汽车车身结构分析与设计

第六章车身结构分析与设计§1.车身结构分析与设计§2.车体的耐腐蚀性§3.车身的抗振与降噪§4.汽车的碰撞安全性设计§5.汽车车身轻量化设计概述车身车身覆盖件（coverpanel）：覆盖在车身骨架表面的板制件。外覆盖件、内覆盖件车身结构件（bodystructural;bodyskeleton;bodyframe）：组成车身本体，支撑覆盖件，并保证车身强度和刚度的零部件。承载。•车体——有书中称“车身的主体”也就是我们这里的车身结构件2重庆大学车辆工程系车身结构设计的主要内容•设计一个连续、完整的受力系统；确定杆件截面型式（开、闭口）•确定杆件截面的构成•确定杆件与杆件、杆件与覆盖件的过渡、连接的结构•划分分总成、分块•应力分析计算•主图板设计、零件图3重庆大学车辆工程系§1.车身结构分析设计一、车身结构件的机构分析与设计车身骨架（bodyskeleton）：主要为保证车身的强度和刚度而构成的空间框架结构。•要求：–刚度：变形、振动、噪声刚度不足，将会引起车门的门框、窗框、发动机舱口及行李箱口等的变形，导致玻璃破裂，车门卡死；低刚度必然伴随有低的固有频率，易发生结构共振和声响，并削弱结构接头的连接强度；此外，还会影响安装在底架上的总成的相对位置。–强度：裂纹、疲劳断裂4重庆大学车辆工程系1、杆件的设置•分为三类1）功能所要求设置的：如门柱、窗柱、门槛、门框上下横梁、风窗框上下横梁等。2）加强用的：如大客车顶盖上的纵梁和底架周边的搁梁，在后悬架处底架上设置的加强横梁等。为了满足安全法规，防止正面碰撞和侧面碰撞而设置的加强件。3）为安装附件而设置的非承载件，如顶盖上为安装顶窗而设置的框架等。•1）、2）类是车身的主要承载件，应有足够的刚度和强度，并构成一个连续完整的受力系统。薄壳式车身结构虽无完整的骨架，但壳体与各构件组装后，也应是一个完整的受力框架。5重庆大学车辆工程系轿车骨架•车厢（封闭的主体）•发动机舱（敞开的前部）•行李箱纵向受力元件：前纵梁及斜撑、地板边梁（门槛）、传动轴通道、顶盖及边梁横向受力元件：前围板、前斜地板、座椅支撑梁（地板横梁）、后壁、后横梁或后围板、顶盖车身前部承受发动机等的重力和悬架支承反力（集中力）车厢承受乘客、车门、自重、悬架支承反力。（分散力）6重庆大学车辆工程系•车身骨架设计除考虑刚度与强度，还应注意–不能破坏造型设计–骨架里板应考虑内护板紧固–用最佳截面形状获得最大的截面系数–满足相邻部件的性能要求7重庆大学车辆工程系2、杆件截面形状与刚度的关系•影响刚度的截面几何特性：弯曲惯性矩、扭转惯性矩（极惯性矩）22（F是材料面积）Ik=∫edFIy=∫zdFFF表1截面特性比较截面尺寸/cmA材料断面积相等时，表中尺寸的：［的弯曲刚度最好，扭转刚度最差○的弯曲刚度最差，扭转刚度最好为提高车身刚度，宜多采用闭口断面。重庆大学车辆工程系截面形状JkIyWyWkh=12.8b=4.8t=0.410.0044110.0043h=6.4b=4.8t=0.410.590.690.7330.768h=7.13t=0.4110.6910.656189重庆大学车辆工程系车身骨架典型截面a）顶盖侧梁b）中立柱c）前风窗立柱d）后风窗立柱e）门槛10重庆大学车辆工程系承载式车身骨架示例11重庆大学车辆工程系3、骨架结构中的应力集中•杆件的截面形状、尺寸突变时，会由于刚度突变而产生应力集中。•避免应力集中的措施–避免截面急剧变化避免截面急剧变化12重庆大学车辆工程系3、骨架结构中的应力集中•避免应力集中的措施–加强板的厚度与被加强板的厚度不宜相差悬殊。（如门铰、固定处）–孔洞应开在应力较小部位–纵、横杆件的连接13重庆大学车辆工程系14重庆大学车辆工程系二、汽车覆盖件结构与分析•车身的大型板壳零件可分为三类：1）、外覆盖件：如车身顶盖，发动机罩外板、门外板、翼子板等。对这些零件的要求是：表面光滑，棱角线条清晰，与相邻部件棱线吻合，完全符合造型要求，而且要有一定的刚度。