《汽车车身设计》黄金陵主编汽车车身设计第九章

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复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,传统钢结构车身设计制造，材料和设备费用是成本的主要部分，而设计费用的投入仅占,5%,；但是设计对产品起决定性的作用,良好的设计不仅体现在产品的性能上，而且还体现于良好的加工工艺和制造成本,世界能源短缺，环境保护，轻量化成为关注的焦点,轻量化，主要从两方面着手研究,结构轻量化,材料轻量化,材料轻量化：采用轻金属材料和非金属材料，是最直接、最有效的轻量化措施,白车身由数百个冲压零件装配而成，其装配过程：,车身结构的划分,与零件的冲压工艺性、焊装工艺性、制造装配精度都有很大关系，影响产品的系列化、标准化，影响生产率、生产组织、工时的平衡和设备的复杂程度,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,冲压零件,合件,分总成,总成,白车身装配过程,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,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、门外板、翼子板等与外形有关的大型零件,要求是制造精度高，表面光滑，棱角线条清晰，与相邻部件棱线吻合，有一定的刚度,2,）内部大型板件,如前围内板、地板、门内板等,要求足够的刚度，零件上的安装尺寸要准确,3,）骨架结构件,在车身上起支撑作用,如支柱、门窗框及各种纵、横梁等结构件,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）车身零件的分块及拉延工艺的考虑,1, 零件大型化,钢板宽度足够、冲压工艺允许、设备条件具备情况下，应使零件分块大些,优点,减小表面可见焊缝和焊接工作量,提高车身制造精度，外观完整性,减轻重量,避免由于点焊等联接不连续造成的刚度和强度下降,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）车身零件的分块及拉延工艺的考虑,2,零件设计中拉延工艺的考虑,拉延方向保证凸模能完全进入凹模，不得有凸模达不到的负角；零件的形状应尽可能简单匀称,零件的拉延深度要恰当，争取一次拉延成型,具有反拉延的覆盖件，为增加变形分布区域，零件设计时应加大这部分的圆角半径,车身内覆盖件上的附件（如车门内板上的装玻璃升降器），常要求在相应的制件上成型出各种形状的鼓包，以安放螺钉等固定件,有些装饰性标记或线条、局部加强筋等，都是在拉延快终了时成型，应注意防止破裂,在设计阶段成形分析软件来评价零件的冲压可行性和工艺性,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）车身零件的分块及拉延工艺的考虑,3,分块应考虑易损件,车身易损件必须单独划分出来，并做成可拆卸的，以便损坏后更换,4,分块线应尽可能与外部造型线相适应，并避免在空间圆曲面上分块,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）有关零件冲裁、压弯等工艺要求,1,车身上的许多装配附件的小孔或连接用孔等，应尽可能采用规则形状,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,孔位分布,冲孔方向,（二）有关零件冲裁、压弯等工艺要求,2,弯曲零件弯曲角大于,90,时，弯曲半径影响不大；但如小于,90,时，弯曲半径,r,应相应增大,3,局部压弯的零件，为避免在压弯处撕裂，应预先切出深度为,k,的槽，且,k,r,，或将压弯线外移一定距离,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）有关零件冲裁、压弯等工艺要求,4,曲面上翻边，或平面上翻曲边，将在边缘上产生压应力或拉应力，设计时应随曲率的增大使翻边的宽度相应的减小,5,翻边大多数用于与其它零件连接，也可用于加强零件刚度。翻边最好设计在大致同一平面上,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）有关零件冲裁、压弯等工艺要求,孔的翻边高度,h,应小于（孔径）；若条件允许，改成沉孔较好；先冲出凹台后，再冲孔,切口太小，模具成本高；切口每边角度,5,，有利于模具修整和强度,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,传统车身上广泛采用的焊接方法是接触焊,接触焊包括点焊、凸焊、缝焊等,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）车身零件接头的设计,1,）车身零件受力复杂，且零件间通过焊点相互传力，设计的连接型式要具有连续性。