汽车车身结构与设计第3章汽车车身结构分析与设计

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1、第3章 汽车车身结构分析与设计,1.了解轿车车身结构的总体设计要求； 2.掌握轿车车身结构的划分； 3.掌握车身结构强度与刚度设计方法； 4.了解车身结构动力学性能设计； 5.熟悉车身强度与刚度试验。,3.1 车身结构总体分析与设计,（一）车身结构的总体设计要求 车身结构设计的前提是满足功能要求，如强度、刚度、装配、美观、密封、碰撞、操作性和成型性等，这是结构设计的首要要求。 1）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形式。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能否正常发挥，它是完成整个车身开发设计的关键环节。 2）

2、结构设计在兼顾造型设计要求的同时，应充分考虑结构强度、防尘、隔声、降噪性能及制造工艺等设计要求。 3）完成车身结构设计首先要明确车身整体的承载形式，并对其做出载荷分析，使载荷在整个车身上分配合理。在此基础上进一步做出局部载荷分析，确定各构件的结构形式和连接方式。,第3章 汽车车身结构分析与设计,第3章 汽车车身结构分析与设计,（二）车身结构的划分 车身结构装配顺序：冲压零件合件分总成总成。车身设计时，需要相应画出零件图、合件图、分总成图、车身焊接总成图和车身装配图等。 其整体结构的划分与零件的冲压工艺性、焊接工艺性以及提高制造装配精度都有很大的关系，同时还影响产品的系列化、标准化，影响生产率、

3、生产组织、工时的平衡和设备的复杂程度。 车身结构划分可以有多种方法，这里介绍两种：,第3章 汽车车身结构分析与设计,1. 从车身结构焊接工艺考虑 将车身结构分为以下分总成，其焊接顺序：底架总成 侧围总成 顶盖、顶盖支承总成 散热器支架、车身后围板总成 白车身结构总成,轿车车身总成结构的划分 1-顶盖 2-后围板总成 3-侧围总成 4-顶盖支承总成 5-散热器支架 6-底架总成 7-顶盖后加强板 8-后翼子板 9-前指梁,第3章 汽车车身结构分析与设计,2. 车身由前部、中部和后部总成组成 （1）前部 车身前部敞开部分承受较大的集中力，如动力总成、散热器、前板制件的重力和前悬架支承力等 ，这些力

4、主要由两根对称的前纵梁支承，并传至整个车身前部结构； 车身前部的结构设计必须使其能有效地吸收冲击能量； 前围板总成应有可将外部空气导入车室内的通风口，并具有阻止发动机噪声透过前围板传入乘坐室的作用 ； 还要在散热器框架周围安装前照灯、散热器和空气冷凝器等 。 （2）中部 轿车中部是乘坐室部分，主要承受分散在地板上的重力，如车身装备和乘员的重力、悬挂在门柱上的车门重力等。 （3）后部 行李箱承受燃油箱、行李和备胎等重力，后纵梁承受后悬架的支承力。 车身结构总成无论怎样划分，其分总成的零件尺寸大、形状、结构复杂，截面和翻边形式多样，这就体现了车身结构的复杂性,第3章 汽车车身结构分析与设计,（三）

5、车身结构件的分析与设计 轿车行驶时，车身不仅要受到在垂直方向上的车身自重和固定在车身上的所有总成和设备的重力，以及乘员和行李的重力作用，同时还受到由悬架和轮胎传来的侧向力与纵向力，以及惯性力和空气阻力等，有时还会受到碰撞载荷的作用，这些力都是由车身的承力结构件来承担。因此，车身结构件是保证车身所要求的强度和刚度的基础构件。 1. 车身结构件分类 1）功能件 如门立柱、窗框、门槛等。 2）加强件 结构加强件主要用于增强板件的刚度，提高各构件的连接强度。如车门加强板用以提高附件安装部位的刚度和连接强度。再如地板加强横梁、车门铰链安装加强板等。 3）非承载构件 它是为安装附件而设置的，如顶盖上为安装

6、顶窗而设置的框架等。,第3章 汽车车身结构分析与设计,2.车身结构件截面形状的选择 车身结构件一般为薄壁杆件。根据承受弯曲和扭转力的大小，结构件的截面通常设计成闭口或半开口的形状，其截面形状和尺寸对其截面特性有很大影响，由刚度分析可知，与刚度有关的参数除了材料性质以外，主要是弯曲惯性矩和扭转惯性矩等截面特性。 表中 截面的扭转惯性矩， 对主惯性轴的惯性矩， 抗弯截面系数， 抗扭截面系数,第3章 汽车车身结构分析与设计,对于承载式车身结构件，为了提高其扭转刚度，全部采用闭口截面。图示为车身结构件的典型截面示意图,a)顶盖侧梁 b）中支柱 c）前风扇支柱 d）后风扇支柱 e）门槛,第3章 汽车车身

