汽车车身结构与设计课堂

1、1,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,2016,2,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,3,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,200

2、1,Donald E Malen. Fundamentals of Automobile Body,Structure Design M. Warrendale, Pennsylvania, USA: SAE,International, 2011,4,第一节,引言,第一章,车身概论,5,一、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,6,三、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

3、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,7,二、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,8,四、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,

4、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,9,四、车身设计要求及原则,轿车

5、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,10,第二节,车身结构基础知识,第一章,车身概论,11,一、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,12,1,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,Body In White,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,Body on Primer,车身本体,是车

6、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,13,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,14,白车身及骨架,15,客车骨架,16,2,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

7、件、车身,外部装饰条、密封条、车门附件及空气动力,附件等,17,3,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,18,4,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,19,二、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

8、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,20,1,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,21,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,22,车架,23,桁架式车架,24,2,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

9、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,25,轿车车身与车架,26,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

10、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,27,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

11、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,28,2,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

12、板和整车高度,29,半承载式车身,30,基础承载式车身,31,整体承载式车身,32,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,33,三、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,34,1,前车身,前车身,的结构因前置发动机和后置发动机不同而

13、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,35,1,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,36,2,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

14、,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,37,3,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,38,5,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,39,4,前纵梁

15、,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,40,6,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

16、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,41,2,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,42,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

17、椅支架等构件组成,43,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,44,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,45,3,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,

18、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,46,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,47,4,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,48,四、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,非承载式客车车身,有单独的车架，车身通过悬,置与车架相连。客车车架多用梯形车架，以两,根纵梁为主，中间布以横梁，纵梁外焊上支腿,俗称牛腿,现代客车车身多为,承载式车身

19、,它没有独立的,车架,取而代之的是底架。底架多为型钢或冲压,件焊接而成，称为,桁架,其刚度较大。有的公,交用低地板客车要求距地面很低，这种底架前,49,承载式客车的底架,50,四、客车车身构造,骨架,大型客车多采用骨架式，用型钢、滚压件、冲压件,构成纵、横梁,形成网状骨架。骨架主要由前围、后围、左,右侧围和顶盖几个单元组成,蒙皮,大客车车身上的蒙皮可以分为两种，分别是,应力蒙,皮和预应力蒙皮,蒙皮受有张拉应力，因此垂直于板面的,刚度得以提高,51,五、货车车身构造,货车车身一般为非承载式结构，主要包括,驾驶室和货厢,现代货车驾驶室按结构可分为：驾驶室位于发动机之后的,长头式,驾驶室部分位于发动

20、机之上的,短头式,驾驶室完,全位于发动机之上的,平头式,52,平头式驾驶室构造,53,2,货箱,货箱,一般可分为,封闭式,厢式,和,开放式,栏板式,两大类，栏,板式又可以根据栏板的高度分为,高栏板式和低栏板式,两种,54,第三节,车身结构设计中的,三化”问,题,第一章,车身概论,55,一、系列化、通用化与标准化,汽车是大量生产的产品，而且品种型号多种多样，在设计时,必须进行详细的技术经济分析，在生产上尽量实现“三,化,产品系列化、零部件通用化以及零件设计的标准化,以,简化生产，收到提高产品品质、降低成本的效果,产品系列化,在于将产品进行合理分档、组成系列，并考虑各,种变型,零部件通用化,就是在

21、载质量,或载客量,接近或同一系列的车,型上,尽量采用相同结构和尺寸的零部件,零件标准化,对汽车的大量生产也很重要。广泛采用标准件,有利于产品的系列化和零部件的通用化，便于组织生产、降,低成本，对于使用维修也能带来很大的方便,56,二、平台化,平台概念是对“三化”理念,的延伸。平台是,指使用相同,的底盘结构，生产不同的汽,车产品,但这种平台化也存,在一些弊端，如平台化不利,于不同级别车型之间的区别,57,三、模块化,模块化设计技术,是指设计过程中，在对一定范围内的不同,功能或相同功能但不同性能、不同规格的产品进行功能分,析的基础上，把整车按功能划分并设计出一系列独立的模,块,每个模块集成多个零件

22、或总成,并且模块之间的连接不会,因为其中零件或总成的变化而改变,在装配时以模块为基,础进行装配,通过模块的选择和组合就可以构成不同的产,品，以满足消费者对于个性化的需求,大众的模块化战略,主要以发动机的布置方式为划分标准,从而衍生出四个不同的模块，即横置发动机模块平台,MQP,纵置发动机模块平台,MLP,后置发动机模块平台,MHP,和中置发动机模块平台。改用模块化模式之后,MQP,和,MLP,两种方案就基本解决了大众和奥迪多数主力,车型的生产问题,58,车身模块化设计的原则,力求以尽可能少的模块组成,尽可能多,的产,品,并在满足要求的基础上使产品精度高,性能稳定、结构简单及成本低廉，且模块,结

23、构应尽量,简单、规范,模块间的联系也尽,可能简单,模块化设计分两个不同的层次,第一个层次,为系列模块化产品研制过程,第二个层次,为单个产品的模块化设计，需要根,据用户的具体要求对模块进行选择与组合，并,加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选,59,第三节,车身结构的轻量化,第一章,车身概论,60,1,汽车节能的途径,汽车节能的途径,开发替代能源、节约用油和提,高燃油经济性,是汽车能源战略中三个极为重要的,领域,也是汽车节能的三个基本途径,提高燃油经济性涉及技术节能和结构节能的概念,技术节能,即通过一系列节能技术，提高汽车的燃油经,济性或降低汽车的燃油消耗。例如,发动机增压、流,线型车身、轻量