应使焊点承受剪切力,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,图,a,结构难以传递,X,方向的力和绕,Y,、,Z,轴的力矩，且翻边容易发生弯曲弹性变形,图,b,搭接处焊点承受剪切负荷，能更好地传递各方面载荷,图,a,零件间力的传递发生在焊接翻边上，而不是发生在零件主表面上,图,b,的焊接方式，力的传递是发生在零件主表面，比图,a,焊接方式好,（一）车身零件接头的设计,2,）在设计车身零件的连接型式时，应保证悬挂式焊钳或固定式焊极对连接部位的接近方便性,车身上较多采用搭接型式或翻边对接，焊接品质好，且便于大量生产,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,a,）搭接,b,）翻边对接,（一）车身零件接头的设计,简单合件的焊接，可以采用各种方法使零件自动定位,焊接闭口截面必须将焊缝外引，否则焊接品质最不易保证,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,流水槽与顶盖的连接,1,内边槽,2,外边梁,3,顶盖,4,流水槽,图,a,，顶盖上流水槽的焊接型式焊枪引入困难，采用了间接搭接的型式，焊接品质难以保证,图,b,，顶盖和流水槽采用双面点焊连接型式则较好，使流水槽相对顶盖的位置稳定,（二）焊点布置,焊点的直径,d,和点距,s,1,）最佳的焊点直径约为,2,）焊点间距。焊点数越多，连接强度愈高,3,）焊点布置离板边不宜太近,4,）焊点不应布置在圆角拐弯处或不甚平整的部位,5,）尽可能少采用三层板的焊接结构,6,）大型的点焊结构，焊点尽可能对称布置,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）激光切割,可按照编制的程序高速、高质量地制造任何形状，不需要模具。灵活，节省材料,（二）激光焊接,优点,只需单面激光接触,焊接质量紧实稠密，可提高结构强度和刚度,如果用翻边时，可减小焊接翻边宽度,增加设计灵活性,热变形小,高效率,是无接触焊接，减小了噪声,激光可以做到穿过,3,层以上材料厚度,节约资金，便于组织柔性生产,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（三）拼焊板,将,2,块或以上不同的平直的钢板材料，通过激光焊接先拼焊在一起，然后进行成形加工,使用拼焊板的意义：,整体冲压，减少了零件数和模具，降低了成本,提高了材料利用率，减轻了重量,提高了尺寸精度,零件数减少，零件间的搭接和密封要求减少，提高了防腐性能，节省了焊接装配成本,可以改进车身结构的安全性能和耐久性,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（四）拼焊管与液压成形技术,管材可通过液压成形获得各种形状的钢管产品,拼焊管液压成形技术的应用，通常是将周边零件重新组合在一起。在与周边零件组合时，管端直径被扩胀并轴向地伸入定位工具，然后在接头处全面激光焊接,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,传统白车身所采用的金属材料主要是钢材，除必须保证适当的强度等要求，必须满足成批或大量生产冷冲压和装配工艺的要求,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）普通低碳钢板,1,钢板的成形性能,冷冲压钢板是以金属的塑性变形为基础的加工方法。伸长率是衡量塑性变形能力的指标,冷轧钢板：比热轧钢板冲压加工性能好，表面美观。在汽车上应用较多,广泛采用板厚,热轧钢板：是在,t,800,时轧制而成的，加工性不如冷轧钢板，厚度一般为之间。板厚为的热轧钢板主要用于车身下部构件、内护板、车门内板等，大于以上的用于结构加强板和铰链等,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）普通低碳钢板,冷轧钢板按冲压级别分为最复杂拉延级（,ZF,）、很复杂拉延级（,HF,）、复杂拉延级（,F,）、最深拉延级（,Z,）、深拉延级（,S,）和普通拉延级（,P,），其冲压成形性逐次降低,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）普通低碳钢板,2,车身冲压件成形分类及钢板型号的选用,按冲压成形工艺分为深拉延成形，胀形,深拉成型，浅拉延成形，弯曲成形和翻边成形五大类,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）普通低碳钢板,2,车身冲压件成形分类及钢板型号的选用,冷轧钢板的冲压级别,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,是在普通碳素钢的基础上加入少量的合金元素制成,生产成本与普通碳素钢板相近，但其抗拉强度比普通钢板高得多，用以制造车身构件，可以明显减轻重量和造价,优点,1,）可减轻零