汽车车身结构

汽 车 车 身 结 构 第一章 汽车车身的基本结构 第二章 汽车车身结构的安全性 第三章 汽车车身的发展趋势第一章 汽车车身结构汽车车身结构 车身作为车辆的重要组成部分，对整车的安全性、动力性、经济性、舒适性及操控性有着重要的影响，同时汽车的个性化也是通过车身设计表现出来。车 身 结 构 车身结构包括：车身壳体、车前板制件、车门、车窗、车身外部装饰件和内部覆饰件、座椅以及通风、暖气、空调装置等。在货车和专用汽车上还包括货箱和其他装备。 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。车 身 壳 体 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 其特点是车身通过橡胶软垫或弹簧与车架作柔性连接。车架是支承全车的基础，承受着在其上所安装的各个总成的各种载荷。车身只承受所装载的人员和货物的重量及惯性力，在车架设计时不考虑车身对车架承载所起的辅助作用。 半承载式车身 其结构特点是车身通过焊接、铆接或螺钉与车架刚性连接，车架是承受各个总成载荷的主要构件，车身在一定程度上有助于加固车架，分担车架所承受的一部分载荷。 承载式车身 其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体，车身兼有车架的作用并承受全部载荷。 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。车身壳体结构 承载式车身的地板有较完整(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，它们往往与两侧的前挡泥板和前面的散热器固定框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。车 身 壳 体 车身壳体是一切车身部件的安装基础，通常是指纵、横梁和支柱等主要承力元件以及与它们相连接的钣件共同组成的空间结构。 轿车车身壳体主要有发动机盖、前围板、翼子板、行李箱盖、车顶盖。发动机盖(又称发动机罩)是最醒目的车身构件，对发动机盖的主要要求是隔热隔音、自身质量轻、刚性强。发动机罩 发动机罩是车身上覆盖发动机舱的盖板。为了便于接近发动机，发动机罩是可开启的，它可向后翻转、向前翻转或向侧翻转。翻转方向取决于罩盖尺寸的大小与发动机接近的方便性。发动机罩要求隔热隔音，自身质量轻、刚性强。 结构上一般有外板和内板，中间夹以隔热材料。货车的发动机罩有时与驾驶室底板合为一体，开启时连同驾驶室一起上翻。顶 盖 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。 为了安全，特别是为了防止翻车事故情况下的严重伤亡，要求顶盖有一定强度与刚度。一般在顶盖下增加一定数量的加强梁。行 李 箱 行李厢是乘客放置随身携带小件行李的场所。前置发动机的车身、行李厢布置于车后部，而后置发动机车身则反之。 行李厢要求防尘、防潮、隔热，以保护存于其中的物品。行李厢盖要求有良好的刚性，一般有内衬板，内衬板上有加强筋。 行李厢内要布置占最少空间的存放备用轮胎的位置，并应加以简便的紧固，以防止行驶时松动。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，后翼予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。但也有轿车的翼予板是独立，尤其是前翼子板。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。 为防止发动机舱旱的废气、高温、噪声窜入车厢，前围扳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 窗 车窗的基本功能是保证视野和采光。为了保证安全，所有车窗都要求安装安全玻璃，前风客窗装夹层玻璃，侧窗装钢化玻璃，旨在一但发生撞车事故，车窗玻璃不会飞落碎片伤入。 玻璃固定方式有直接粘接式与橡胶密封固定式。 玻璃可升降的车门窗要充分注意玻璃升降导轨的密封与防振性。