汽車車身設(shè)計(jì) Automotive Body Design Dept. of Automotive Engineering Jiangsu University 主要內(nèi)容 1. 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 車身骨架設(shè)計(jì) 3. 板殼零件 4. 結(jié)構(gòu)工藝性 5. 耐腐蝕性 6. 彈性振動(dòng)與隔震 7. 噪聲控制 第 8章 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8.1 什么是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)？ 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前已完成工作 汽車總體設(shè)計(jì) 車身總布置設(shè)計(jì) 車身外形和內(nèi)飾設(shè)計(jì) 完成構(gòu)成車身的結(jié)構(gòu)件的形狀、尺寸以及結(jié)構(gòu) 件之間聯(lián)接關(guān)系的設(shè)計(jì) 8.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史 自行車 -汽車的技術(shù)先驅(qū) 第一種大量生產(chǎn)、用于人員運(yùn)輸?shù)臋C(jī)器 1816-1818首次將兩輪車的思想變?yōu)閷?shí)物 1885年，現(xiàn)代自行車的基本型在商業(yè)上獲得成 功 由此出現(xiàn)的種種變革的要求為汽車的出現(xiàn)奠定 了基礎(chǔ) 8.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史 向自行驅(qū)動(dòng)的車輛過(guò)渡 三輪電能驅(qū)動(dòng)車 蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的四輪車 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車 荷蘭人 Christiaan Huygens 法國(guó)人 Etienne Lenoir 德國(guó)人 Nicholas A. Otto 英國(guó)人 Lanchester 根據(jù)基本原理進(jìn)行功能性設(shè)計(jì) 鋼管銅焊構(gòu)成車架 . 8.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史 大量生產(chǎn)時(shí)期 （ 1900-1927年） 大約五百多家汽車生產(chǎn)公司 1929年：產(chǎn)生了“設(shè)計(jì)”車身結(jié)構(gòu)以使汽車 有較輕重量的“需要”。 1900年出現(xiàn)了第一個(gè)金屬車身專利 主體仍然是木、鋼結(jié)構(gòu)的車身 8.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史 美觀和舒適的時(shí)期（ 1927-1956年 ） 提出了對(duì)汽車的基本需求 經(jīng)濟(jì) 耐久、可靠 舒適、吸引人 操縱、使用安全 8.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史 1926年開(kāi)始出現(xiàn)車身造型 設(shè)計(jì)的實(shí)踐 借助于試驗(yàn)和其它的一些基本工具，對(duì)車身的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效的設(shè)計(jì) 汽車的基本結(jié)構(gòu)已定型 8.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史 安全時(shí)期（ 1956-1970） 著重考慮如何減輕汽車碰撞后的后果 美國(guó)頒布了安全法規(guī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然以實(shí)驗(yàn)方法為主，開(kāi)始研究計(jì)算 分析的理論和工程方法 8.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析時(shí)期（ 1970年以后 ） 特定構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算 有限元方法 8.3 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 功能設(shè)計(jì) 如支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等 性能設(shè)計(jì) 如安全性、噪音控制等 8.4 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本約束和目標(biāo) 車身結(jié)構(gòu)必須能夠承受在其整個(gè)使用壽命周期 內(nèi)可能遇到的所有靜力和動(dòng)力負(fù)荷 