汽车车身结构与设计第5章车身结构分析与设计

第五章 车身结构分析与设计
§5-1 概述
在进行汽车车身结构设计之前，必须首先确定车身的承载型式。

当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。

一、车身结构设计的步骤
1．确定车身由哪些主要的和次要的构件组成，使其成为一个连续的完 整的系统；
2．确定主要杆件采取何种截面形式——闭式或开式；
3．确定：·如何构成这样的截面；
·截面与其它部件的配合关系；
·密封或外形的要求；
·壳体上内外装饰板或压条的固定方法；
·组成截面的各部分的制造方法及装配方法。

4．绘制由一个截面过渡到另一个截面的草图、各部件连接草图，以及 与此同时所形成的外覆盖件（骨架、蒙皮）草图；
5．将车身总成划分为几个分总成——地板、侧围、前后围、顶盖等， 绘制各分总成草图；——注意标明各总成的连接型式，以便与工艺 部分进行协商；
6．应力分析计算；
7．详细的结构设计（包括主图板设计），画出零件图。

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。

二、大客车的车身结构
1．组成：
式结构两种。

有车架式结构和无车架—下部结构性。

一整体，保持车身的刚其构成，盖及内饰、附件等组成前后围、左右侧围、顶—上部结构车身结构
有车架式结构——可以独立行走；
无车架式结构——必须与车厢成为一体方可行走。

按作用于车身上的外力由车身的哪一部分承担，车身构件结构可分为：
②骨架结构—利用车身骨架作为强度部件。

2．特点
①应力蒙皮结构
一般与无车架结构配合使用，亦称薄壳结构。

优：·骨架比较细小，承力相对较小—由飞机演变；
·整体刚度、强度较高，自重较轻，生产率高。

缺：·车窗开口不能太大，窗立柱较粗；
·因采用铆接装配，工艺复杂；
·施工过程振动、噪声大，铆钉裸露在外，影响美观。

②骨架结构
骨架一般由扭转刚性很高的封闭断面的矩形管构成，因此强度和刚度较高，外蒙皮只起装饰作用。

优：·改变客车外形比较容易；
·门窗开口部可以增大；
·外蒙皮无铆钉，可以实现较漂亮的外观；
·采用合理的设计（优化）可以减轻重量。

缺：·所有零件均由焊接装配，焊接质量不易掌握；
·型材防腐问题难度较大。

从强度与重量的协调来看，薄壳结构是较合理的结构。

车身的上部结构中，由于有车门——乘客门、司机门、安全门等，车门处都是大开口，因此窗柱对车身的刚性影响很大。

近年，由于采光面积的增大、视野的扩大以及车门的大型化，要求窗立柱尽量变细。

——必须在结构设计上特别注意。

2 1度部件。

利用车身内蒙皮作为强—应力内蒙皮构造度部件；利用车身外蒙皮作为强—应力外蒙皮构造o o
§5－2 车身的承载类型
出于各种不同的目的和要求，汽车的品种很多，车身形式各异。

汽车结构不断推陈出新，新老结构交织在一起，难以准确下定义和统一命名。

普遍认为，从结构和设计观点出发按车身承载型式进行分类，是较为明确、合理的。

汽车车身按承载型式，可分为：
一、非承载式
——有车架式，由车架承受主要载荷
1．框式车架：·边梁（或梯形）车架
·周边式车架
2．脊梁式车架
3．综合式车架
二、半承载式
——仍有车架，但强度、刚度比非承载式车架低，车身在工作时也承担部分载荷，以减轻车架自重。

三、承载式（无车架式）
1．基础承载式——车窗以下为主要承载件，窗立柱以上为非承载件（承
载较少）
2．整体承载式——整个车身都参与承载，车身上下部构成一个统一的
整体，受载时以强济弱，使整个车身壳体达到稳定
平衡状态。

§5-3 骨架结构与设计
骨架是客车车身的结构主体，与底盘车架一起承受静态和动态载荷。

一、组成
客车车身骨架一般由五部分组成：
①顶盖骨架——车身顶盖的骨架，将前后、左右骨架连在一起构成封闭结构。

同时，供安装空调部件、通风扇（窗）、灯具、行李架、拉（扶）手等附件；
②前围骨架——客车前面（正面）车身的骨架，供安装仪表板、前灯具、保险杠、雨刮、前风窗等；
③后围骨架——客车后面（背面）车身的骨架；供安装后风窗、后门、后保险杠、后灯等；
④左侧围骨架——客车左侧面车身的骨架，供安装侧窗、司机门、安全门、行李舱门等；
⑤右侧围骨架——客车右侧面车身的骨架，供安装侧窗、乘客门、行李舱门等；
五部分骨架和车架（包括地板支架）组焊在一起，构成了客车车室的围护结构。

