汽车结构-白车身知识.

1车身结构：1.1车身分类：一般来讲，比较明确而又合理的分类形式是从结构和设计观点出发，按车身承载型式来分，可将车身分为：非承载式、半承载式和承载式三大类：1. 非承载式（有车架式）一般，货车（除微型货车）、大客车、专用汽车及大部分高级轿车上都装有单独的车架，车身上的载荷主要由车架来承担，但车身仍在一定程度上承受由车架弯曲和扭转变形所引起的载荷。

2. 半承载式半承载式是一种过度型的结构，车身下部仍保留有车架，不过它的强度和刚度要低于非承载式的车架，一般将它称之为底架。

它之所以被命名为半承载式是出于以下考虑：让车身也分担部分载荷，以此来减轻车架的自重力。

这种结构型式主要体现在大客车上。

3. 承载式（无车架式）承载式车身无车架，车身的强度和刚度通常主要由车身下部来予以保证，一般中低档轿车车身属于承载式车身。

以S11车身为例，如下图所示：（少图）其前端由两根前纵梁、前围板，轮罩形成一刚性较强的框架；车身中部、后部由左、右侧围（包括顶梁、门槛梁、A柱、B柱、C柱等）和地板、顶盖及后备门框等构成的盒形结构随着立体交叉道路和高速公路的普及，轿车车速不断增高，在轿车轻量化的同时，还必须从保护乘员人身安全的角度出发来仔细研究车身的结构设计。

一般车身结构分为刚性结构和弹性结构，如果在车身前部和后部均为弹性结构而中部为刚性结构的情况下，就能确保乘员安全。

所以，在车身开发的前期阶段，CAE 分析尤为重要。

1.2车身结构：车身总体尺寸和形状以及承载的结构型式确定后，即可着手进行细致的结构分析与设计。

设计车体结构大致按以下步骤进行：1）确定整个车体应由哪些主要的和次要的构件组成，使其成为一个连续的完整的受力系统；确定主要杆件采取怎样的截面型式－闭式的或开式的。

2）确定如何构成这样的截面，截面与其他部件的配合关系，密封或外形的要求，壳体上内外装饰板或压条的固定方法以及组成截面的各部分的制造方法及其装配方法等。

3）对各个截面的初步方案制定以后，可以绘制由一个截面过渡到另一个截面的草图，杆件连接结构草图以及与此同时所形成的外覆盖件（壳体、蒙皮）草图。

4）将车体分成几个分总成，例如S11可以分为四门两盖、底板、发动机舱、侧围、顶盖、后围等；按分总成着手划分壳体进行分快，并在主要的大型冲压件间的接缝处划线和注明连接型式，以便与制造部门进行商榷。

5）同时进行应力分析计算。

6）进行详细的主图板设计，并画出零件图。

车身骨架设计应满足车身刚度和强度的要求。

刚度不足，将会引起车身的门框、窗框、发动机舱口及行李箱口的变形，车门卡死；低刚度必然伴有低的固有振动频率，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底总成底相对位置。

而强度不够则将引起构件出现裂纹和疲劳断裂。

在进行上述具体设计前，首先要了解对车身结构设计的要求以及如何实现这些要求，在技术还是不太成熟时期可以借鉴别的车型上的积累的经验，下面以S11为例分段介绍。

一：杆件的设计：在设计车身时，都要认真考虑杆件的设置。

骨架杆件可分为三类：1）功能所要求设置的，如门柱（A、B、C）柱、窗柱、门槛、门框上横梁等、2）加强用的，如悬置处设置的加强板，门、盖铰链处的加强板，锁扣处的加强板等。

3）为安装附件而设置的非承载件，如顶盖上为安装天窗而设置的框架等。

显然，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。

S11车身为承载式轿车车身，其骨架见下图（车门后面介绍），车体骨架结构分为车身下部总成1、侧围总成2及顶盖部分3等。

如图S11车身骨架图1－车身骨架下部总成 2－侧围总成 3－顶盖部分4－发动机舱总成 5－前底板总成6－后底板总成 7－后围板总成车体的纵向受力元件为前、后纵梁（在发动机舱及后底板总成里）、门槛（侧围总成及底板总成里）、侧围上部等，纵向受力元件是前挡板（发动机舱内）、前后底板横梁、顶盖横6 2431 75梁、后围板等。

