连接头处的结构泡沫

前面已经讲到连接头刚度对整体车身刚度的贡献非常大。对敞篷车，连接头的刚度就更加重要。由于没有顶棚结构，敞篷车的扭转刚度大大下降。为了弥补扭转刚度的下降，需要使地板上连接头（如门槛梁连接头）的刚度比一般轿车大。