必須提供一個(gè)舒適愜意的車內(nèi)空間、滿意的行 駛平順性、操縱穩(wěn)定性以及對(duì)大自然的影響的 抵御能力 必須提供對(duì)車內(nèi)外噪音源的隔音 必須保證駕駛員和乘客有適當(dāng)?shù)目梢?jiàn)度 重量輕，需要能量最小 具有抵御空氣動(dòng)力阻力的能力 提供對(duì)乘員的安全保護(hù) 所用材料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，便于高效率 地制造和裝配 汽車使用壽命后材料應(yīng)能再循環(huán)和使用 滿足各種環(huán)境下的使用要求 成本低，以使千百萬(wàn)人能夠買得起 8.5 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 工作負(fù)荷 運(yùn)行譜 平均運(yùn)行工況 運(yùn)行速度分布 超載形狀 -動(dòng)力負(fù)荷造成的疲勞損壞 車輛行駛模型 8.5 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 乘客滿意度準(zhǔn)則 平順性 噪聲環(huán)境 安全準(zhǔn)則 汽車安全標(biāo)準(zhǔn) 減少傷害的可能性 將乘員被從車內(nèi)拋出的可能性降至最小 保證與安全有關(guān)的零件有足夠的強(qiáng)度 將火災(zāi)的危險(xiǎn)降至最低 8.5 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 整車結(jié)構(gòu) 48.3km/h正面固定障礙物沖擊 （ FMVSS204、 FMVSS212、 301） 轉(zhuǎn)向機(jī)向后位移 擋風(fēng)玻璃安裝條 燃料系的完整性 48.3km/h后面移動(dòng)障礙物沖擊 （ FMVSS301） 32.2km/h側(cè)向 移動(dòng)障礙物沖擊 （ FMVSS301） 車頂撞壓抗力試驗(yàn) 8.5 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 車門(mén)零部件 側(cè)門(mén)強(qiáng)度 （ FMVSS214） 門(mén)鎖組件 （ FMVSS206） 保險(xiǎn)杠組件 8km/h的縱向擺錘撞擊 5km/h的 30度角擺錘撞擊 8km/h的縱向障礙物撞擊 8.5 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 座位組件 頭部保護(hù)裝置 座位總成 座椅安全帶固定裝置 8.6 車身結(jié)構(gòu)分析 -結(jié)構(gòu)的理想化 車身結(jié)構(gòu)分析的難點(diǎn) -構(gòu)造的復(fù)雜性 邊界條件復(fù)雜 橫截面的變化 板材厚度的變化 . 難以獲得精確的解析解 8.6 結(jié)構(gòu)的理想化 用離散的模型代替連續(xù)的模型 用有限元的方法對(duì)車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 基本工作過(guò)程 基本量：?jiǎn)卧?總體結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧难b配 位移的轉(zhuǎn)換 力和剛度的轉(zhuǎn)換 車身結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)例 車身二維模型 考慮正面加載、彎曲、頂面加載和立柱加載 8.7 車身總成模型 8.8 車架模型 縱梁：承受彎曲負(fù)荷 橫梁：提供基本的扭轉(zhuǎn)約束 難點(diǎn)：斷面形狀突然變化處會(huì)出現(xiàn)梁轉(zhuǎn) 角的急劇變化，一般用允許變形后軸線 斜角不連續(xù)的旋轉(zhuǎn)彈簧來(lái)模擬。 局部柔量：影響總體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的局部變 形，通常發(fā)生在集中載荷和結(jié)構(gòu)的連接 處。 保險(xiǎn)杠 立柱 前板金件 應(yīng)力分析 確定結(jié)構(gòu)形狀及其應(yīng)力分布 實(shí)例 散熱器支架 用約束模擬螺栓的固緊狀況 有 216個(gè)節(jié)點(diǎn)和 144個(gè)平板單元 8.9 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟 1. 確定車體的構(gòu)件組成，分出主要、次要件，其 目標(biāo)是：使車體成為一個(gè)連續(xù)的完整的受力系 統(tǒng)。 2. 確定主要桿件的截面型式 -閉或開(kāi)式； 3. 確定截面的構(gòu)成方式、與其它部件的配合關(guān)系、 密封和外形的要求、內(nèi)、外裝飾板的固定方法 以及相關(guān)的制造方法； 4. 繪制截面過(guò)渡草圖 5. 化分分總成，分塊； 6. 應(yīng)力計(jì)算； 7. 繪制零件圖。 8.10 車身骨架設(shè)計(jì) (1) 骨架設(shè)計(jì)的基本要求 強(qiáng)度 剛度 (2) 骨架設(shè)計(jì)的基本 要求 剛度不足有什 么問(wèn)題？ 