车身下部总成又可分为发动机舱、前、后底板、后围板等四块，其中发动机舱主要由前纵梁、前围板、轮罩等组成，这部分承受比较大的集中力，如发动机、散热器、发动机罩及前减震器的支撑反力等，而底板部分主要承受分散在底板上的力，如车体自身重力、乘客重力、车门重力等；以及承受油箱、备胎和行李的集中重力等，因此，车体结构中易出现载荷分配不均衡和刚度不适应载荷要求的情况，这将影响系统的总变形。

现在的发展趋势是扩大车身光照部分的总面积，所以必然要减小腰线以上支柱的截面；考虑到提高空气动力性能的要求，前风窗支柱后倾角更大了；因此，为加强支柱，出来采用闭口截面外，在风窗支柱和车体前围侧板之间采用了上面与风挡柱连接，下面与侧板连接的加强板；此外，还必须通过仪表板支架和风窗上横梁加强左右支柱的横向连接，S11正是这一点的体现。

二：杆件截面形状与刚度的关系：薄壁杆件的截面形状对其截面特性有很大影响，与刚度有关的截面特性是弯曲惯性矩I，扭转惯性矩Jk等。

薄壁杆件的截面形状可分为闭口和开口两类，他们的截面特性有较大差别。

例如，对于闭口截面，扭转惯性矩Jk ＝4As×As×t/s，式中As为板料厚度中线所围成的面积、可见，中线周长s一定，材料厚度t一定，抗扭惯性Jk与As 的平方成正比，而截面形状无独立意义，所围面积大小则很重要。

圆形截面对抗扭最有利。

矩形截面中，正方形抗扭能力最高，当矩形两边之比h/b>2式,扭转刚度明显下降。

下表为材料面积A相等（周边的长度s和料厚t均相等）而形状不同的截面特性的比较示例。

表中分别表示对主惯性轴y的抗弯惯性矩和抗弯断面系数，Wk为抗扭断面系数。

注:表中各截面参数的数值是归一化后的数值,即分别以三种截面的最大值为1 可见,在材料面积A和壁厚t保持不变的情况下,闭口截面的抗弯性能稍次于开口截面，但闭口截面的扭转惯性矩要比开口截面大多了。

因此，从提高整个车身和构件的扭转刚度出发，宜多采用闭口截面，但是还需要考虑构件截面的其他因数，如结构功能、配合关系以及制造工艺等等，因此，实际车身骨架构件的截面形状往往是比较复杂的。

以S11侧围为例截面形式如下：S11为承载式轿车车身骨架截面示例；为了提高扭转刚度，几乎都采用闭口截面。

当对车身骨架初步设计方案进行有限元分析后，可根据计算得到的内力分布情况，适当调整构件的截面形状和尺寸。

三：骨架结构中的应力集中：当受力杆件的截面发生突变时，就会由于刚度突变引起截面变化处应力集中。

在经常承受交应变应力的汽车车身上，应力集中可能诱发进展性裂缝，导致疲劳损坏，甚至断裂。

这是车身结构损坏的重要原因之一。

因此，在结构设计时要避免截面急剧变化，特别是要注意加强板和接头的设计。

S11就曾出现此类问题，如图所示为S11的后底板后横梁横臂板，在应力集中区由于设计了过渡台阶面且翻边正好到台阶面处，导致此处应力集中在路试过程中疲劳损坏直致断裂，应力集中区因此在后来的设计更改中更成下图，在应力集中于减缓台阶面加长翻边距离且加宽件的截面宽度等等，避免产生应力集中使应力均匀写，在车身上又很多受有集中力需要使用加强板的部位，如固定车门铰链的地方、悬挂操纵踏板处等。

