车身结构设计

除了美观还有科学轿车造型与空气动力学空气阻力众所周知，车速越快阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比。如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性，因此轿车的设计师是非常重视空气动力学。在介绍轿车性能的文章上经常出现的“空气阻力系数”就是空气动力学的专用名词之一，也是衡量现代轿车性能的参数之一。空气阻力系数汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响，其中纵向空气力量是最大的空气阻力，大约占整体空气阻力的百分之八十以上。它的系数值是由风洞测试得出来的，与汽车上的合成气流速度形成的动压力有密切关系。当车身投影尺寸相同，车身外形的不同或车身表面处理的不同而造成空气动压值不同，其空气阻力系数也会不同。由于空气阻力与空气阻力系数成正比关系，现代轿车为了减少空气阻力就必须要考虑降低空气阻力系数。从50年代到70年代初，轿车的空气阻力系数维持在0.4至0.6之间。70年代能源危机后，各国为了进一步节约能源，降低油耗，都致力于降低空气阻力系数，现在的轿车空气阻力系数一般在0.28至0.4之间。轿车外形设计为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用园滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用园滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，前风窗与水平面的夹角一般在25度一33度之间，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等，这些措施有助于减少空气阻力系数。在80年代初问世的德国奥迪100C型轿车就是最突出的例子，它采用了上述种种措施，其空气阻力系数只有0.3,成为当时商业代轿车外形设计的最佳典范。据试验表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油节省百分之七左右。曾有人对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数（分别是0.44和0.25）的轿车进行比较，以每小时88公里的时速行驶了100公里，燃油消耗后者比前者节约了1.7公升。考察轿车车形的发展史，从本世纪初的福特T型箱式车身到30年代中型的甲虫型车身，从甲虫型车身到50年代的船型车身，从船型车身到80年代的楔型车身，直到今天的轿车车身模式，每一种车身外形的出现，都不是某一时期单纯的工业设计的产物，而是伴随着现代空气动力学技术的进步而发展的。空气阻力系数在过去的轿车手册中从未出现过，今天则是介绍轿车的常用术语之一，成为人们十分关注的一种参数了。车身结构设计轿车车身结构设计是以车身造型设计为基础进行车身强度设计和功能设计，以期最终找到合理的车身结构型式的设计过程的统称，其设计质量的优劣关系到车身内外造型能否顺利实现和车身各种功能是否能正常发挥。所以说，它是完成整个车身开发设计的关键环节。结构设计必须兼顾造型设计的要求，同时应充分考虑诸如结构强度、防尘隔噪性能、以及制造工艺等多种设计要求。优良的结构设计可以充分保证汽车整车质量的减小，进而达到改善整车性能、降低制造成本的目的。一、轿车车身的整体结构设计完成车身结构设计首先需要明确车身整体的承载形式，并对其作出载荷分析，以便能使载荷在整个车身上分配合理。