汽车车身结构分析与设计

–强度：裂纹、疲劳断裂
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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。
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
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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
• 三种途径：
–改进车身结构 –采用各种保护膜 –采用防腐材料
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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
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图8-27 操纵板式通风装置
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扭转刚度最差
h=12.8 b=4.8 t=0.4
1
0.0044
1
1
0.0043
○ 的弯曲刚度最差， 扭转刚度最好
为提高车身刚度，宜多
h=6.4 b=4.8 t=0.4
1
0.59
0.69
0.733
0.768
采用闭口断面。
h=7.13 t=0.4
1
1
0.691
0.656
1
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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
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承载式车身骨架示例
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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
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汽车车身结构分析与设 计
2020年4月28日星期二
概述
车身
车身覆盖件（cover panel）： 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（body structural; body skeleton; body frame）： 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
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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
门窗框以及各种纵、横梁等。
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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
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驾驶室分块
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• 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
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
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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。
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壳体草图
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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：
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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。
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、
• 图8-16 b)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
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车门外板翻边和孔的翻边
曲面翻边
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1、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。
– 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
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加强肋的布置的肋的形状 a)好 b) 不好 c)肋的形状
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• 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）。
和应力集中）
图8-20 点焊连接型式 a)搭接 b)翻边连接
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
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图8-22 焊件定位
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3、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。
• 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。
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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）
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• 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
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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
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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
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§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（body skeleton）：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。
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§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。
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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
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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8-18 a）需侧窗柱与顶盖横梁对应一致，b）则 不要求
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使用密封胶的部位示意图
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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
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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
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
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2、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
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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）
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（FF是材料面积） F
表1 截面特性比较
∫ ∫ 材料断面积相等I 时k =，表e dFI y = z 截面形状 dF 截面尺寸/cm A
Jk
Iy
Байду номын сангаас
Wy
Wk
中尺寸的： ［ 的弯曲刚度最好，
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。