二、影响客车车身强度的构造因素
1．车身骨架结构的拓扑形式
指车身构造由什么形状的构件，多少构件，这些构件如何构成各（何）
种形状等，以及外形和尺寸等重要参数。

如：车身结构是否有蒙皮承载、是否有斜拉杆承载，有无大梁、边梁，车长、轴距、车宽、车高的尺寸等。

这些因素通常称为车身构造拓扑。

2．车身结构构件的尺寸
完成拓扑形式设计后，各构件的设计（纵、横梁、窗立柱等）是车身结构设计的第二个内容。

——这些构件的尺寸与车身强度、刚度密切相关。

3．构件交叉点（交接点）的结构设计和组焊工艺
外形和结构元件设计完成后，这些构件如何组焊，结合点的结构、搭接方式、加强板结构及组焊工艺等都会对车身强度和寿命产生影响。

优秀的车身设计应根据产品的用途、使用条件、载荷大小、经济性要求、轻量化原则等——给出一个合理的拓扑形式——选定适当的构件尺寸——设计这些构件的联结结构和组焊工艺。

只有这样，才能产生一个强度、寿命合适，结构轻巧，满足使用要求的产品。

上述三因素密切相关。

三、车身的侧围
——与车架结合，构成了保证车身必要的弯曲刚性的主元。

特点：·按结构需要必须开设：车门、车窗及轮拱等开口；
·主要承受弯曲和扭转载荷。

要求：1°保证车身功能性——门、窗等；
2°保证强度和刚度。

1．结构型式：
①采用轻金属材料的侧围结构
特点：a）以大断面的窗上沿梁作为上承载单元，下承载单元由底盘纵梁构成；
b）采用大断面的封闭断面式门框结构和前后立柱结构，确保侧围能承受较大的弯曲和扭转载荷。

该结构适用于采用轻金属材料的侧围结构——如铝合金车身——近年西方大客车流行的一种结构。

②钢质材料的侧围结构
主要承载单元由腰围梁、底盘纵梁和地板纵梁组成的侧围结构。

特点：a）采用封闭断面的异型钢管材料或冲压焊接成型的封闭断面钢质材料组焊而成；
b）主要承载单元由窗下沿梁（腰围梁）、地板围梁以及地板纵梁组成；
c）车门处薄弱点由大断面的门框结构组成。

该结构适用于普遍采用的钢质异型管车身结构，通过合理的结构设计，可以保证侧围骨架有较大的强度和刚度。

2．结构分析
——构件的结构尺寸、连接方式、侧围与车架的连接方法、强度、刚度
分析等。

①决定客车车身强度的因素：·车身侧壁构件的结构尺寸；
·构件的连接方式；
·侧围与底盘车架的连接方式。

②侧围结构型式对车身强度有较大的影响，如侧窗、车门等。

随着车窗开度的增大，影响更为明显——大开口破坏了整体的刚度。

③电测和电算结果表明，侧窗高度h0增加→车身扭转刚度下降→窗立柱、梁构件的工作应力增大，但高应力区仍在窗立柱和门立柱上；
④若保持车身高度不变，减小侧窗高度，车身强度随之改变。

办法是：
1°提高窗下沿梁→整车扭转刚度↑，窗立柱和梁构件的工作应力↓；
2°降低窗上沿梁（上边梁）→顶盖弯度↑，水平抗剪刚度↓——部分抵消了因侧窗高度降低而带来的增益，使整车扭转刚度有所降低—
→窗立柱内弯矩↓。

⑤侧围立柱不仅承受顶盖传来的静载荷，还承受大量的动载荷——转弯、制动时。

为此应在侧围一定位置设立宽立柱或双立柱带连接板——如门立柱，前后立柱，前后桥区域等。

采用上述措施，能有效地降低其它窗立柱的内应力。

⑥窗立柱的弯曲力矩大小，取决于窗立柱与顶盖的连接方法。

受扭时，侧围和顶盖间将产生边界力F ，F 使窗立柱产生弯曲： ·若窗上沿梁不具备抗弯刚度，则力P i 的力臂将等于窗立柱的全高h 0； ·若窗上沿梁能承受固端力矩，力臂↓→2
1 h 0。