近代后窗玻璃都装有电热丝，可以除霜，以保证后视野的清晰。挡 泥 板 挡泥板亦称车轮内挡板，和翼子板一样，要求保持车轮运动的极限空间。后轮挡泥板是后底板的一部分。 前挡泥板在发动机舱内的部分有时为排除舱内废气而开通气孔，并在其上部经常安置发动机附件或蓄电池等装置，所以要求有一定的强度和刚度。底 板 车身客厢板与后行李厢底板成为一个整体零件。底板不仅从上面承受乘客和载货，而且从下方承受悬架和传动轴带来的冲击振动。 承载式车身底板多呈盆形结构，非承载式车身底板下有车架，在底板和车架联接处有弹性元件隔振，并可防止因承受载荷而产生的应力集中。底板下面应采取可靠的防蚀措施，并涂有防振胶。挡 板 挡板是车身上用来隔断发动机舱和客厢的装置。挡板上留有许多孔口，以便操纵拉线、拉杆，通常，还装有很多电器系统附件。为防止发动机舱里的废气和噪声进入客厢和防止发动机舱的高温，在挡板上要有密封措施与隔热装置。 为减轻发生意外事故时对乘员的伤害，发动机挡板应具有足够的强度与刚度。仪 表 板 仪表板位于发动机挡板后，驾驶员面前，用来安装全部仪表、开关锁钮及其它电器装备。仪表一般集中固定于可独立拆卸的仪表盘上。现代汽车的仪表板多采用钢骨架的软化塑料敷面整体式结构，仪表板质量都比较轻。副仪表板 副仪表板亦称“通道”。 为了避免仪表板上仪表过分拥挤，仪表板中部向下延伸而成为仪表板的补充空间。在副仪表板上可以安装部分开关、收录机、烟灰缸、杂物厢等。 通常副仪表板包容了变速杆与手制动柄的孔口。副仪表板表面也需要软化，造型上与仪表板浑然一体。仪表板与副仪表板都要求与整车的内饰设计协调。新雅阁豪华型副仪表板支 柱 轿车车身侧围一般有：三根支柱前柱、中柱和后柱。 前柱支承顶盖、安装风窗玻璃与前门密合，前柱上部常因玻璃曲面的形状而形成扭曲断面或不等断面。 中柱支承顶盖或固定后门，顺开式后门的铰链安装在中柱上。 后柱支承顶盖，逆开式后门的铰链安装在后柱上。车 门 车门有旋转门、折叠门、推拉门和外摆式平衡门等各种形式。为了节省停车时的车辆间距面积，还有向上折翻的翼形门。 除轿车和客车有前、后门之外，旅行车还有背门，可用于客、货的出入。 大客车有安全门、行李舱门和驾驶员专用门。大客车为节省车门开启的旋转空间。多采用滑动的推拉式或折叠门。保 险 杠 保险杠可保护车身车体不首先与障碍物接触，同时也起装饰作用。 保险杠通过支架直接固定到车架上庄何冲击都可以通过支架缓冲。近代的“吸能式”保险杠，是在支架上装有液压阻尼装置，从而使撞击能量被阻尼器吸收，以减轻整个车身的振动。 中、小型轿车的保险杠上可安装防撞橡胶块，它可起到停车、倒车推顶时的接触点作用、装饰作用以及对)保险杠接缝的掩盖作用。内 部 装 饰 车内部装饰件包括： 仪表板、顶篷、侧壁、座椅等表面覆饰物，以及窗帘和地毯。在轿车上广泛采用天然纤维或合成纤维的纺织品、人造革或多层复合材料、连皮泡沫塑料等表面覆饰材料。 在客车上则大量采用纤维板、纸板、工程塑料板、铝板、花纹橡胶板以及复合装饰板等覆饰材料。车 身 附 件 车身附件有：门锁、门铰链、玻璃升器、各种密封件、风窗刮水器、风窗洗涤器、遮阳板、后视镜、拉手、点烟器、烟灰盒等。在现代汽车上常常装有无线电收放音机和杆式天线，在有的汽车车身上还装有无线 桃、电视机或加热食品的微小炉和小型电冰箱等附属设备。轿车的遮阳顶窗 遮阳顶窗（也称天窗）及其他车窗开启时可使汽车室内与外界连通，接近敞篷车的性能，以便乘员在风和日丽的季节里充分享受明媚的阳光和新鲜的空气。遮阳顶窗不但可以增加室内的光照度，而且也是一种较有效的自然通风装置。根据不同的需要，可把遮阳顶窗部分或全部关闭，这样就形成了功能优异的全天候式车身结构。车身附属装置车身附属装置 通风装置 不依靠风机而利用汽车行驶的迎面气流进行车内空气交换的办法称为自然通风。在汽车行驶过程中，既要保证通风，又要避免急速的穿堂风,以免乘员着凉。自然通风可依靠车身上的进、出风口以及打开的侧窗、顶窗、车门上的升降玻璃和三角通风窗实现。利用风机进行强制通风的方法比自然通风更有效，并可用过滤方法保证空气更加洁净。座 椅 座椅的作用是支承人体，使驾驶操作方便和乘坐舒适。座椅由骨架、座垫、靠背、头枕和调节机构等部分组成。 