變形 噪音 強(qiáng)度不夠有什 么問(wèn)題？ 裂紋 疲勞斷裂 車身結(jié)構(gòu)安全性 (3) 桿件的設(shè)置 桿件 主要 承載件 非主要 承載件 功能所要求設(shè)置的 ， 如門(mén) 柱 、 窗柱 、 門(mén)檻 、 門(mén)框上 橫梁 、 風(fēng)窗框上下橫梁等 。 加強(qiáng)用，如大客車頂蓋上 的縱梁和底架周邊的擱梁 為安裝附件而設(shè)置的非 承載件，如頂蓋上為安 裝頂窗而設(shè)置的框架等 轎車車體主要桿件 窗柱 門(mén)柱 后橫梁 座椅支撐架 地板邊梁 前縱 梁 斜地 板 截面形狀 截面尺寸 （ cm） A JK IY WY WK h 12.8 B=4.8 T =0.4 1 0.004 4 1 1 0.004 3 H=6.4 B=4.8 T=0.4 1 0.59 0.69 0.73 3 0.768 D=7.13 T=0.4 1 1 0.69 1 0.65 6 1 桿件截面形狀與剛度關(guān)系 在材料面積 A和壁厚 t保持不變的情況下，閉口 截面的抗彎性能和次于開(kāi)口截面，但閉口截面 的扭轉(zhuǎn)慣性矩要比開(kāi)口截面大多了。 從提高整個(gè)車身和構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度出發(fā)，宜多 采用閉口截面，但是還需要考慮構(gòu)成截面的其 他因素，如結(jié)構(gòu)功能、配合關(guān)系以及制造工藝 等等。 骨架結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中問(wèn)題 當(dāng)受力桿件的截面發(fā)生突變時(shí)，就會(huì)由于剛度 突變引起截面變化處應(yīng)力集中，在經(jīng)常承受交變應(yīng)力的 汽車車身上，應(yīng)力集中可能誘發(fā)進(jìn)展性裂縫，導(dǎo)致疲勞 損壞。這是車身結(jié)構(gòu)損壞的原因之一。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要避免截面急劇變化，特別是要注意加 強(qiáng)板和接頭的設(shè)計(jì)。 梁上沖孔的 解決辦法 在縱、橫梁的“接頭”處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集 中問(wèn) 題，是車身的隱患，如何解決呢？ 示 例 ： 車 身 側(cè) 板 與 頂 連 接 接 點(diǎn) 8.11 板殼零件 板殼零件 外覆蓋件 內(nèi)覆蓋件 骨架零件 車身頂蓋，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、 門(mén)外板、翼子板 前圍內(nèi)板（發(fā)動(dòng)機(jī)擋板） 地板、門(mén)內(nèi)板 支柱、門(mén)窗框以及 各種縱、橫梁 設(shè)計(jì)車身板殼的三個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題 問(wèn)題 1： 保證板殼構(gòu)造的合理連接與美觀 問(wèn)題 2： 保證板殼構(gòu)造的合理分塊 問(wèn)題 3： 如何提高零件剛度 措施 1：合理選用曲面造型 措施 2：設(shè)置加強(qiáng)筋 8.12 車體結(jié)構(gòu)的工藝性 結(jié)構(gòu)工藝性能的是所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既要滿足使用 要求，又要能夠在一定的生產(chǎn)條件和規(guī)模下次， 使加工方法最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)。 (1) 車身分塊對(duì)工藝的影響 將車身整體形狀分成數(shù)塊能夠制造和裝配起來(lái)的零 件稱為分塊 。 車身分塊必須考慮如下幾個(gè)方面： （ 1） 分塊應(yīng)考慮鋼板材料的尺寸規(guī)格 。 （ 2） 分塊應(yīng)考慮拉延工藝性 。 （ 3） 分塊對(duì)制造精度的影響 。 （ 4） 分塊應(yīng)考慮易損件 。 (2) 車體焊接裝配工藝性 分總成 總成 零件 合件 桑塔納 B2 的正面焊 點(diǎn)布置 (3) 汽車車身制造工藝介紹 沖壓 裝焊 涂飾 沖壓工藝 建立在金屬塑性變形基礎(chǔ)上，利用模具和沖壓設(shè) 備對(duì)板料施加壓力，使板料產(chǎn)生塑性變形或分離， 從而獲得具有一定形狀、尺寸和性能的零件。 