汽车车身结构与设计(第一章)

汽车车身结构与设计北京理工大学机械与车辆学院林程教授王文伟副教授陈潇凯副教授2016课程目标和安排主要学习内容包括：车身开发流程和设计方法、车身总体设计、车身概念设计、车身结构力学性能分析计算、车身结构设计和车身部件结构与设计。学时32成绩评定：考试占80%，平时成绩占20%，按百分制给出最终成绩。教材及主要参考书目教材：林程,王文伟,陈潇凯.汽车车身结构与设计[M].北京:机械工业出版社,2013.参考书目黄天泽,黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京:机械工业出版社,1999.汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册:北京:人民交通出版社,2001.DonaldEMalen.FundamentalsofAutomobileBodyStructureDesign[M].Warrendale,Pennsylvania,USA:SAEInternational,2011.第一节引言第一章车身概论一、概述车身与发动机、底盘和电子电气设备一起构成汽车的四大总成车身已经成为车型的重要标志，其开发越来越受到重视车身设计理念和设计方法在不断改进。我国主要汽车企业的车身设计水平已经达到全面三维设计的程度三、车身技术特点车身很多方面(如设计方法、制造工艺等)与其他总成大相径庭,车身技术在一定程度上反映了一个国家的现代科技水平。车身技术特点车身技术涉及当代科技领域的多门学科,而且各学科之间高度交叉与融合车身设计流程与方法独特：产品+艺术品车身制造工艺复杂：技术密集，钣金件为主。冲压、焊装、涂装工艺，代表国家基础工业水平二、车身的功能车身是对汽车的形态和功能有很大影响的重要部件。车身的主要功能为乘员提供安全舒适的乘坐环境提供发动机及底盘等部件的装配汽车美观造型的体现四、车身设计要求及原则车身独特的使用性能要求和使用环境,决定了现代车身设计所必须满足的要求和需要达到的目标：车身结构强度必须能够承受在其整个使用寿命内可能达到的所有静力和动力载荷。车身布置必须提供舒适的室内空间、良好的操纵性和乘坐方便性以及对大自然影响的抵御能力。车身必须具有良好的对车外噪声的隔声能力。车身的外形和布置必须保证驾驶人和乘员有良好的视野。车身材料必须是轻质的,以使整车重量降低。车身外形必须具有低的空气阻力,以节省能源。车身结构和装置措施必须保证在汽车发生事故时对乘员提供保护。车身结构材料必须来源丰富、成本低,所选择的材料必须能够实现高效率的制造和装配。车身结构设计和选材必须保证车身在整个使用期间满足对冷、热和腐蚀的抵抗能力的要求。车身的材料必须具有再使用的性能。车身的制造成本应足够低。四、车身设计要求及原则轿车车身设计时必须遵循以下设计原则：车身外形设计的美学原则和最佳空气动力特性原则。车身内饰设计的人机工程学原则。车身结构设计的轻量化原则。车身设计的“通用化、系列化、标准化”原则。车身设计符合有关的法规和标准。车身开发设计的继承性原则。第二节车身结构基础知识第一章车身概论一、车身及名词术语车身包括白车身、外装件、内装件和电气附件1、白车身白车身：通常是指已经装焊好但尚未喷漆的白皮车身(BodyInWhite，BIW)，主要由车身本体、闭合件(Closure)及其他可拆卸结构件组成。经过涂装后的白车身称为涂装车身(BodyonPrimer)。车身本体：是车身结构件(又称车身骨架)与覆盖件焊接或铆接后不可拆卸的总成；闭合件：是车身上可启闭的各种舱门的结构件，包括车门、发动机盖、行李舱盖等。车身本体组成车身骨架：主要为保证车身的强度和刚度而构成的空间框架结构。车身覆盖件：指覆盖在车身骨架表面上的板制件。车身覆盖件覆盖在车身骨架上，使车身形成完整的封闭体以满足室内乘员乘坐要求，通过它来体现汽车的外形并增强汽车车身的强度和刚度。