论文----力学在汽车车身中的应用

论文----力学在汽车车身中的应用 力学在汽车车身中的应用 摘要:随着交通日益发达～汽车行业也在蓬勃发展～汽车的设计和制造原理都离不开力学～空气动力学对汽车外形的设计起十分重要的作用～结构力学与汽车安全有着密不可分的联系～等等。总之～力学对汽车业的发展至关重要。因此～将力学更好地应用到汽车设计和生产中将有助于一个企业乃至一个国家汽车行业更好地发展。 关键词:汽车 车身设计 安全性能 空气动力学 结构力学 一、引言 在刚刚进入新世纪的五年里～我国汽车工业取得了可喜的发展～使我们看到了汽车工业成为国家支柱产业的希望～特别是加入 WTO后～对我国汽车制造业的发展起了很大的推动作用。2005年11 月在上海举办了《国际先进汽车制造技术及装备论坛》和《全国汽车工具发展论坛》～这两个论坛不约而同～一脉相通～都是在探讨一个问题:汽车制造技术与工艺装备技术的关系。今年我国汽车的产销量将突破500 万辆～成为世界第三汽车制造大国。这与我国当今汽车先进制造技术水平的提高是分不开的。但是作为先进工艺装备中的工具技术～在我国目前还远远跟不上国内汽车先进制造技术的发展要求～与其汽车工业的发展很不相称～工具技术水平还十分落后。 二、空气动力学对汽车外形设计的贡献 2.1 汽车空气阻力系数 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年代的楔形车身～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。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。 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。 2.2汽车外形设计 为了减少空气阻力系数～现代轿车的外形一般用圆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圆滑过渡～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～且与车顶圆滑过渡～前风窗与水平面的夹角一般在 25 度,33 度之间～侧窗与车身相平～前后灯具、门把手嵌入车体内～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。 随着汽车技术的发展～汽车的速度越来越高～风阻的矛盾就越来越突出。研究表明～随着速度的增加～路面阻力增加很小而风阻增加却很大。一般的箱式车～车速在每小时 30 公里以下时～消耗在路面阻力上的功率大于克服风阻所消耗的功率。而在这个速度以上～消耗在风阻上的功率就急剧增 加。到了每小时 70 公里左右的速度～克服风阻所需要的功率就会超过路面阻力。如果速度超过每小时 100 公里～绝大部分的功率就消耗在克服风阻上了。风阻的主要因素有两大方面～一是迎风面积～二是涡流。减少迎风面积的主要措施是减低车厢的高度。减少车厢的宽度虽然也能减少横截面的面积～但一般情况下效果不如减少高度显著。为了保留足够的内部空间～保证有舒适的乘坐空间～汽车的截面是不可以随意减少的。为了进一步减低风阻～就要从减少汽车行驶中产生的涡流入手。 我们在大街上常常看到一些大货车驶过后～马路上的尘土、纸屑打着转满天飞～这就是汽车行驶搅动空气形成的涡流。汽车的前挡风玻璃、车顶、车侧、车后都可以产生涡流。研究涡流最有效的手段是风洞试验～汽车模型静止于隧道型空间中～车身周围是高速流动的空气～这样来模拟汽车高速行驶的条件。通过安装在车身各部分的传感装臵测量空气的运动。从而了解涡流的运动情况。研究表明～具有流线型车身的汽车抗涡流的性能最好。流线型车身的纵截面与飞机机翼的形状相似～高速运动时会产生升力～对行驶稳定性产生负面作用。这就产生了第二对矛盾～即动力性与安全性的矛盾。为了增加稳定性～现代汽车车身造型在流线型的基础上。舒适性与动力性、动力性与稳定性～如何解决这两对矛盾构成车身设计历史的主流话题。汽车的车身从箱型、甲虫型发展到船型、楔形和现在的滴水型～以及在这些形状基础上的许多变种～其内在的驱动力就是这两对矛盾的平衡过程。汽车车身的设计工作流程～也从单纯的 由内向外发展到由外向内、内外结合的方式。不断改进～车身重心前移、前低后高、增加尾部截面的相对面积、增加搅流板等等。 三、汽车车身壳体 车身壳体按照受力情况可分为非承载式、半承载式和承载式车身三种。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～而车架则承受发动机及底盘各部件的重力～汽车行驶载荷和碰撞载荷主要由车架来承受～车身的变形相对小些。 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～而是由外部覆盖零件和内部钣件焊合而成的一个整体空间结构～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～碰撞载荷由整个车身来承受～车身变形影响的范围也要更大一些。如今～为了减小汽车的整车质量和节约～大多数中级、普通级、微型轿车车身常采用承载式结构。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～它们往往与两侧的前挡泥钣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。