座椅由骨架、座垫、靠背和调节机构等组成。 座垫和靠背应具有一定的弹性。 调节机构可使座位前后或上下移动以及调节座垫和靠背的倾斜角度。某些座椅还有弹性悬架和减振器，可对其弹性悬架加以调节以便在驾驶员们不同的体重作用下仍能保证座垫离地板的高度适当。车身对整车性能的影响 人们把发动机描述为汽车的“心脏”，而作为汽车重要组成部分的车身则是汽车的“骨骼”，是汽车所有总成及乘员的载体。 随着科学技术及社会经济的发展，人们对汽车尤其是轿车的安全性、舒适性、经济性、环保性及动力性等提出了越来越离的要求。车身作为车辆的重要组成部分，对整车性能的影响主要体现在以下几个方面：车身对整车性能的影响 动力性 汽车的最高车速、爬坡能力及加速能力均与整车质量密切相关，在动力总成不变的情况下，整车质量的降低可以明显提高汽车的动力性。车身对整车性能的影响 舒适性 来自于路面、发动机及其它振源的振动和噪声均是通过车身传给乘员，具有良好动态特性的车身结构，通过与其它总成的合理匹配，可以将传到车厢的振动和噪音降低到最小。 安全性 具有足够强度和刚度的车身是汽车具备主动及被动安全性的重要保证。第二章 车身结构安全性 从汽车诞生之日开始人们就不断致力于汽车安全性的研究和安全技术的开发现代汽车以保护乘员为目的的革新已有数百项之多汽车安全与环保节能一起构成了当今汽车发展的三大主题。 车身结构在汽车被动安全性方面起着重要作用，通过碰撞试验与计算机仿真技术改进车身结构设计对提高车身结构的耐撞性有着十分积极的作用。 近年来对车身结构的耐撞性优化设计已成为车身被动安全性研究的热点之一。提高汽车的安全性能是当前世界汽车工业界研究的一项主要内容。车身结构耐撞性研究的历史及现状 碰撞安全问题几乎是与汽车的诞生同时开始的。十八世纪七十年代法国炮兵技术士官Nicolas Joseph Cugnot 制造出世界上最早的具有实用价值的蒸汽牵引汽车这辆汽车由于方向杆操纵困难撞到了附近兵营的墙壁上造成了世界上最早的一起汽车碰撞事故。 第二次世界大战后 汽车技术取得了长足的进步。轮胎性能的提高，采用四轮制动，安全玻璃以及刚度较大的车身结构等等使得汽车的安全性得到显著改善。 1949 年Nash 提出了座椅安全带的概念。 1956 年随着座椅安全带作为选用附件开始在汽车中得到使用标志着汽车安全性进入了新时期。 美国运输部DOT 部长于1970 年2 月提出开发安全试验车ESV 计划该计划要求开发以80km/h 正面壁障撞车试验具有高度安全性能的1800kg 级试验样车。 进入 90 年代后汽车安全性的研究表明：安全性能的提高不仅仅是提高车身的刚度，而是需要对汽车结构进行合理设计有效控制碰撞能量的吸收。安全性研究的重点也转移到对车辆的碰撞吸能过程，乘员伤害机理的理解和碰撞时的乘员保护技术。 先进安全车 【ASV Advanced Safety Vehicle】 是为在21 世纪实际使用而开发的一类原型车。开发这种车的主要目的是避免事故发生和减少伤害程度。ASV 技术内容可归纳成如下4个方面： 安全预防技术； 事故避免技术； 损伤减少技术降低车辆发生碰撞时乘员和行人伤害的技术； 碰撞后乘员伤害减轻与防护技术； 我国在 1999 年10 月28 日颁布了汽车被动安全强制性法规CMVDR294 汽车正面碰撞乘员保护的设计规则。 按法规的规定，到2002 年7 月1 日所有在中国市场上销售和即将上市的新车都要进行整车碰撞试验符合中国的法规要求。车身结构耐撞性研究的方法 目前车身结构耐撞性研究的方法主要有三类： 实车碰撞试验法 台车碰撞试验法 计算机仿真分析法实 车 碰 撞 试 验 实车碰撞试验与事故情形最为接近，是综合评价车辆安全性能(尤其在法规检验时)的最直接、最有效的方法。它是从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的方式来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆运动状态及损伤状况，并以此为依据改进车辆结构安全性设计，增设或改进车内外乘员保护装置。 