在此基础上，进一步作出局部载荷分析，确定各梁的结构形式和联接方式。因通常轿车存在使用目的和级别上的不同，故常常会产生具体结构上的差异，最终导致它们在功能和价格上的差别。总之，车身结构设计是一个涉及到多方面因素的综合工程设计问题，常成为车身设计开发中的难点。一、轿车车身的整体结构设计车身结构设计首先应以结构轻量化为准则，力求做到强度分配在车身整体上的合理性。为此，必须首先确定车身的主要载荷形式，其次了解载荷传递方式，进而选择合理的计算方法。根据汽车的实际使用特点，一般将弯曲、扭转和碰撞作为设计时车身所受三种典型载荷工况。由于轿车车身在整体上可以看作是一个由薄壁梁和薄板组成的框架结构，当假设作用力均作用在结构的节点上，且左右对称分布时，经过对节点受力作适当简化后，可建立车身承受弯曲载荷和扭转载荷的力学模型。利用该模型，采用一般的力学方法即可计算获得车身整体的载荷分布及变形图。若计算发现局部存在过大变形或过大载荷，应适当改变该处梁的断面形式，即通过改变断面系数来调整变形量和应力的大小。碰撞载荷是汽车车身在使用过程中遇到的极端载荷情况。为了有效地保护成员的安全，车身结构在整车上应符合两端软中间硬的原则，以保证纵向碰撞发生时，车身前部或后部吸收80%以上的碰撞能量。为此，可以通过合理分配力流和增加局部吸收碰撞能量的能力达到此目的。由于纵向碰撞发生时，能量的70%需由车身纵梁吸收，因此纵梁的作用尤为重要。碰撞时可依靠局部变形吸收能量，从而减少中部成员舱变形的可能性。局部变形可以依靠梁的局部弯曲或局部发生皱折实现。利用现代技术对中空管状梁内施以填充材料，还可以大大提高其吸收能量的能力。设计中，一般应在车身前部和后部预留50〜80cm的空间供变形用。此外，因碰撞能量的30%要靠轮罩吸收，故需充分注意它与地板和纵梁的联接。二、局部梁结构设计梁结构设计除了考虑强度上的要求外，还应满足功能上的要求。由于轿车存在级别上的差异，对功能的要求也不尽相同，如宝马BMW)3系列和7系列轿车A门柱断面结构。由于A门柱不但要将来自悬架的垂直力和前方纵向的碰撞力传向车顶和门槛梁，且在侧碰撞时，还将与B、C门柱一起构成抵抗侧向力的主要屏障，因此，在更高级别的7系列车型的A门柱梁中设置了内衬板结构，从而可使该梁的强度大大提高提高。此外，因为两车在级别上的差异，7系列车门比3系列车门多增加了一道密封圈，使其隔噪隔尘能力大为提高，所以，A门柱在结构上也需采取相应的措施。侧碰撞发生时，碰撞能量的大部分必须由B门柱承担，但通常该梁抵抗横向力的能力十分有限。为了在结构上保证侧碰撞时汽车的安全性，除了尽可能增大其截面积和采用腹板结构加强它与门槛的联接强度外，还应将车身侧围结构作整体考虑，即借助车门、车锁、门槛梁以及4C门柱的相互联系，有效地将能量吸收区域扩展到车顶和地板。地板总成的关键部件是门槛梁和分置在其间的横梁。横梁可以起到防止地板折叠的作用。一般侧向要预留200〜300mm的空间，供侧向的皱折变形之用。为了提高提高门槛抗弯强度，应尽量加大其断面尺寸。此外，也可以在门槛梁内增设衬板结构。车门内设置横梁已成为目前提高车身抗侧撞安全性的手段之一，如能将横梁设置在车身侧向受撞击的高度上，效果会更加明显。为了提高车身整体强度，梁的联接方式十分重要，应该避免采用那些缺乏传递某一方向的力或绕某一轴的力矩能力的联接结构，才能减少因联接不当造成的局部强度减弱。汽车车身结构分类汽车车身结构从形式上说，主要分为非承载式和承载式两种。非承载式车身的汽车有刚性车架，又称底盘大梁架。车身本体悬置于车架上，用弹元件联接。