件的重量,2,）加工硬化率高，可吸收更多的冲击能量，用于前后纵梁等处可提高汽车的安全性,3,）用于车身外部件，具有烘烤硬化性，可增强零件，提高外表面件的抗凹陷性能,主要限制：,随着钢板强度级别的提高，钢板的成形性变差,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,高强度钢板（,HSS,）指屈服强度为,210550MPa,的钢板，屈服强度大于,550MPa,的为超高强度钢板（,UHSS,或,AHSS,）,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,ULSAB-AVC,项目是通过全面开发两类车型,欧洲的,C,级车型（,C-Class,）和北美的中级轿车,PNGV,的概念设计方案,目标：,满足,2004,年安全法规，显示钢结构汽车的高安全性亮点,利用在,2004,年可以获得的先进钢材和加工方法,适合于大量生产,车身结构和闭合件等应是全钢的，钢材的供应没有问题,使重量最轻，成本最小化,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,1,平台概念,1,）,C,级和,PNGV,级两种车型共用一个平台,2,）两种车型共用一种车身结构平台，只是车门型式不同，车身长度尺寸略有不同；强调共用一个车头,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,2,精心设计载荷路径和接头,车头的结构设计包括动力总成的布置和前端结构载荷路径布置设计,A,立柱之前的前端结构是前碰撞的主要吸能部分,按照,100%,正碰和,40%,偏置碰撞的要求，综合精密考虑结构的载荷路径，设置了斜撑盒形梁，将前围档板与抗碰撞盒上、下和下封闭地板联接在一起，传递纵梁和拐角之间的载荷,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,底架前端结构,前碰撞能量由两根纵梁传递，每个纵梁由两段钢管拼焊液压成形,悬架支承力通过副车架传入车身,前碰撞载荷路径是由保险杠梁和抗撞盒传及整个纵梁,抗撞盒由两个冲压件组成盒形截面，焊在保险杠和纵梁之间,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,车身侧围结构,没有设置门槛内的和,A,柱下段的加强板。但为补偿强度，门槛内板与车身侧围外板都是用拼焊板制造,前门铰链座插入,A,柱，且被焊于,A,柱内板和车身侧围外板。底架的左、右门槛内板之间，用穿透的矩形横梁拉住,车身侧围用两根拱形管材构件传递,A,柱到后纵梁的载荷,在前端，载荷是从前纵梁通过前围板碰撞盒传入,A,立柱。管材液压成形时，管径被扩胀并轴向地伸入定位工具，然后在,A,柱接头处全面焊接,在后端，这个侧围构件安装在作为后纵梁上部零件的后地板上，通过一个支架和后纵梁联接,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,车身后端底架结构,后端纵梁部分由后地板、后纵梁和门槛内板及轮罩内板组成，都由拼焊板制作,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）高强度钢板及车身,3,采用最好的钢材和最先进而可行的制造技术,采用最好的钢种，以利于最好地满足加工性能和每个零件的性能要求,对复杂零件的成形性通过用一步成形法模拟,部分零部件（如强度或性能要求复杂的零件）设计采用拼焊板或液压成形技术,对全部复杂零件要进一步进行增量法的,FEA,模拟,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（三）表面镀锌钢板,锌具有适应性很强的耐腐蚀性能,随着轿车工业的发展，镀锌钢板用量逐年增加,多用于容易腐蚀的车身零件，如挡泥板（轮罩），地板等车身底部及车顶，车门板。有些轿车车身几乎全部重要冲压件都采用镀锌钢板,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（四）选用冷冲压钢板应考虑的主要因素,钢板冷冲压成形性能,钢板使用的经济性,钢板制件的使用性,钢板的可焊性,钢板的涂漆性能,钢板厚度的选用,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（一）结构的防腐设计,车身结构的防腐设计是保证车身防腐性能的关键，直接影响其它防腐措施的效果,要使结构能阻止腐蚀介质侵入或积存在结构缝隙间、凹形构件和封闭结构内部,在容易积存水的部位应设置排水孔，设计成易排水，易干燥的结构是至关重要的,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）车身表面防护处理,车身表面防护处理，主要通过涂漆提高车身的耐蚀性,车身表面处理过程：,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,磷