其试验结果说服力最强，同时还可以为台车模拟碰撞试验和计算机仿真提供试验条件和参考数据，以及有效性验证，但实车碰撞试验的准备工作复杂、周期长、费用大、重复性差、对设备的要求很高。台车碰撞试验法 台车碰撞试验是对实车碰撞试验的模拟，用一个比较坚固的台车代替汽车，无需破坏真实汽车，在台车与刚性墙之间安装有缓冲装置，台车通过缓冲装置与刚性墙发生碰撞，通过调整缓冲装置的力学特性使台车获得可重复的、接近于实车碰撞的减速度波形。 台车碰撞模拟试验可以用于乘员保护装置的性能评价和零部件的耐惯性力试验等，可以模拟较大范围内的碰撞情形。计算机仿真分析法 近几十年来，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的开发、乘员保护措施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。尽管计算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但是在产品的概念设计阶段、样车的试制、试验次数的减少、开发费用及周期的降低等方面有明显的优势，而且可重复性强、结果信息全面。同时计算机模拟研究的适用面广、精度高，可以处理很多异常复杂的结构变形等问题，还可以设定模型的边界条件和其它特定条件等，因此显示出强大的生命力。 在汽车开发阶段利用计算机仿真方法进行车身结构耐撞性的分析可以有效地提高新车型碰撞性能的可靠性在产品定型生产之前就能及时评价和改进车辆的碰撞性能从而缩短开发周期，降低开发成本，提高产品的市场竞争能力。 国外从60 年代中期就开始了计算机碰撞仿真研究工作尤其在近二十年，碰撞仿真技术发展迅速，已成了新车开发中不可或缺的一部分。 碰撞建模，碰撞受害者分析软件和汽车碰撞仿真分析软件是碰撞仿真分析的三个重要组成部分。 在汽车碰撞领域采用的数学模型可分为四类： 仿真汽车事故的模型；仿真结构大变形的模型；仿真人体整体动力学响应的模型和仿真人体局部结构的生物力学模型。 前两类用于仿真汽车碰撞过程中的变形与运动后两类用于仿真汽车碰撞过程中的人体反应。 其中仿真汽车事故的模型较为简单主要用于汽车碰撞事故的再现。 仿真结构大变形的模型结构较为复杂，主要用于以下二类目的： 1 对汽车车身结构进行碰撞性能的概念设计，评价各类设计的优劣。 2 对已完成车身细节设计的汽车被动安全性(主要是耐撞性)进行校核，减少实车试验的次数，验证是否满足法规或标准的要求以减少开发费用。侧 撞 汽车侧面碰撞分为直接碰撞和间接碰撞两种形式。 直接碰撞是指车与车之间的碰撞。 间接碰撞是指由于车辆的滑移、跑偏等引起的与障碍物的碰撞，如树木、柱子等。对于车对车侧面碰撞的研究。 国内外目前实施的汽车侧面碰撞试验法规的撞击器都采用移动变形壁障代替车辆。侧面碰撞损伤机理 一般来说，汽车发生侧面碰撞时都会伴随有两个过程，即“一次碰撞和“二次碰撞”。 一次碰撞是指车辆与障碍物之间发生的碰撞。 二次碰撞是指车内司乘人员与乘坐室内物体之间的碰撞。 司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要原因可归纳为以下四点： (1)一次碰撞过程过分剧烈，以致传递到司乘人员身上的加速度值超过了人体的耐受极限，使人体器官受到损伤； (2)碰撞过程中乘坐室外部刚硬物体侵入乘坐室内部，直接将司乘人员挤压伤亡； (3)由于一次碰撞过分剧烈，致使司乘人员与车辆侧面结构发生多次“二次碰撞”而受伤； (4)在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致司乘人员缺乏生存空间而伤亡。 如今，侧面安全气囊的使用主要在于避免二次碰撞或减轻二次碰撞的程度，它们在保护碰撞事故中的司乘人员时发挥了巨大的作用。 但是，由于受本身制作材料以及人体承受碰撞能力的限制，安全气囊所能吸收的撞击能量是有限的。 因此，绝大部分的碰撞能量必须由车体结构来吸收，一次碰撞的特性决定了车辆最基本的碰撞安全性能。 对轿车而言，由于其侧面的强度相对较弱，发生侧面碰撞时汽车侧部结构可用来吸收撞击能量的变形空间是相当有限的，一般为20cm30cm左右，所以，对于侧面碰撞而言，缓冲吸能结构的设计是最大挑战。 