7、结构分析与设计,3.车身结构件设计 设计车身结构件时，应注意以下几个方面： 1）截面形状过渡处应避免应力集中。为了防止受力构件的截面发生突变而引起应力集中，诱发裂纹产生从而导致疲劳破坏，因此，截面形状突变处要逐步过渡，合理选择截面形状和尺寸，避免截面急剧变化。 2）车身结构件不仅要满足强度和刚度的要求，而且应使车身结构形成一个连续完整的受力系统和合理的载荷路径；同时部分结构件应能吸收一定的碰撞能量。 3）设计加强板时，加强板两端的形状应逐渐变化，保证其连接部位的刚度不发生突变。另外，应合理设计加强板的大小和厚度。若加强板太小，则不足以将集中载荷通过加强板分散在较大的面积上；加强板太大，则会增加

8、质量。一般加强板的厚度应比被加强件的板料厚，但二者厚度不宜相差太大。 4）要满足相邻部件的性能要求，如要适应门锁、铰链、限位器等的安装和性能要求。 5）不能破坏造型设计，外露骨架要与车身外形相适应。 6）还应具有装配功能，如完成与车门、发动机罩、行李箱盖的动态配合等。,第3章 汽车车身结构分析与设计,汽车在行驶时，车身结构中易出现载荷分配不均衡和结构刚度不适应载荷要求的情况，将影响承载系统的总变形，出现结构变形不均衡的现象 。 在构件布置设计时，尤其要注意乘坐室与前部敞开部分相连接区域刚度的加强；为避免大的力流集中由前纵梁通向乘坐室，结构件的布置应使通过前纵梁的力流分散地过渡到前围板区域及地板

9、和门槛 。 图示为传统车身与先进车身安全防护结构ACE (Advanced Compatibility Engineering)车身的前部结构的对比，体现了先进的安全设计理念 。,第3章 汽车车身结构分析与设计,【案例】从G-CON到ACE技术的进化 G-CON车身技术的核心是通过对车身进行技巧设计，在车身变形量不增加的条件下，通过对车身冲击力(G)的控制，使乘员受到的冲击力(G)降低，保持了乘员舱的完整性，减轻了碰撞对乘员的伤害。要达到让车辆能够在有限的车体变形之下，将车内乘客的伤害降到最低的程度，这便需要车身不仅能吸能，而且还要更好的快速分散碰撞能量，更好地实现“吸能、分散”的设计理念。同

10、时体现“MM”理念（Man Maximum & Mechanism Minimum，乘客享受最大空间和机械占用最小空间）。,第3章 汽车车身结构分析与设计,ACE技术是在本田引以为傲的GCON技术上革新发展而来的新一代车身技术。据业内专家介绍，大部分常规设计中，正面碰撞能量均被传导至车辆前端的下部承载结构，而ACE技术能够有效地将正面碰撞能量进行均匀分配，将冲击力更好的吸收到车辆上部和下部的车身结构中，包括底板纵梁、侧门槛和A柱。ACE系统通过建立明确的工程结构“路径”，使这些正面碰撞力能够在车辆结构总量的一个更大比例内进行分配，从而更加有效地使碰撞力避开乘员舱，减少乘员舱变形，进一步提高乘员

11、保护。本田锋范的发动机舱与乘员舱结构与新飞度一样应用了G-CON车身技术以及ACE高级碰撞兼容性工程设计理念 。,本田锋范车身结构,第3章 汽车车身结构分析与设计,（四）车身覆盖件的结构分析与设计 车身覆盖件的结构特点 1）形状复杂 大多数覆盖件是由复杂的三维空间曲面组成的。为了获得空气动力特性好的车身外形，覆盖件应当具有连续的空间曲面形状且冲压深度不均匀。为了体现车身造型的风格，常在某些曲面上设有棱线和装饰性结构，使覆盖件的形状变得更加复杂，可以说，车身覆盖件是形状最为复杂的冲压件。 2）外形尺寸大 为了简化装配工艺，减少零件数量，保证车身外形曲面的连续性和完整性，大多数覆盖件的外形尺寸都较