车架的振动通过弹性元件传到车身上，大部分振动被减弱或消除，发生碰撞时车架能吸收大部分冲击力，在坏路行驶时对车身起到保护作用，因此车厢变形小，平稳性和安全性好，而且厢内噪音低。但这种非承载式车身比较笨重，质量大，汽车质心高，高速行驶稳定性较差。承载式车身的汽车没有刚性车架，只是加强了车头，侧围，车尾，底板等部位，车身和底架共同组成了车身本体的刚性空间结构。这种承载式车身除了其固有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷。这种形式的车身具有较大的抗弯曲和抗扭转的刚度，质量小，高度低，汽车质心低，装配简单，高速行驶稳定性较好。但由于道路负载会通过悬架装置直接传给车身本体，因此噪音和振动较大。非承载式车身和承载式车身都有优缺点，使用在不同用途的汽车上。一般而言，非承载式车身用在货车、客车和越野车上，承载式车身一般用在轿车上，现在一些客车也采用这种形式。非承载式车身和承载式车身按照有无刚性车架划分，什么叫车架，是首先要弄清楚的问题。车架就是支承车身的基础构件，一般称为底盘大梁架。发动机、变速器、转向器及车身部分都固定其上，它除了承受静载荷外还要承受汽车行驶时产生的动载荷，因此车架必须要有足够的强度和刚度，以保证汽车在正常使用时受到各种应力下不会破坏和变形。车架有边梁式、钢管式等形式，其中边梁式是采用最广泛的一种车架。边梁式车架由两根长纵梁及若干根短横梁铆接或焊接成形，纵梁主要承负弯曲载荷，一般采用具有较大抗弯强度的槽形钢梁。也有采用钢管，但多用于轻型车架上。一般纵梁中部受力最大，因此设计者一般将纵粱中部的截面高度加大，两端的截面高度逐渐减少，这样一来可使应力分布均匀，同时也减轻了重量。横梁有槽形、管形或口形，以保证车架的扭转刚度和抗弯强度。横梁还用以安装发动机、变速器、车身和燃油箱等。为适应不同的车型，横梁布置有多种型式，如为了提高车架的扭转刚度采用X型布置的横梁。边梁式结构简单，工艺要求低，制造容易，使用广泛。但由于粗壮的大梁纵贯全车，影响整车布置和空间利用率，大梁的横截面高度使车厢离地距离加大，乘客上下车不方便，另外重量也大，整车行驶经济性变差。这些缺点对小客车、轿车是缺点，对于越野车可能就是优点，因为越野车要求有很强的通过性，行驶崎岖路面时要有一定大的离地间隙，而非常颠簸的道路会令车体大幅扭动，只有带刚性车架的承载式车身结构才能抵御这种冲击力。因此越野车上普遍采用非承载式车身。汽车车身概说车身壳体按照受力情况可分为非承载式、半承载式和承载式（或称全承载式）三种。非承载式车身的特点是车身与车架通过弹簧或橡胶垫作柔性连接。在此种情况下，安装在车架上的车身对车架的加固作用不大，汽车车身仅随本身的重力，它所装载的人和货物的重力及其在汽车行驶时所引起的惯性力和空气阻力。而车架则承受发动机及底盘各部件的重力，这些部件工作时通过其支架传递的力以及汽车行驶时由路面通过车轮和悬架传来的力（最后一项对车架或车身影响最大）。半承载式车身的特点是车身与车架用螺钉连接、铆接或焊接等方法刚性地连接。在此种情况下，汽车车身除了承受上述各项载荷外，还在一定程度上有助于加固车架，分担车架的部分载荷。承载式车身的特点是汽车没有车架，车身就作为发动机和底盘各总成的安装基础。在此种情况下，上述各种载荷全部由汽车车身承受。为了减小汽车的整车质量和节约材料，大多数中级、普通级、微型轿车和部分客车车身常采用承载式结构。货车驾驶室只占汽车长度的小部分，不可能采用承载结构。没有完整的封闭构架的开式车身（敞篷车）也很难采用承载式结构。高级轿车车身如果为了提高汽车的舒适性，减轻发动机及底盘各总成工作时传来的振动及汽车行驶时由路面通过车轮和悬架传给车身的冲击，则可采用非承载式结构。