2）、内覆盖件：如前围内板（发动机挡板）、地板、门内板等，即在车身外面看不见的内部大零件。这些零件的刚度要足够，零件上的装配尺寸要准确。3）、骨架零件：它们在车身上起支撑作用，如支柱、门窗框以及各种纵、横梁等。15重庆大学车辆工程系1、板壳的合理分块•分块应考虑：冲压、装配、工艺设备、产量、成本等因素驾驶室分块16重庆大学车辆工程系•考虑如下几个方面–（1）板料的尺寸规格–（2）考虑拉延工艺：拉延深度适当、形状简单、圆角、胀形深度–（3）装配精度–（4）易损件、做成可拆卸–（5）产量、成本、设备17重庆大学车辆工程系2、板壳的构造、过渡、连接•确定板壳的一个面与另一个面的过渡变化。如图由A—A的风窗框翻边至C—C的风窗框翻边、由C—C的门框翻边至B—B的门框翻边。壳体草图18重庆大学车辆工程系3、提高零件的刚度•刚度差，则产生振动、噪声；易疲劳损坏；生产、搬运不便•措施：–①采用曲面，加棱线，使拉延变形大–②内覆盖件设加强筋（图8-8）–3）大客车承载式车身上的板壳零件——蒙皮，可分为两种:应力蒙皮、预应力蒙皮加强肋的布置的肋的形状a)好b)不好c)肋的形状19重庆大学车辆工程系•设计加强肋应注意如下几点：–①在平的或稍鼓起的零件上，加强肋应沿着零件的对角线布置，最好不用交叉肋。如果采用交叉肋，则应避免交叉处因应力集中而丧失刚性，为此，在交叉处用半径大于2倍肋宽度的圆弧来过渡。–②为减轻弯曲零件的回弹，可以在弯曲部位局部压出三角肋；对弯曲半径很大的零件，应垂直与零件的弯曲轴线方向布置条形肋。–③加强肋的轴线宜直，否则在运动时会引起扭转。–④加强肋应沿支撑之间的最短距离布置。–⑤肋的刚性主要取决于它的深度，但为防止破裂，深度不宜过大，原则上应满足板料拉延成型所允许的条件（见下节）。20重庆大学车辆工程系三、车身的结构工艺性•结构工艺性指的是所设计的产品既要满足使用要求，又要能够在一定的生产条件和规模下，使加工方法最简单、最经济。•汽车的造型会影响车身结构的工艺性21重庆大学车辆工程系1、冲压工艺性•图8-14（P170）、弯边高度不宜短•图8-15、翻边高度过宽会引起起皱或拉裂•图8-16b)孔的翻边高度不宜过高，a)包边。转角处属压缩类翻边，切除零件压弯工艺要求曲面翻边车门外板翻边和孔的翻边重庆大学车辆工程系221、冲压工艺性•图8-17、鼓包、筋条、翻边的冲压方向尽量一致，以便一次冲出•图8-21、顶盖3，a)内翻b)外翻外翻可在切边时翻边，而内翻还需较复杂的斜楔翻边模。图8-17驾驶室地板图8-21流水槽与顶盖的连接1-内边槽2-外边槽3-顶盖4-流水槽23重庆大学车辆工程系2、装配工艺性•车身结构设计对焊接装配工艺性的影响主要是两方面：–1）车身结构的划分。–2）焊接接头型式的设计。•图8-18a）需侧窗柱与顶盖横梁对应一致，b）则不要求重庆大学车辆工程系图8-18客车车身结构划分与组装方式的改变1-前围上部2-顶盖3-后围下部4-前围下部5-侧围6-前围7-后围242、装配工艺性••••••图8-20、车身焊接的主要型式图8-21、a）焊枪焊极难以接近，改为b）图8-22、考虑焊接定位的结构。P173例4）5）尽可能少用三层叠焊（强度不易保证）大型件焊点布置应对称（防产生不规则变形和应力集中）图8-20点焊连接型式a)搭接b)翻边连接图8-22焊件定位图8-21流水槽与顶盖的连接1-内边槽2-外边槽3-顶盖4-流水槽重庆大学车辆工程系253、车体的其它连接方法•拉铆、粘接•二氧化碳保护焊多用于骨架构件的连接。蒙皮与骨架的连接则多用点焊和铆接，为了改善车身外观，用装饰条将板的接缝压住。而铆接的方法则常用空心铆钉进行单枪拉铆，见图8-23，这种铆接方法可以将蒙皮铆于闭口的骨架型材上；铆接品质好，效率高。•为实现侧壁外蒙皮的光滑美观和无铆钉化，可以采用预应力蒙皮。但为达到轻量化的目的，应加强大客车上焊接及粘接技术的研究。