板金件是构成承载式车身的主体。车身骨架和车身顶盖、底板、各种围板焊接成的骨架总成～用来承受汽车 上的各种内力和外力～组成承载式车身。车身制造时～首先将防锈钢板以模具冲压成单片饭金件形状～然后以卡具定位用点焊机焊接成车身整体结构。由于整个车身是一个薄板壳形结构～因此重量较轻～强度和刚性好～抗弯曲、抗扭斜、抗冲击、抗振动性能好。 四、汽车安全及其结构的关系 近来有关汽车在撞击后断裂成两节的报道使得不少车迷开始关心起汽车车身的安全问题来。其实～如今的汽车由于一系列有关的严格而变得越来越安全。不过～由于汽车撞击的情况千变万化～所以出现一些比较严重的事故也是可能的。因为决定整车安全系数的是结构～是整车带有逐级吸能及抗变型能力的骨架～所以～下面就车身整体的安全性与结构的关系做一些简单的探讨。 4.1 钢板厚未必安全 先进结构最关键 事实上～现在几乎所有汽车厂商在宣传自己产品的安全性的时候都不说钢板厚薄～而是在强调结构～强调 3H 车身和碰撞吸能技术。无论是德国车还是美国车、日本车～实际上速度达到 50 公里时～1.5 吨的车体发生碰撞冲击～钢板厚薄差 0.1 毫米根本不起作用～平面抗冲击能力对安全性基本没有影响。关于总体的结构设计。一些老司机感觉到～20 多年以前的汽车往往比较沉重～同时也比较结实经得起撞～这从某种角度上来说是有一定道理的。由于当时的汽车还没有广泛采用承载式车身设计～所以汽车的底盘往往采用 H 形钢梁以及沉重的厚钢板～所以车身沉重、车速相对也比较 慢～油耗很高。这样的汽车对于安全的保证是所谓的“硬碰硬”～一旦发生撞击便是看谁的重量大、动力强～经常出现“两败俱伤”的事故～破坏力比今天所见到的往往要大得多。如今的汽车无论大小～大多采用了承载式车身设计～没有了沉重的钢梁与车壳～车身轻巧省油～而且车速也不断在提高。同时～通过巧妙的设计～一旦发生事故车身会采取溃缩等方式来消解外力～因此所造成的破坏力反而大大下降～安全性也有大幅度提高。当然～由于撞击部位与力量的不同～个别部位在猛烈的撞击下～或许可能比较容易发生断裂之类的事故。 轿车的车体安全性设计与建筑设计有异曲同工之妙:古代建筑如故宫墙体都很厚～但它的抗震强度绝对比不上现代的框架结构的高楼大厦～尽管现代建筑很高而且多是玻璃材质的。在发生碰撞的一刹那间～车体前端的吸能才是最重要的～因为惟有尽可能多地吸能～才能保障驾驶室不变形～从而保护驾乘人员。比如目前在业界大红大紫的 3H 高钢性车身～该结构在车体侧面和顶部都有一层加强筋～使其在局部钢板厚度、塑性变形效果、吸收冲撞力和乘客舱硬度指标上都具备明显安全优 势。另一个在车身结构方面的重要安全设计～是前舱下面的副车身构造～它对正面和侧面撞击具有十分出色的吸能效果。 4.2 车身重反而危险 科学造型保安全 有些人认为在高速行驶的状态下～车体越重越安全。这 是另一认识误区。造车科技发展到今天～车身重量早已不是炫耀安全的资本～真正保证高速稳定性靠的是车辆的造型。比如说:飞机的自重相当大～但却能拔地而起。这是因为对空气动力学的合理应用～这是通过造型来实现的。两个机翼的功能是使机身上拉。而整车的造型稳定性原理却与之相反:其结构决定了在高速行驶中的车开的越快～空气对车身的压迫力越大～车的安全性也越高。比如说尾翼～它的功能绝不是美观～它的作用在于增大空气对车体的下压力～而保证车体更加平稳。而车体越重～将造成制动距离加长～这反而是一种不稳定因素。而且车越重耗油越多～会增加额外的有关汽车的制造工艺。如今的汽车制造与装配～越来越趋向模块化～“平台”以及“组合套件”成为各家大小车厂流行的汽车制造与装配方式。在这一思路的指导之下～整车往往是按照不同的区域与功能组合装配起来的。很少有从头到尾纵贯车身的又长又大的构件～在底盘等部位经常采用焊接等加工方法～有些汽车断裂事故就是正巧撞击到焊接的部位所致。一般来说～这样设计思路的汽车发生车首撞击时是非常牢固的～追尾也不十分害怕～但来自侧面的撞击则是各家都在进一步研究的问题。很难说如今的车辆与 20 年前相比侧面是更加安全或者更加不安全～但一系列的科学统计肯定能够证明眼下的最新设计比 20 年前安全性有了飞跃性的进步。 实际上～要把车造重很容易～造轻才难。包括现在各大厂商开发的铝合金钢铁发动机～尽量把钢板减薄～所做的一 切努力都是为了把车造得更轻～以提高车辆的加速性能,而更重要的是车轻也使刹车时惯性减小～从而缩短制动距离～确保车辆安全。 五、结束语 汽车车身的外形、油漆及色彩是汽车给人们的第一个外观印象～是人们汽车的最直接方面～也是轿车的重要市场竞争因素～是汽车设计非常重要的内容。车身造型既是设计～又是美工设计。从工程设计来看～它既要满足结构的强度要求、整车布臵的匹配要求和冲压分块的工艺要求～又要适应车身的空气动力学的要求而具有最小的～空气阻力系数。从美工设计来看～它应当适应时代的特点和人们的爱好～要像对待工艺品那样进行美工设计～给人以高度美感～起到美化环境的作用。作为力学专业的我们应该努力学好专业知识～并将自己之所学运用到实践中去～为祖国的汽车业贡献自己的一份力量。 参考文献 [1]熊峰～李章政～贾正甫～2002～结构设计原理～北京:科学出版社 [2]莫乃榕～2000～工程流体力学～武汉:华中科技大学出版社 [3]易中～吴萱～周丽珍～1989,低速空气动力学,北京:高等教育出版社