但是应合理设计加强板的大小和厚度。

加强板太小，则不足以将集中载荷通过加强板分散到较大的面积上；加强板太大，则会增加质量，一般加强板的厚度比加强件的板料为厚，但厚度不宜相差悬殊，否则，不仅咱加强板边缘由于刚度突变会引起集中而出现裂纹，而且对焊接强度也是不利的。

如S11安装前门铰链部分外板为0.75mm 安装板为0.9mm，加强板为1.5mm 在设计车身时，承载杆件上需要开一些孔洞，以便安装各种导线、管路和机构等。

显然，由于这些孔洞将产生应力集中，应尽可能将孔位选在应力较小的部位。

此外，开一个大孔比开数个小孔应力集中更严重。

在设计S11车身初期，犯了一个较为严重的错误，只是借鉴别的车的现有的经验，未对车身骨架设计方案进行有限元分析，所以有部分车身件在路试过程中出现问题，如左悬置支架的断力，上面所说的后底板后横梁横臂板断裂等。

所以在对车身骨架设计方案进行有限元分析后，能得到内力分布情况，适当调整构件的截面形状和尺寸。

四：门、及盖的说明2．断面图：（可以在门、盖里说明）重要性：车身断面图是车身设计人员不可缺少的必修课，从断面图可以很清晰的反映车身各个部分的结构，件与件之间的搭接关系，怎样才能准确的画出车身断面图（仔细的观察车身结构及多练，熟能生巧），哪几部分的断面图是重要的（四门两盖压合边，四门与侧围，两盖与顶盖、侧围等等，其实车身各个部分的断面图都是很重要的），3. S11冲压用材料3.1冲压材料的主要力学性能指标（一）屈服强度屈服强度小，材料易于变形，当压缩变形时，不易起皱，对弯曲变形，会弹性小，即贴模性和定型性好。

（二）屈强比屈强比越小，即材料易于塑性变形而不易拉裂。

（三）伸长率伸长率表示板料产生均匀变形的或稳定的塑性能力，直接决定伸长类变形中的冲压成型能力。

伸长率是影响翻孔或扩孔成型性能最主要的参数。

（四）应变强化指数nn值越高，表示钢材在成型加工过程中高变形区强度较高，变形较易传播到领近的低变形区，从而应变分布较为均匀，减少局部变形集中的现象。

n值对于拉胀成形尤为重要。

（五）塑性应变比r值由于冷轧钢板各方项性能不同，r值代表钢板拉伸时，宽度方向和厚度方向应变比值。

R越大，表示材料越不易在厚度方向发展变形，深冲性能越好。

除了以上几种主要的力学性能，常见的还有杯突值（IE）和烘烤硬化值(BH)。

杯突值用于评价板料的拉胀形能。

杯突值越大，拉胀形能越好。

烘烤硬化值是指试样进行拉深后170温度下保持20分钟时屈服强度的上升量，是烘烤硬化钢的主要性能之一。

3.2S11冲压件用的材料（六）深冲钢板,又称深冲级普通强度冷轧钢，包括ST12,ST13,ST14（ST1405,ST14F,ST14HF）。

ST12又称铝镇静钢，具有一定的强度和好的塑性。

用于汽车水箱外壳等一般成形加工。

ST13和ST14又称特殊镇静钢，即非时效钢。

这种钢与ST12相比较，冲压成形后，零件表面不产生滑移线，即冲压件表面质量较好。

ST13常用于汽车门窗等冲压成形的加工。

ST14常用于汽车油箱等深冲压成形加工,ST1405中05表示钢的表面质量较好，没有划痕等缺陷，而ST14(F/HF),F表示复杂拉延级，HF 表示很复杂拉延级。

（七）高强度钢板，又称深冲级含磷高强度超低碳镇静钢，包括B170P1和B210P1。

由于该钢板中加入磷，由于磷具有很强的强化能力，约是硅的7倍，锰的10倍，所以要获得同等强度，只需加入少量的磷即可，同时还避免由于加入大量的硅与锰而带来塑性和延伸率的降低。

另一方面，该钢中的碳含量很低，提高了钢的塑性和延伸率。