∴增加窗上沿梁刚度→能降低窗立柱应力。

⑦一般车身杆件抗拉压能力>抗弯曲能力（且大得多）。

充分利用杆件抗拉压能力——采用斜撑结构。

优点：采用斜撑结构→可使骨架式车身结构的侧围构件的弯矩↓，轴向力↑→窗立柱应力↓——所以采用斜撑可充分利用材料的力学特性，有效地提高结构的强度和刚度
缺点：轴间开门的车身结构→↑车身刚度的不均匀性→车门处应力↑——必须注意对车门处的加强，从而保证车身扭转刚度分配均匀。

⑧左右侧围因车门开度的存在而刚性不一。

设计时不应对有开口的侧围过分加强→破坏左右侧围的刚度平衡。

正确做法：按电测、电算资料，对开口部位进行适当加强，以保证左右侧围刚度均匀。

四、车身顶盖
1．特点：1° 连接侧围，协同侧围一起工作；
2° 车身受扭时，顶盖主要以剪切变形为主；
3° 具有安装顶窗（通风扇）、行李架、顶灯、空调装置、 扬声器、扶手等开口（或孔）；
4° 与侧围、前后围、地板一道构成车室空间整体。

2．结构分析
①若车顶抗剪刚度较小，将使左右侧围的相互联系减弱→↓车身的扭转刚度；
所以，↑车顶抗剪刚度，合理匹配车顶和侧围刚度，是提高车身扭转刚度的重要途径之一。

②顶盖纵梁布置形式对窗立柱所受弯矩大小有一定影响。

由大开口薄壁结构的扭转理论知：
窗立柱所受弯矩可近似表示为：
式中：g ——单位剪力，N/cm ；
h 0——窗立柱高度，m ；
l ——侧窗长（窗立柱间距），m ；
h 1——顶盖边纵梁距窗上沿梁的距离，m 。

由式中可知，↓h 1→↓M →↓窗立柱应力。

设计时，应使顶盖纵梁成中间疏、两边密（h 1小）的布置形式——充分发挥顶盖的承载能力，↑车身抗扭刚度。

③顶盖横梁的布置
原则：a ）与窗立柱对应，特别是在车门开口处，最好能使顶横梁、门立柱、底盘横梁三者形成一封闭环——即主闭合环，以利于力的传递；
b ）重视顶横梁的弧度。

在其它条件不变时：
1°适当的弧度可以改变车身横断面的扭心高度，↓车顶蒙皮 所受的剪力流→↓窗立柱弯矩；
2°弧度过大（拱高过大）→↓顶盖的水平抗剪刚度。

④改善顶盖与侧围的连接刚度——提
高车身刚度的有效方法之一。

措施：在顶盖与侧围连接区域设置应
力内蒙皮——用钢板（1mm ）将连接区域联
成一整体，或加一斜撑将二者连接起来。

电测和电算表明，顶盖应力除与窗上
沿梁毗邻的部位较大外，其它均较小。

因此，
设计时顶盖各构件的断面可选小一些，以减
轻整车重量。

五、前围和后围
——车身骨架前后端部的结构
2
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设计中应考虑的因素：
1．具体结构根据造型和发动机的位置而定
前置发动机客车：结构上除前大灯和转向指示灯位置、刮水器位置及后风窗、后灯、后行李舱门位置、尺寸需考虑外，还应考虑：发动机通风散热和维修方便；
强度上：风窗上、下沿梁和窗立柱内力较大，其它构件内力较小。

后置发动机客车：主要根据造型和总布置要求确定。

如造型美观、流线形、发动机舱门大小、前照灯和尾灯型式、大小等。

2．构件大小按强度要求确定
对受力较大的风窗上、下沿梁、窗立柱——应使强度↑。

增加窗立柱强度应注意：1°不影响视野——不↑盲区，↓安全；
2°应考虑整体协调。

3．以适当方法加强前后围底横梁强度
——保证可以从前端举升车辆或由救援车辆从前端牵引。

3．为保证整车有足够的扭转刚度，前后围骨架中最好能设置一些斜撑梁。