如德国Neoplan大客车采用粘接蒙皮工艺，蒙皮为铝板或玻璃钢，用特制的高强度粘接剂粘在骨架上，密封性好，振动噪声也小。•在汽车生产中使用粘接剂与点焊相比有很多优点；没有焊痕，外观平整，不产生焊接形；粘接面的应力比点焊均匀；不能焊接的部位可用粘接方法代替；不同材料可用粘接法；此外还可起加强、密封和防锈作用。缺点是：易污染；需要固化时间，因而影响工艺流程；对气候适应性差等。26重庆大学车辆工程系4、产品的设计精度和制造精度•为获得大量生产时零部件的互换性和满足对产品的要求，设计应该对制造精度提出要求，即根据使用要求和生产条件，制定公差和技术条件。•设计覆盖件时，其轮廓尺寸是在主图板上精确确定的。零件图标注尺寸时要准确反映主图板上的图形，其偏差应控制在0.25mm之内。•覆盖零件的最后形状决定于冲模。冲模是根据主模型加工出来的，而主模型又是按图纸尺寸和样板制作的。因此，必须控制这一系列“移形”过程的积累误差，否则将给合件或总成的装配带来困难。•车体各部分，如门框、窗框等的装配尺寸精度是由装配夹具来保证的，只有严格控制装配夹具的精度，才能保证车体总装后的尺寸精度。•设计时应对车体总装后的尺寸精度提出要求，如门与门框的配合间隙，车身表面零件接缝处的高低不平度等。但是过于精确的规定将给制造装配工艺带来很大困难，所以零件设计公差、装配调整公差合技术条件制定得应该合理。27重庆大学车辆工程系28重庆大学车辆工程系29重庆大学车辆工程系§2车身的耐腐蚀性汽车经常处于容易使钢板锈蚀的环境中，如雨水的浸蚀、工业区的大气污染以及沿海地区氯化钠的侵蚀等，影响汽车的使用寿命。近代为了减轻车身质量，用于车身结构的钢板有日益减薄的倾向，加之车身形状和结构复杂，焊接接头多，易受腐蚀的部位也随之增加，所以必须很重视防止车身锈蚀的问题。•三种途径：–改进车身结构–采用各种保护膜–采用防腐材料30重庆大学车辆工程系一、结构方面1、不积泥、水。①设排水孔，②不积水泥，③易干燥（通风）图8-25不积水的结构图8-26车门下部的排水口重庆大学车辆工程系图8-27操纵板式通风装置3132重庆大学车辆工程系33重庆大学车辆工程系一、结构方面2、易锈蚀部位的防腐措施①焊点贴合部（和铆接处）：涂不到漆、又不通风②板切割边：毛刺破坏漆膜，振动亦破坏漆膜。措施：加密封胶，以防水进入缝隙。并防止振动破坏漆膜；还可隔离开两种金属，以免电化学腐蚀。③两种金属接合处、电化学腐蚀两种金属之间的接合，特别易发生电化学腐蚀，应尽量避免。当必须采用时，应在两层之间采用塑料隔层。④石击部位。措施：防石击胶汽车行驶过程中，车身底部容易受到石头撞击，应该贴防石击胶。⑤相邻板件的摩擦。措施：橡胶条使用密封胶的部位示意图34重庆大学车辆工程系二、保护膜方面①“油漆”②磷化③镀锌钢板④密封胶（与隔离隔热结合）⑤涂（层）料⑥隔层（两板间）采用水溶性油漆的浸渍涂漆35重庆大学车辆工程系三、采用防腐材料•冷轧钢板防腐处理：镀锌、镀合金、涂防腐材料•塑料制件，作为易蚀部位的保护罩：挡泥板、门框罩•铝合金：铝合金车架最大优点是轻（相同刚度的情况下）。但是成本高，不宜大量生产，而且铝合金本身的特性决定了其承载能力受限制，暂时只有少数车厂运用在小型的量产跑车上，如莲花ELISE和雷诺SPIDER。•碳纤维：碳纤维车架的刚度极高，重量比其它任何车架都要轻，重心也可以造得很低。但是制造成本是它的致命伤，因此目前都只用于不计成本的赛车和极少数量产车上。•铝合金和碳纤维还有一个缺点是维修成本高，没有钢板等制成的车身那么容易维修。这也是制约其推广的一个主要原因。36重庆大学车辆工程系§3车身的抗振与降噪设计一、车身的振动1.车身振动概述•防止共振•共振不仅使乘员感到很不舒适，而且带来噪声和部件的疲劳损坏；还会破坏车身表面的防护层和车身的密封性，从而削弱抗腐蚀性能。•车身振动频率大致在20~50Hz。汽车在轮胎上的振动频率及发动机在其悬置上的振动频率等，与车身低阶频率很接近，因此应注意提高车身的刚度。37重庆大学车辆工程系一、车身的