轿车车身和货车驾驶室轿车车身和货车驾驶室都没有明显的骨架，而是由外部覆盖零件和内部钣件焊合而成的空间结构。承载式车身的地钣有较完整（厚度也较大）的纵、横承力元件，其前部有两根断面尺寸较粗大的纵梁11，它们往往与两侧的前挡泥钣8和前面的散热器固定框9等焊接成刚性较好的空间构架，以便直接安装发动机和前悬架等部件并承受其工作载荷。与此相反，非承载式轿车（长头式货车的情况亦相同）的车身前部就较薄弱，其车前钣制件通常不是焊接在车身壳体上，而是用螺钉相互连接起来并安装在车架上。有关氙气大灯氙气大灯也叫HID气体发电式灯，它是用包裹在石英管内的高压氙气替代传统的钨丝，提供更高色温、更聚集的照明。前大灯照明不足时发生交通事故的祸因之一。资料显示，有60%的车祸发生在夜间，另有22%的行车意外时在视野不清的状况下发生的。所以，现在有很多人把氙气大灯同ABS、安全气囊等设备列为行车的必备设备。氙气大灯的选用也有误区：1、 氙气灯费电由于氙气灯是采用高压电流激活氙气而形成一束电弧光，可以在两电极之间持续放电发光。普通卤素灯的功率达到65瓦，而氙气大灯仅需35W，降低近1倍。所以，氙气灯可以明显减轻车辆的电力系统的负担。2、 氙气灯寿命短氙气灯不用钨丝，没有被氧化和烧断的顾虑，其寿命是普通灯泡的5倍。钨丝灯泡有90%的电能转化为热能，温度高达650度；氙气灯的温度只有450度，大大降低了周围塑胶灯具的损耗，减少了用车成本。3、 氙气灯色温越高越好氙气的色温在4000K——6000K之间，远远高于普通灯泡。它亮度越高，氙气灯的光色越接近白色，色温越高视觉效果接近蓝色。一般氙气灯在8000K 10000K时的照效果反而下降，只是灯光颜色比较特出而已。

汽车车身的主要构成部件发动机盖发动机盖（又称发动机罩）是最醒目的车身构件，是买车者经常要察看的部件之一。对发动机盖的主要要求是隔热隔音、自身质量轻、刚性强。发动机盖的在结构上一般由外板和内板组成，中间夹以隔热材料，内板起到增强刚性的作用，其几何形状由厂家选取，基本上是骨架形式。发动机盖开启时一般是向后翻转，也有小部分是向前翻转。向后翻转的发动机盖打开至预定角度，不应与前档风玻璃接触，应有一个约为10毫米的最小间距。为防止在行驶由于振动自行开启，发动机盖前端要有保险锁钩锁止装置，锁止装置开关设置在车厢仪表板下面，当车门锁住时发动机盖也应同时锁住。车顶盖车顶盖是车厢顶部的盖板。对于轿车车身的总体刚度而言，顶盖不是很重要的部件，这也是允许在车顶盖上开设天窗的理由。从设计角度来讲，重要的是它如何与前、后窗框及与支柱交界点平顺过渡，以求得最好的视觉感和最小的空气阻力。当然，为了安全车顶盖还应有一定的强度和刚度，一般在顶盖下增加一定数量的加强梁，顶盖内层敷设绝热衬垫材料，以阻止外界温度的传导及减少振动时噪声的传递。行李箱盖行李箱盖要求有良好的刚性，结构上基本与发动机盖相同，也有外板和内板，内板有加强筋。一些被称为“二厢半”的轿车，其行李箱向上延伸，包括后档风玻璃在内，使开启面积增加，形成一个门，因此又称为背门，这样既保持一种三厢车形状又能够方便存放物品。如果采用背门形式，背门内板侧要嵌装椽胶密封条，围绕一圈以防水防尘。行李箱盖开启的支撑件一般用勾形铰链及四连杆铰链，铰链装有平衡弹簧，使启闭箱盖省力，并可自动固定在打开位置，便于提取物品。翼子板翼子板是遮盖车轮的车身外板，因旧式车身该部件形状及位置似鸟翼而得名。按照安装位置又分为前翼子板和后翼子板，前翼子板安装在前轮处，因此必须要保证前轮转动及跳动时的最大极限空间，因此设计者会根据选定的轮胎型号尺寸用“车轮跳动图”来验证翼子板的设计尺寸。后翼子板无车轮转动碰擦的问题，但出于空气动力学的考虑，后翼子板略显拱形弧线向外凸出。