12、大，有些覆盖件如侧围外轮廓尺寸可达23m。 3）表面质量要求高 车身覆盖件的可见表面不允许有波纹、皱纹、凸凹痕、边缘拉痕、擦伤以及其他破坏表面完美的缺陷；覆盖件上的装饰棱线、筋条都应平滑、清晰，曲线应圆滑；相邻覆盖件在衔接处要对齐，间隙要小。 4）要有足够的刚度 因覆盖件是薄壳零件，汽车在行驶时会产生振动，引起覆 盖件的激振，所以必须要求覆盖件具有足够的刚度，从而避免共振，减小噪声和延长车身使用寿命。 5）要有良好的成型工艺性 设计车身覆盖件结构时，要求在一定的生产规模条件下，能够较容易地安排冲压工艺和设计冲压模具，有合理的装配硬点，能够最经济、最安全、最稳定地获得高质量的产品。,第3章 汽车

13、车身结构分析与设计,2. 车身覆盖件的结构工艺分析与设计 （1）车身覆盖件的分块 车身覆盖件的分块是将已定型的汽车车身划分为大小合适的零件，以便组装成车身所需的各个部分。车身分块的数量和尺寸大小直接影响车身冲压工艺性和经济性。分块一般遵循以下原则： 1）覆盖件的分块应根据企业的设备情况与技术水平来确定，整个车身分块的零件数目应尽可能少，以便减少装配误差，也使接口处有良好的装配工艺性和焊接工艺性。 2）分块时应考虑零件的成形工艺性。主要指冲压、压弯、拉深等工艺要求。 3）最大覆盖件零件的展开尺寸不能超过板材的尺寸规格。 4）零件分块结构要合理。在保证装配精度的条件下，具有良好的装配工艺性（主要是

14、焊接工艺性）以及车身整体组装后的外形美观性。,第3章 汽车车身结构分析与设计,案例：轿车车身两种划分结构的方法,1-底架 2-门槛 3-中柱 4-前柱 5-前轮罩 6-前围 7-顶盖 8-侧壁 9-前围窗框 10-后风窗,第3章 汽车车身结构分析与设计,（2）车身覆盖件拉深、冲裁、压弯和翻边工艺的设计要求,1）车身覆盖件的拉深方向应保证凸模能完全进入凹模,覆盖件的凹形决定拉深方向 a) 凸模不能进入凹模 b) 凸模能进入凹模,第3章 汽车车身结构分析与设计,2）尽可能一次拉深成形 3）对于具有反拉深的覆盖件，尽可能加大变形部分的圆角半径，以防局部因延伸变薄而破裂。 4）车身上的孔应避免细长孔，

15、尽可能采用圆孔、方孔等规则孔，因加工规则孔的模具成本较低，且细长孔对模具强度不利。另外，设计时孔与孔之间、孔与边之间的距离应恰当，以免冲裁时由于距离太小引起周边材料的变形或破裂 ，如图所示，推荐 = = 13mm 。,第3章 汽车车身结构分析与设计,5）若弯曲零件的弯曲角小于90，则其弯曲半径应不小于板料厚度。 6）车身覆盖件大都需要翻边成形，以便加强零件刚度或用于与其他两家的连接。设计时，应正确选择翻边曲率的大小，翻边的宽度应随着曲率的增大而相应减小。如车门外板拐角处的翻边宽度 应小于平直部分的宽度 ，或做成多个切口，如图所示。,门外板翻边,第3章 汽车车身结构分析与设计,3.车身焊接工艺,

16、焊装工艺是影响车身制造质量的重要因素，焊装工艺设计与车身产品设计及冲压工艺设计是互相联系、互相制约的，必须综合考虑。影响车身焊装工艺性的主要因素有生产批量、车身产品分块、焊接结构、焊点布置等。 车身零件大都是薄壁板件或薄壁杆件，其刚性较差，所以在装焊过程中必须使用多点定位夹紧的专用焊装夹具，以保证各零件或合件在焊接处的贴合和相互位置，特别是门窗等孔洞的尺寸等 。 为便于制造，车身设计时，通常将车身划分为若干个分总成，各分总成又划分为若干个合件，合件由若干个零件组成。车身焊装的顺序则是上述过程的逆过程，即先将若干个零件焊装成合件，再将若干个合件和零件焊装成分总成，最后将分总成和合件、零件焊装成车身总成。,第3章 汽车车身结构分析与设计,第3章 汽车车身结构分析与设计,车身常用焊接方法,第3章 汽车车身结构分析与设计,车身零件焊接接头设计 研究表明，车身接头刚度对整个车身刚度的影响可达50%70%。车身结构的内