酸锌处理,浸底漆,充填底漆,面漆,底板保护,（二）车身表面防护处理,有些情况普通表面处理不能解决，可采用点焊密封胶或粘接剂等填塞接缝,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（二）车身表面防护处理,车頂流水槽是易腐蚀部位，除了在其搭接处填充密封胶或粘接剂外，往往采用装饰件封闭，或采用非金属的流水槽,车身底板的防腐特别重要，在涂漆过程要追加处理，特别保护,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,（三）合理选择防腐性能好的钢板材料,车身上采用表面镀层钢板是车身防锈蚀的重要措施，特别对于车身上涂料难以达到的部位，使用表面镀层钢板对提高防腐性能意义重大,第一节,普通低碳钢车身,一、白车身结构系统的划分,二、车身板壳零件的设计,三、焊接接头设计,四、车身制造技术的发展,五、车身所用钢板材料,六、白车身结构的防腐设计,作为有效的结构材料，纯铝有很好的防腐性能，但机械性能太低,加以少量的其它合金元素后，铝的物理性能就大大提高。主要的合金元素是铜、钛、锰、硅、镁和锌。有时加少量的其它元素，可得到特殊要求的性质,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,1,铝板零件的成型性,铝板伸长率比钢低，拉延深度不能太深；弯曲半径也必须大一些,铝冲压件板厚平均是钢零件的倍，弯曲半径要增加，,用于夹持的焊接翻边需要宽些,受成形性限制，铝车身结构划分后的冲压零件数量要比钢冲压件多,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,1,铝板零件的成型性,需要考虑的是冲压件经常使用翻边孔洞，特别是在用螺栓连接传递较大载荷的部位，需要有翻边孔,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,2,铝车身结构的焊接,铝是一种高活化元素，容易氧化形成一层薄而硬的电阻膜，使铝具有很高的抗腐能力，但必须控制薄膜的厚度，并使薄膜有清洁的表面,铝的高导电性和高导热性不利于电阻点焊,铝电阻焊电流消耗要大，而焊接时间必须更短,电极趋于过热，必须水冷,与钢焊接比较，要用更大的焊极头和更高的焊接压力,触点容易弄脏,用大的焊极头则要求有更大的翻边,焊点距不能太近,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,2,铝车身结构的焊接,焊点静强度是被焊板材的厚度和板材本身强度的函数,焊点的剪切强度大大地高于拉伸或剥落强度，应使焊点承受剪切,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,3,其它铝连接方法,1,）焊,胶连接,即用粘结剂辅助点焊连接。粘结剂敷于选择好的点焊部位的翻边中间，点焊时，可穿透粘结剂,粘结剂连接不仅可用于那些不可焊接的材料，或焊枪不可伸及的几何部位,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,3,其它铝连接方法,2,）自钻铆接,有多种机械紧固件用于辅助点焊连接，如铆钉连接、铆接,-,粘结、压铆和、自钻铆等,自钻铆接强度超过点焊，使连接强度有了很大改进,自钻铆钉,在强大压力和程序控制下穿过上、下工件，在底部凹模的引导下铆钉头部分开并弯曲，形成一个高强度联接,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,性能分析,安全性,包括前障碍碰撞，后障碍碰撞，侧碰撞，顶盖挤压和安全带固定器等的强度分析,服务载荷,包括千斤顶，吊挂，拖拽，装运等的载荷和车门下垂载荷作用下的强度和刚度分析,NVH,性能,包括模态分析、总体静刚度、传递特性分析等,耐久性方面,应力和疲劳分析,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,安全性,构件必须具有特定的强度和大变形时吸收能量的能力，尤其是前纵梁必须能按希望控制的方式折叠,设计应要求在发生碰撞事故时能保持焊点的完整性,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,典型的带镀层的钢加强件，通过自钻铆紧固于铝横梁内，以便用于将座椅牢固地紧固于地板,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,纵梁截面几何形状,前悬架支承座和副框架后支承设计成铸件，质量大，具有良好的局部刚度，低的点机械导纳,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,对铝车身结构分析研究表明，在重量大大减轻的情况下，铝结构车身可获得良好的总体静弯曲刚度和扭转刚度,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,刚度的提高和质