现在有些轿车翼子板已与车身本体成为一个整体，一气呵成。但也有轿车的翼子板是独立的，尤其是前翼子板，因为前翼子板碰撞机会比较多，独立装配容易整件更换。有些车的前翼子板用有一定弹性的塑性材料（例如塑料）做成。塑性材料具有缓冲性，比较安全。前围板前围板是指发动机舱与车厢之间的隔板，它和地板、前立柱联接，安装在前围上盖板之下。前围板上有许多孔口，作为操纵用的拉线、拉杆、管路和电线束通过之用，还要配合踏板、方问机柱等机件安装位置。为防止发动机舱里的废气、高温、噪声窜入车厢，前围板上要有密封措施和隔热装置。在发生意外事故时，它应具有足够的强度和刚度。对比车身其它部件而言，前围板装配最重要的工艺技术是密封和隔热，它的优劣往往反映了车辆运行的质量。车门、车窗及其附件和密封车门是车身上重要部件之一。按其开启方式可分为顺开式、逆开式、水平移动式、上掀式和折叠式等几种。顺开式车门即使在汽车行驶时仍可借气流的压力关上，比较安全，而且便于驾驶员在倒车时向后观察，故被广泛采用。逆开式车门在汽车行驶时若关闭不严就可能被迎面气流冲开，因而用得较少，一般只是为了改善上下车方便性及适于迎宾礼仪需要的情况下才采用。水平移动式车门的优点是车身侧壁与障碍物距离较小的情况下仍能全部开启。上掀式车门广泛用作轿车及轻型客车的后门，也应用于低矮的汽车。折叠式车门则广泛应用于大、中型客车上。在有些大型客车上，还备有加速乘客撤离事故现场以及便于救援人员进入的安全门。轿车、货车驾驶室的车门以及客车驾驶员出入的车门通常由门外钣、门内钣、窗框（有的车上还装有三角窗）等组成。门内钣是各种附件的安装基体。在其上装有：门铰链、升降玻璃及其导轨、玻璃升降器、门锁、车门开度限位器等附件。有的轿车门内还布置有暖气通风管道和立体声收放音机的扬声器等等。车门借铰链安装在车身壳体上。在汽车行驶时，车身壳体将产生反复扭转变形。为避免在此情况下车门与门框摩擦产生噪声，车门与门框之间留有较大的间隙，靠橡胶密封条将间隙密封。汽车的前、后窗通常采用有利于视野而又美观的曲面玻璃，借橡胶密封条嵌在窗框上或用专门的粘合剂粘贴在窗框上。为便于自然通风，汽车的侧窗玻璃通常可上、下或前、后移动。在玻璃与导轨之间装有呢绒或植绒橡胶等材料的密封槽。某些汽车的侧窗还采用有利于汽车布置的圆柱面玻璃。侧窗玻璃采用茶色或降热层可使室内保温并具有安闲宁静的舒适感。具有完善的冷气、暖气、通风及空调设备的高级客车常常将侧窗玻璃设计成不可移动的，以提高车身的密封性。轿车车身上的三大立柱由各种各样的骨架件和板件通过焊接拼装而成的轿车车身，也就是行业俗称的“白车身”，它的各个部分都有相关的名称，不论在汽车制造厂、修理厂或者配件商店，人们一听到某个名称就知道它是属于车上的哪一部分，安装在什么位置上。（见图）三厢式轿车车身结构图主要零部件：1、发动机盖2、前档泥板3、前围上盖板4、前围板5、车顶盖6、前柱7、上边梁8、顶盖侧板9、后围上盖板10、行李箱盖11、后柱12、后围板13、后翼子板14、中柱15、车门16、下边梁17、底板18、前翼子板19、前纵梁20、前横梁21、前裙板22、散热器框架23、发动机盖前支撑板车身的骨架件和板件多用钢板冲压而成，车身专用钢板具有深拉延时不易产生裂纹的特点。根据车身不同的位置，一些要防止生锈的部位使用锌钢板，例如翼子板、车顶盖等；一些承受应力较大的部位使用高强度钢板，例如散热器支承横梁、上边梁等。轿车车身结构中常用钢板的厚度为0.6〜3毫米，大多数零件用材厚度是0.8〜1.0毫米。在轿车车身构造中，有些重要零件的位置涉及到车辆的整体布置、安全及驾乘舒适性问题，例如立柱。一般轿车车身有三个立柱，从前往