白车身及骨架客车骨架2、车身外装件车身外装件：是指车身外部起保护或装饰作用的一些部件，以及具有某种功能的车身外附件，主要包括前后保险杠、车外后视镜、散热器罩、进气格栅、天窗及其附件、车身外部装饰条、密封条、车门附件及空气动力附件等。3、车身内装件车身内装件：是指车内对人体起保护作用的或起装饰作用的部件，以及具有某种功能的车内附件，主要包括仪表板、座椅及安全带、安全气囊、遮阳板、车内后视镜、汽车内饰等。4、车身电气附件车身电气附件：车身电气附件是指除用于发动机和底盘以外的所有电气及电子装置,如各种仪表及开关，前照灯、尾灯、指示灯、雾灯、照明灯等二、车身承载类型车身(如有车架则包括车架)与汽车的车轮、悬架系统构成汽车的行驶系统，是汽车行驶时的主要承载部件，承担着全部载荷,包括由发动机、传动系统及悬架系统传来的载荷及各种路面工况下的作用力和力矩。因此，也将车身和车架称为承载系统。按承载形式的不同，可将车身分为非承载式和承载式两大类。1、非承载式车身都装有单独的车架，此时车身通过多个悬置（橡胶垫）安装在车架上，当汽车在崎岖不平的路面上行驶时，车架产生的变形由橡胶垫的挠性所吸收,载荷主要由车架来承担,因此这种车身结构是不承载的。车架车架是跨装在汽车前、后轴上的桥梁式结构,其结构形式可分为框式、脊梁式和综合式三大类。框式又可以分为边梁式和周边式。车架桁架式车架2、承载式车身承载式轿车车身是将车架的作用融入车身的结构，因此又称整体式车身结构，它承担承载系统的全部功能。由于取消了车架，发动机和行驶系统的支点都在车身上。为了防止振动直接传入车身，经常是将发动机和行驶系统通过副车架(或辅助横梁)与车身底架连接。采用副车架可以将动力总成和悬架等与副车架形成一个组装部件，这种模块化结构给生产和使用都带来方便。当采用副车架时，由于副车架能够分担一些载荷，使前纵梁变形减小，因此也有人称带有副车架的车身为半承载式车身。轿车车身与车架非承载式车身结构的优缺点非承载式车身结构的优点在于：除了轮胎与悬架系统对整车具有缓冲吸振作用外，车身与车架间的悬置还可以起到辅助缓冲、适当吸收车架的扭转变形和降低噪声的作用,既延长了车身的使用寿命,又提高了乘坐舒适性。底盘和车身可以分开装配，然后总装在一起，既可简化装配工艺，又便于组织专业化协作。车架作为整车的基础，便于汽车上各总成和部件的安装，同时也易于更改车型和改装成其他用途的车辆。发生撞车事故时,车架还可以对车身起到一定的保护作用。非承载式车身结构的缺点有：由于设计计算时不考虑车身承载，故必须保证车架有足够的强度和刚度,从而导致整车自重增加。由于底盘和车身之间装有车架，使整车高度增大。车架是汽车上最大且质量最重的零件承载式轿车车身优缺点由于承载式车身是空间框架结构，可以充分利用车身承担载荷，因此具有整体刚度大、重量轻和整车高度低等优点，而且生产效率高，是现代轿车中常见的结构。但是承载式车身也有一些缺点：因为取消了车架，来自传动系统和悬架的振动和噪声将直接传给车身，而车厢本身又是易于形成空腔共鸣的共振箱，所以会大大恶化乘坐舒适性。改型较困难。2、承载式客车车身承载式客车车身根据客车车身承载程度的不同,又可以将承载式客车车身分为半承载式和全承载式两种。半承载式是指客车车身与车架刚性相连，车身部分承载的结构形式。非承载和半承载式车身都属于有车架车身结构。全承载式客车车身骨架及底架是由异形管制成的格栅式结构，没有单独的纵梁式车架，局部格栅上可有覆板。车身采用封闭环结构，使整个车身都可参与承载。由于没有车架，故可降低地板和整车高度。半承载式车身基础承载式车身整体承载式车身全承载式客车车身全承载式客车车身具有众多优点,如：车身质量减轻,结构强度与刚度提高；简化了构件成形过程，提高了材料利用率；整车重心降低，高速行驶时稳定性好；加工不需要大型冲压设备，便于产品改型，易实现多品种、系列化生产。被动安全性好，全承载式车身能够在汽车翻滚及相撞等恶劣情况下保证乘客的安全空间。