其中问题在于，即使有足够好的材料来制作缓冲吸能结构，但能用于缓冲吸能的空间却十分有限。在侧面碰撞中轿车通常由于侧围刚度分布不合理，碰撞力不能有效传递到具有保护和吸能作用的部件上，影响了撞击力的分散吸收，加大了侧围结构的变形，通常出现以下几个不合理的变形趋势： (1)B柱侵入严重，在车身腰线位置附近产生了塑性变形，即形成塑性铰。 (2)B柱上下端缺乏有力的支撑，导致顶盖边梁和门槛在其与B柱交接位置附近侵入量偏大。 (3)门槛梁整体侵入过大，并出现绕门槛梁中心线的弯转侵入。 (4)地板横向刚度较弱，不能有效抵抗门槛梁的侵入。 (5)B柱的严重变形直接导致整个车门的严重侵入。 (6)防撞杆的布置和刚度设计不合理，导致车门整体刚度偏低、变形严重。 提高车辆侧面碰撞安全性能首要任务是提高车辆的结构安全性能，可以从两个方面考虑： 增加缓冲吸能区两侧的变形空间(不太现实) 合理设计侧面结构的刚度，使碰撞力有效传递到具有保护和吸能作用的梁、柱、地板、车项和其它部件，将撞击力分散吸收，并最大限度地把可能造成的损害降低到最小程度。 一般而言可以采用以下措施： (1)增加车门强度。 (2)增加A柱、B柱、C柱等侧围部物的强度。 (3)增加门槛梁的强度。 (4)增加车身横向横梁(车顶横梁、地板横梁等)的强度。 (5)合理设计门锁及铰链，既要防止汽车发生侧面碰撞时车门自动打开，又要保证碰撞后车门能够容易开启，以利于乘员的车外救护。同时，加强车门铰链，有利于将车门所受的撞击力有效地传给立柱。 上述这些措施可以通过以下三个具体方法实现： 增加板厚 采用超过强度钢 添加加强部件安全车身设计新理念 车身结构是决定汽车被动安全性的重要因素之一是所有被动安全设施的基础。 安全车身结构取决于其碰撞吸能技术应包括前后碰撞变形区和高强度乘员舱。 应以从行人和乘员两个方面作为出发点考虑车身的安全性,这应成为车身安全的新理念。第三章 汽车车身的发展趋势 外型是汽车的脸面，它带给人的是第一感觉、第一印象。奇瑞QQ之所以深受女性消费者的喜爱就在于其可爱、小巧和绚丽的外形；哈飞之所以与别的面包车不同就在于其流畅、富有旋律的线条，奥迪的各个车型都能给人带来大气、现代、严谨的感觉和气势，就好像融入了德国庄重的交响乐和建筑，所以奥迪车成为政府、企业家购买的首选。而法国车一般都拥有流畅优美的线条，给人时尚浪漫的感觉。美国车则具有大方、粗犷的特点。 功能决定外型 在功能实现上的进步必将会反映到外型上。随着汽车工程技术上的重大变革，比如电机驱动取代内燃机驱动、燃料电池或者高容量蓄电装置取代燃油箱、电子操控取代机械式操控，这些大的变革将引起汽车动力系统的简化和占用空间的减少，这就给汽车的外型设计带来更大的发挥空间，更能体现个性，更好的满足人机工程方面的要求，而不像内燃机汽车造型会受到诸多因素的限制。多种能源的汽车需要多种不同形状的车身。通用推出的滑板车概念就充分说明了这一点。 未来的汽车将更加的个性化、更加的灵活多变，很多地方采用模块化设计，用户可选择、可搭配的余地更大。选购汽车有些像选购电脑，车身可以象电脑机箱一样有多种款式可供选择。用户在内饰空间的座椅布局和样式选择上有更大的空间。 为了满足不同使用场合的需要，比如高速行驶和城市行驶、休闲状态和行驶状态等，汽车上将会有很多可变部件，甚至车身可以变形。 环保节能是未来汽车的主流。 改进空气动力学，降低能耗是未来汽车发展的重要课题。新材料、新工艺对汽车内部造型也将产生巨大影响。 目前使用更多替代钢的轻质材料，以降低车重。铝合金、镁合金及碳素纤维等轻质材利在汽车制造上的应用将增多。 电子智能是现代车身造型改变最活跃的因素。 目前仪表应用数字显示代替指针，所以仪表和仪表板的造型已有新的改观。内部装置如室温调控，音响效果等也应用于电脑。 “双M”理念 即机器所占空间最小，而驾乘者享受的内部空间最大。 将来世界各国汽车保有量还会不断增加，到那时，城市交通管理、停车场空间限制必然要求汽车外部轮廓占较小空间，但又不应对乘座空间无限地压缩以至人的基本活动范围，随着拥有汽车的人数的增加，对车内座位数量需要肯定相应的降低。由于社会生活活动方式的变革，家庭成员需乘各人汽车，今日最普遍的两排座车型就不在适用，而是需要更经济的车型布置。双座汽车将得到更广泛的应用。