一般可分為四個(gè)基本工序 沖裁 彎曲 拉深 局部成形 沖壓用鋼板的類型 按品質(zhì)分類 普通碳素鋼 優(yōu)質(zhì)碳素鋼： 沸騰鋼： 05F、 08F、 10F、 15F、 20F 半鎮(zhèn)靜鋼： 08b 鎮(zhèn)靜鋼： 08、 10、 15、 20、 30 低合金高強(qiáng)度鋼板： 09Mn, 16Mn, 06Ti, 10Ti 沖壓用鋼板的類型 按拉深級(jí)別分類 厚度為 414mm的熱軋鋼板： S-深拉深級(jí)， P-普 通拉深級(jí)， W冷彎成形級(jí) 厚度小于 4mm的熱軋和冷軋薄鋼板： Z-最深拉 深級(jí)， S-深拉深級(jí)， P-普通拉深級(jí) 厚度小于 2mm的深沖壓用冷軋鋼板和鋼帶： ZF- 沖制拉深最復(fù)雜的零件， HF-沖制拉深很復(fù)雜的 零件， F-沖制拉深復(fù)雜的零件 按鋼板的表面質(zhì)量分： A-高級(jí)精度， B- 較高級(jí)精度， C-一般精度 (2) 汽車車身裝焊工藝 (3) 汽車車身涂飾工藝 耐腐蝕性 改善車身的抗蝕性能一般通過(guò)二種途徑 ： 改進(jìn)車身結(jié)構(gòu) 用保護(hù)膜 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的防腐措施 使車身結(jié)構(gòu)不能積存水 、 泥等 。 設(shè)計(jì)時(shí)要全面檢查并確定容易銹蝕的部 位 ， 并采取特別的防腐措施 。 兩種金屬之間的接合 ， 特別易發(fā)生電化 學(xué)腐蝕 ， 應(yīng)盡量避免 。 當(dāng)必須采用時(shí) ， 應(yīng) 在兩層板之間使用塑料隔層 。 車輪不積水結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 密封膠部位示意圖 保護(hù)膜的采用 在采用保護(hù)膜方面，為了提高車身的耐蝕 性和漆膜的密著性，通常先進(jìn)行磷化處理， 再涂以防銹底漆。 有些國(guó)家正在對(duì)易受腐蝕的車身部件采用 鍍鋅鋼板，例如， 1985年起陸續(xù)投放市場(chǎng)的 奧迪（ Audi） 80、 100和 200轎車，其車身由 鍍鋅鋼板制成。 車體的彈性振動(dòng)與隔震 1）車身的振動(dòng) 車身是一個(gè)多自由度的彈性系統(tǒng) ， 在外界力的激勵(lì)下將產(chǎn)生變形 ， 引 起系統(tǒng)的振動(dòng) 。 車身振動(dòng)頻率大致在 2050Hz。 汽車 在輪胎上的振動(dòng)頻率及發(fā)動(dòng)機(jī)在其 懸置上的振動(dòng)頻率等 ， 與車身低階 頻率很接近 ， 因此應(yīng)注意 提高車身 的剛度 。 2）車身板殼的局部振動(dòng) 剛度差的大型覆蓋件在震源激勵(lì)下會(huì)引起板殼強(qiáng) 迫振動(dòng) 板件振動(dòng)造成的輻射聲和車廂體積的變化是主要 噪音源。 解決方法：板上沖壓肋 原因： 振動(dòng)波總朝剛性最差方向前 進(jìn)，沖壓肋可以切斷路徑。 3）隔震選置的設(shè)計(jì) 來(lái)自路面或發(fā)動(dòng)機(jī)等的激勵(lì)而起的振動(dòng) ， 通過(guò)懸架或發(fā)動(dòng)機(jī)懸置 （ 帶阻尼的彈性元件 ） 傳給車架 ， 然后經(jīng)過(guò)車身 （ 或駕駛室 ） 在車架 上的懸置點(diǎn)傳到車身 。 對(duì)于承載式轎車車身，為防止振動(dòng)直接 入車身，在中、高級(jí)轎車上常采用將懸架和 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總裝置在單獨(dú)的附加橫梁（副車 架）上的結(jié)構(gòu)，附加橫梁通過(guò)橡膠墊與底架 的縱梁相連。 壓縮型懸 置橡膠元 件 剪切型懸 置橡膠元 件 為減少車架變形 和振動(dòng)對(duì)車身影 響，應(yīng)盡可能減 少懸置點(diǎn)。 車內(nèi)噪聲控制 汽車噪聲 車外噪聲 車內(nèi)噪聲 與車身結(jié)構(gòu)關(guān) 系密切 1）聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí) 聲壓級(jí) LP： 20lg(p/p0) P0: 參考聲壓，取 2*10-5pa 聲強(qiáng)級(jí) LI： 20lg(I/I0) I0: 參考聲強(qiáng)，取 10-12/W/M2 2)評(píng)價(jià)指標(biāo) 美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（ SAE），根據(jù)大量調(diào)查， 從保護(hù)聽(tīng)力不受損害的角度，提出貨車駕駛室 內(nèi)噪聲不應(yīng)超過(guò) 88dB（ A），并推薦了駕駛室 各頻帶聲壓級(jí)數(shù)值（參考書(shū)中表 8-2）。 轎車車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)各國(guó)根據(jù)各自情況確定，請(qǐng)參 看書(shū)中表 8 3， 4 3）車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理 。 。車內(nèi)噪聲 空氣噪聲 機(jī)械性噪聲 空腔共鳴 由車身外部噪聲 和風(fēng)噪聲組成 由固體振動(dòng)產(chǎn)生 4）車內(nèi)噪聲控制 手段： 減小聲源，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 思考題： 觀察車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 控制噪音的手段