三、轿车白车身构造轿车的白车身一般由大量的车身冲压零件焊接而成，主要由前车身、地板、侧围、顶盖及后部车身等部分组成。1、前车身前车身的结构因前置发动机和后置发动机不同而大不一样。前车身结构也因前置前驱、前置后驱的不同及悬架、转向、发动机支撑方法的不同而不一样。(1)前围上盖板前围上盖板上通常要设置支撑转向柱的支架，确保管状结构的转向柱支撑梁及车身有足够的刚度。前围上盖板还具有阻止高速行驶时轮胎作用力和停车时发动机怠速振动作用力给转向装置带来振动的功能。(2)前围板前围板是隔开发动机舱和客舱的部件，安装有踏板类部件及空调，布置有线束、配管、转向柱等的贯通孔同时还具有防止发动机及轮胎噪声进入客舱内的作用。有的车身前围板采用钢板中间夹防振材料的夹层式结构。前围板还是控制碰撞造成客舱变形时，向地板纵梁转移由前纵梁传来的作用力的重要部件。为连接左右的前纵梁，还设置了前横梁，以确保刚度。目前这些构件均呈厚板化及采用高强度钢板来制造的趋势。(3)前悬架支撑前悬架支撑通常带有减振器的安装结构，与前纵梁共同承担来自悬架的作用力及碰撞时的冲击力。(5)发动机盖发动机盖通常由造型面的外板及增加强度、刚度的内板构成。发动机盖的性能要求：刚度。要达到不使发动机盖出坑,不影响其品质感。耐压性。用力压发动机盖后不至于产生塑性变形。整体弯曲和扭转刚度。碰撞时产生适当的塑性变形,但发动机盖后端不应插入前风窗。从保护行人的角度出发，发动机盖还要求具有吸收碰撞时冲击能量的性能。近年来随着轻量化要求的提高,铝合金材料的应用不断扩大(4)前纵梁前纵梁是构成前车身最重要的骨架部件,发动机、变速器、悬架装置及辅助部件均安装在前纵梁上，同时它还是吸收碰撞时的冲击能量,确保车身刚度的主要骨架部件。在低速碰撞时，为保证车身不产生变形,前纵梁需要具有较高的刚度；而在高速碰撞时，通过前纵梁的纵向弯曲变形，高效率地吸收碰撞冲击能量。(6)前翼子板要求前翼子板具有一定的刚度和耐压性。前翼子板和发动机盖不一样的是，在该部位无法采用加强结构，一般将外板的加强衬附在里面或加厚钢板厚度。为屏蔽发动机及轮胎的噪声，有时会采用消声材料或附加降噪材料。从保护行人的角度出发，要求前翼子板具有吸收碰撞冲击能量的性能。随着轻量化要求的提高，铝合金材料应用不断扩大；同时造型自由度及碰撞时复原性较好的塑料材料应用也在增加。2、地板车身地板是车身的支承部分。地板的主要功能：确保承受悬架及驱动系统作用力的强度、刚度及改善NVH(噪声、振动、平稳)；防止车辆外部的水、尘土、热、噪声及异味进入，创造舒适的乘坐空间；撞车时可以保护乘员和燃料系统免受外力冲击，确保乘员生存空间；应确保客舱的居住性、乘降性、货厢的宽度、轻微撞车后容易修复、隔绝排气系统的热量，以及具有使用千斤顶、牵引车及车辆运输中的固定作业的方便性。承载式车身地板结构轿车车身地板结构主要由地板、地板梁、支架、地板通道、门槛、连接板、座椅支架等构件组成非承载式车身的下车身对于非承载式车身，一般为增加有效空间而加大车架的宽度,其中以地板为下凹式框架为主，结构简单。1—前地板2—门槛梁3—中地板4—后地板5—后地板边梁承载式车身底部结构通常将地板梁结构和车身前纵梁、前横梁作为一个整体结构进行设计。车身底部前纵梁和后纵梁与地板结构的连接，一般采用交叉型梁设计原理，对将碰撞时的力流分成许多分支传递有利。3、车身侧围及顶盖车身侧围是决定车身整体弯曲刚度的重要部件。可以采用各部件单独冲压而成，也有采用外板采用整体冲压而成。1—A柱2—前铰链柱3—上边梁4—B柱5—后翼子板6—C柱内板7—门槛梁8—后轮罩9—顶盖10—前顶盖横梁11—后顶盖横梁12—顶盖横梁车身侧围及顶盖各部的截面图a—前顶盖横梁b—A柱c—B柱d—C柱e—上边梁f—门槛梁4、后部车身后部车身是客舱后部的车身结构，一般指行李舱部位，其形式可以根据三厢车和两厢车大致分为两种结构。四、客车车身构造客车车身的主要结构件包括底架(车架)、骨架和蒙皮。底架与车架：非承载式客车车