量的减轻，铝车身结构大大提高了模态频率,第二节,铝结构车身,一、结构铝的类型和性质,二、铝合金的加工性能及其对车身结构设计的影响,三、铝车身结构的研制和性能探讨,不同材料车身在前后座椅处的行驶噪声,塑料,1953,年汽车上第一次使用塑料,作为汽车车身的内、外饰件的主要材料得到普及应用,纤维增强复合材料出现，塑料材料在车身上的应用正在代替钢板，用作车身的板件和结构件,塑料分类（按机械性能）,通用塑料：用途广、产量大、价格低廉的普通塑料,工程塑料：具有一定机械强度和特殊性能的增强塑料,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,复合材料,按性能分类,功能型复合材料,结构复合材料,按基体分类,高分子基（,PMC,）复合材料,金属基（,MMC,）复合材料,陶瓷基（,CMC,）复合材料,按增强相的种类、形状分类,颗粒状,层状,纤维增强复合材料。应用最多,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,（一）复合材料车身特点,（,1,）重量轻,例：玻璃纤维增强材料（,GFRP,，玻璃钢），密度为,3,，制作车身可大大减轻重量,（,2,）耐腐蚀，车身寿命长,特别是玻璃纤维增强材料，几乎同玻璃一样具有不生锈和耐腐蚀的能力,（,3,）具有高韧性和抗冲击能力,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,（一）复合材料车身特点,（,4,）保温隔热性好,除碳纤维增强材料外，复合材料导电、导热能力差,（,5,）成型性好,纤维增强材料流动性和层压性好，使车身表面可制成形状各异的曲面,（,6,）车身部件大型化,用复合材料可以制造集许多单一零件和功能于一体的多功能部件，或大型整体部件,（,7,）着色性好,（,8,）材料利用率高,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,（二）车身用复合材料,车身上使用最多的复合材料是玻璃纤维增强材料（,GFRP,）和碳纤维增强材料（,CFRP,）,1. GFRP,的主要特点及其应用,质量轻，比强度、比刚度高，耐腐蚀性能好,使用,GFRP,材料的零部件：车身外板零件、车内板件、门窗内装饰框、换挡操纵杆等,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,（二）车身用复合材料,2.,纤维增强材料（,CFRP,）的特点及其应用,CFRP,的主要原料与,GFRP,基本相同，只是增强材料为碳纤维而不是玻璃纤维,与,GFRP,相比，,CFRP,密度低、抗拉强度高，耐蚀性、耐磨性好，有一定的减振和隔振性能,CFRP,材料广泛应用于汽车的各类板件、壳体件、各种支架、托架和许多重要的结构件,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,美国先进汽车技术能源事务部（,DOE/OAAT,）和汽车研究委员会（,USCAR,）联手，进行了结构用复合材料技术开发，由,USCAR,下设的汽车复合材料委员会（,ACC,）承担，开始于,20,世纪,80,年代末,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,研究焦点：复合材料研究、加工方法研究、装配技术和碰撞能量管理研究。,项目分三个阶段,第一个阶段,1,）构造概念方案,2,）结构优化，选出一个概念白车身,3,）详细有限元分析和结构优化,4,）提出对材料的基本要求和加工方法研究要求,5,）,确定所必须的进一步技术研究的内容,第二个阶段,材料的开发和增强,大量生产技术研究,第三阶段,完成其他装备及白车身部件加工,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,（一）项目目标要求,1,可以进行每年,10,万辆以上的大量生产,2,比钢结构白车身至少可节约,60%,质量,3,与钢结构的参考白车身有相同的布置空间,4,与钢结构的参考白车身有相同的，或更大的静弯曲和静扭转刚度性能,5,满足使用寿命（耐久性）要求,6,制造成本（价格）与参考车型比较是可行、可比的,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,（二）白车身的初步设计和分析,1,构造概念方案,最初方案研究时，对所有构造的方案进行分析和优化，但这个阶段的模型只约束总的几何外形，不考虑细节特征,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,（二）白车身的初步设计和分析,1,构造概念方案,所有方案材料性能相同，即碳纤维复合材料,刚度指标作为优化的约束条件,优化目标是质量最小化,板厚,t,的约束范围是：,t,10mm,优化前整个结构的板厚是,10mm,，通过拓扑优化程序计算，根据应变能密度，调整材料的分布,