24、化车身、低滚动阻力轮胎,等,结构节能,是通过调整全社会的车型结构，达到降低社,会评价油耗及降低全社会燃油消费总量的目的。例如,提高低油耗的小型车和普通轿车比例、减少高油耗的,大型车和,SUV,车的比例，以及适当提高能效高的柴油车,比例等,61,2,车身轻量化的意义,汽车,自重每减少,10,燃油消耗可降低,6% 8,排,放可降低,4,左右,日本汽车工业协会的研究表明,当车辆的自重从,1500kg,下降到,1000kg,时，每升燃,油平均行驶的里程由,10km,上升到,17.5km,相当于,每减重,100kg,每升油可多行驶,1.5km,燃油经济,性提高了,5.7% 10,美国福特汽车公司在欧洲全

25、顺车的试验表明：在,满足欧,标准条件下，每百公里油耗,Y,与车辆自,重,X,满足以下关系,Y =0.003X +3.3434,62,2,车身轻量化的意义,对于乘用车来说，车身占整车,质量,的,40% 60,约,70,的油耗是用在车身,质量上的。从,制造成本,来看，车身占,到整车成本的,15% 30,从汽车发展趋势来看，人们对汽车的,安全性、舒适性等要求越来越高，而,这些要求的实现大都体现在车身上,所以汽车车身尤其是,白车身的轻量化,是整车轻量化的重要部分,63,3,车身轻量化评价指标,目前常用的车身轻量化的评价指标为宝马,公司提出的,轻量化系数,L,它是轿车车身轻,量化设计的一个重要指标，是表

26、征一个轿,车产品车身轻量化水平的重要参数之一,轻量化系数,L,具体是指白车身的质量与四轮,的投影面积,A,与静态扭转刚度,C,t,的比值,L = m/(A,C,t,m,为白车身质量,kg,不包括车门和玻璃,A,为四轮投影,面积,轴距伊轮距,(m,2,C,t,为车身静态扭转刚度,kN,m/,64,二、车身结构轻量化的方法与途径,实现轻量化的,途径,有三条,一是,整车优化结构设计,如采用优化设计除去,零部件的冗余部分,使零部件薄壁化、中空化,部件复合化以减少零件数量,设计全新的结构等,二是,优化材料设计,即用低密度材料代替钢铁,材料的应用，主要是轻量化材料以减轻零部件,重量，轻量化结构和轻量化材料

27、两者相辅相成,相互作用,三是,轻量化制造,即通过先进的轻量化制造技,术的应用，实现轻量化设计和轻量化材料,65,1,结构轻量化,结构轻量化设计的,核心,是：通过对车,身结构和相关零部件的优化设计,确保,其在采用轻量化材料后的性能和功能,完全满足整车要求,结构优化可以按设计变量的类型划分,成,三个层次,即,结构尺寸优化、形状优,化和拓扑优化,66,尺寸优化,尺寸优化,是指在给定结构的类型、材料、布局和外,形几何的前提下，优化各个组成构件的截面尺寸,使结构最轻或最经济,67,形状优化,形状优化,是指在结构的类型、材料、布局已定的前提下对,结构的几何形状进行优化，如对布局已定的桁架的节点位,置进行优

28、化、对连续体的边界形状进行优化、对实体结构,内部开孔的尺寸、形状进行优化,68,拓扑优化,拓扑优化,方法是在一个给定的空间区域内，依据已知的外,载及支承等约束条件，寻找承受单载荷或多载荷的物体的,最佳结构材料分配方案，从而使结构的刚度达到最大或使,输出位移、应力等达到规定要求的一种结构设计方法,69,客车车架优化设计实例,70,SUV,车架优化设计实例,71,2,材料轻量化,采用,车身轻量化材料,是实现汽车轻量化的,重要手段。目前，车身轻量化材料主要以,高强度钢、铝镁合金和非金属材料,为主,发达国家相继制定了,汽车技术路线图,轻,量化材料技术是其中的重要内容之一。在,规划的框架下，政府策划并组

29、织，企业合,作，共同开展重大新材料技术研究,72,SUPER LIGHT CAR,项目,欧盟,SUPER LIGHT CAR,超轻汽车项目,通过,该项目的实施,通过先,进的多材料车身结构,设计，将白车身质量,减轻了,35,大众,C,级,车的白车身质量由,281kg,减小到,180kg,73,3,制造轻量化,轻量化制造技术,指的是以车身轻量化设计,为基础，在综合考虑所采用轻量化材料的,特性和产品控制成本要求的前提下而采用,的制造技术,目前最广泛使用的,主要有,激光拼焊技术,液压成形技术、高强度钢热成形技术、高,强度钢辊压成形技术、电磁成形等先进的,成形技术及连接技术、表面处理技术和切,削技术等,74,1,激光拼焊技,是将经不同表面处理、不同材质、不同厚度的钢板通过激,光焊接组合成一个毛坯件，然后再将其冲压成所需的零部,件。与传统点焊工艺的产品相比，激光拼焊技术特点如下,1,减少零件数量,由于拼焊板可以一体成形，提高了车身覆盖件的精度，减,少了大量冲压加工的设备和工序,2,减轻结构件的质量,由于采用不同厚度的板料焊在一起，然后一次冲压成,形,而不再需要焊接加强板，因此可以降低钢材消耗，