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,概念方案模型的零件厚度组成（,110mm,）,2,方案的详细分析研究,对所有载荷下的性能（耐久性、濫用载荷和碰撞等）进行分析,模型要考虑细节,要考虑碳增强纤维复合材料的组织结构和材料的利用率等因素,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,3,分析结果,刚度优化：使弯曲刚度和扭转刚度都超过了指标,耐久性分析：除个别支座附近超过最高疲劳极限，一般都没有达到，说明还有挖掘质量的潜力,车门过份开启工况分析：最大应力峰值位于靠近,B,柱上车门限位杆的作用区，但其值低于许用应力,模态分析：其模态频率大致达到目标频率的两倍,安全带拉力：安全带作用的最高应力区是在地板中央通道周围的安全带插座处；,B,柱强度没有问题，某些高应力区在,B,柱下段后侧,碰撞分析,前碰撞：乘室的结构应力没有超出许用应力,静态顶盖挤压：复合材料层中的应力都低于许用应力，但接近载荷作用点处，芯层的局部应力可能不满足顶盖挤压条件,零件厚度：减重效果良好，车身侧围内、外板板厚减薄了，零件厚度变化非常急剧,白车身的重量。预测白车身结构总质量为,86.2 kg,，达到了减重,60%,的目标,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,3,分析结果,采用增强纤维复合材料，是汽车轻量化的有效手段，但必须综合考虑对车身设计性能的要求,材料和加工方法的研究：,（,1,）大的复杂件厚度不得小于，且零件内区段厚度变化不得太大；,（,2,）对于不规则龟裂碳纤维复合材料，纤维量至少需要,40%,；零件内材料性质要稳定；,（,3,）尽可能缩短成型周期，以便提高生产率,第三节,复合材料车身,一、复合材料,二、复合材料车身开发,1,“,2mm,工程”的意义,车身工程是个庞大而复杂的系统工程，从设计到制造的每个阶段都影响车身的综合尺寸精度,根据,1997,年对全世界汽车产品质量关键问题调查评估的报告显示，有,41%,的汽车质量问题是由车身制造尺寸偏差所造成的,上世纪,80,年代末，美国轿车车身的综合制造偏差为,7-8mm,，显著高于日本的,2mm,水平，失掉了近,30%,的国内市场份额。,90,年代初，美国密西根大学发起，在美国商业部和通用、克莱斯勒等企业资助下，开展了车身制造“,2mm,工程”研究，在短短三年内就使车身制造水平赶上了世界先进水平，制造偏差由,7-8mm,减到,2mm,，迅速夺回了市场份额。可见，质量是企业的生命和市场的关键,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,2,“,2mm,”的概念,在测量坐标系下，一批白车身上同样的一个尺寸检测点所测得的数据可被认为是一个随机变量,大量的实践经验与理论分析表明，测量误差服从正态分布。若随机变量,x,服从正态分布，则,x,的概率密度为,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,2,“,2mm,”的概念,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,2,“,2mm,”的概念,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,2,“,2mm,”的概念,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,3.,车身制造质量评价指数,CII,指数,设有,m,个检测点,P1,，,P2,，,，,Pm,，在一段时间内每一个检测点被检测,n,次，得到,n,组,CMM,检测数据,分别求出每一个检测点在,x,、,y,、,z,三个不同方向的波动水平,6,值,对,3m,个（每个检测点一般有,x,、,y,、,z,三个检测方向）,6,值进行非递减排序，得到一组新的,6,系列,6,1,6,2,6,3m,求出该系列第,95%,个（取整）所对应的值,6,N,，即为,CII,值，称为持续改进指数，是美国“,2mm,工程”中旨在促进车身制造质量持续改进而引进的一个车身制造质量波动水平评价指数,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,3.,车身制造质量评价指数,CII,指数,CII,在促进车身制造质量的持续改进方面有着积极的意义，它简单明了的指出了质量改进的方向,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,为了产品质量，国外各大汽车公司都设有尺寸管理部门，其主要任务是将客户对质量的要求，转变为尺寸目标,GD&T (,总体尺寸和精度,),将精度目标分派到各级,定位参考策略,精度优化等,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,车身精度,车身零件的,尺寸精度,形位精度,装配精度,车身制造精度要从产品开发阶段就要考虑；从设计到制造的每个工艺过程，都要围绕着总目标加以落实，才能保证车身的总体装配精度,设计部门、生产部门和质量检验部门必须协同进行产品尺寸管理，共同开发创建产品的质量体系全过程,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（一）定位参考系统设计,定位参考系统（,RPS,），又称主控制点,MCP,或,PLP,是按产品结构分块，冲压件和焊接总成件尺寸特性的等级划分，以及按产品制造过程中精度（或误差）传递情况，在零件、合件、分总成和车身结构总成图纸上，逐级设计选定的产品定位参考系统或精度的主要控制点,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（一）定位参考系统设计,RPS,（或,MCP,）制定的步骤,在车身各级冲压零件、合件、分总成、整个产品数模结构设计完成以后，沿着整车,白车身,各大总成,各级分总成,各零件的顺序，自上而下地提出要求,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（一）定位参考系统设计,RPS,（或,MCP,）制定的步骤,（,1,）产品的功能研究,（,2,）产品的公差研究,（,3,）本设计图纸,RPS,（或,MCP,）的制定,（,4,）产品的公差计算,（,5,） 画出产品图纸,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（一）定位参考系统设计,RPS,（或,MCP,）的,321,规则,刚体在空间有,6,个自由度,在加工时，确定刚体的空间位置需要用,6,个定位点来限制其自由度,在直角坐标系下，用,3,个定位点确定一个坐标基准面,再用,2,个定位点确定第二个坐标方向,再用,1,个定位点确定第三个坐标方向,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（一）定位参考系统设计,RPS,（或,MCP,）的“统一性（连续性）”,RPS,（或,MCP,）应尽可能在统一的车身总体坐标系下制订，避免因通过基准的转换而影响产品的精度,从产品开发阶段直到产品生产出来，对,RPS,统一性要求应当贯彻始终,RPS,点不是全部一直在用，白车身的各级,RPS,点按从下到上逐级保留或转变为副定位点方式，相应传递和减弱,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（一）定位参考系统设计,建立,RPS,（或,MCP,）图,RPS,图是在完成正式图纸之前的一种工作用图，供同步工程小组确立,MCP,（或,RPS,）时填写文件和讨论使用,建立整个产品系统的,MCP,图，必须要对系统中的零、部件统一编号，统一规定命名，以便于识别,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（二）车门系统的定位参考系统示例,例：车门内板,RPS,图,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（二）车门系统的定位参考系统示例,例：车门外板,RPS,图,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（三）,RPS,图在焊接工装设计和车身调试过程中的作用,在焊装工艺开发中，焊装夹具的设计开发工作的周期最长，工作量最大，资金投入密集且风险性高,应按生产纲领能力的规划要求，认真确定各总成的划分，焊接工位数和工装夹具的装配工序内容，并进行预算，以及进行合同招标前的技术交流,工装夹具,RPS,图是进行这些商务和技术系统活动的指导性文件。因此，依据冲压零件和各焊接分总成的,RPS,图，设计工装夹具,RPS,图，是进行夹具设计的前期重要工作,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,（三）,RPS,图在焊接工装设计和车身调试过程中的作用,在生产准备关键时期的车身精度调试阶段，应以焊接工装及车身总成件的,RPS,点尺寸检测调整为核心，由对冲压零件,RPS,点精度的控制，逐级向上，检测分总成夹具和分总成件的,RPS,点的尺寸合格率,一般主控制点要求公差值,，副控制点则放松至,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,车身侧围,RPS,检测点示意,设计,RPS,，要考虑保证制造工艺过程可靠性，保证检测精度要求的统一性，重复使用,RPS,点的可利用性，以利于提高产品的精度和质量,RPS,定位系统的制定并不是唯一的，各企业可根据自己的经验和具体生产条件，制定适合于自身需求的定位系统,可通过建立,CII,曲线来显示和评价车身精度，并寻找持续改进车身精度的方向,第四节,车身制造精度和定位参考系统,一、车身制造和装配精度要求,“2mm,工程”,二、车身产品尺寸管理,三、车身制造定位参考系统设计和运用,