车身结构设计

1886年德国人卡尔本茨发明三轮汽车,同年德国戴姆勒发明四轮汽车,故1886作为汽车元年。 车身演变:马车-箱型车-甲虫型-船型-鱼型-楔形 总布置原则 以人为本原则:乘坐舒适、操纵方便、视野开阔、上下车方便等。 气动性原则:整车经济性、行驶稳定性。 外小内大原则:尤其是宽度方向的利用。 三化原则:系列化、通用化、化,并符合法规。 协调性原则:整体的协调,进行局部妥协或补偿。 见缝插针原则:空间利用最大化,要斤斤计较。 大多数人原则:室内布置和座椅、仪操作尺寸。 方便性原则:操纵、修理、上下车方便性。 轻量化原则:轻量化,工艺合理化(冲压/ 焊接/ 涂装/ 装配)。 总布置设计 以驾驶员座椅为中心(实质为H点)来进行。 确定座椅位置及尺寸画出在调节状态下的极限位置画出眼椭圆确定R点确定H点确定仪表板位置及上下左右视野利用人体模型确定方向盘安装角度据盘底端距坐垫、椅背距离画出操纵手柄、按钮位置确定前风窗安装角度和AC柱位置顶盖及地板位置。 总布置设计内容 与底盘布置型式的关系动力总成的布置 地板凸包和传动轴的布置轮罩外形尺寸的确定和踏板位置 车门、立柱布置及上下车方便性车身内部布置 油箱和备胎等附件布置排气消音器的布置 车身的承载方式 非承载式车架的形式:框架式(边梁式)、周边式、脊梁式。 优点: 1、位于车架和车身之间的弹性元件可以辅助缓冲,车厢变形小,适当吸收车架的扭转变形和降低噪声,提高了乘坐舒适性。 2、底盘跟车身分开装配,再总装到一起,简化了装配工艺,也偏于组织专业化协作。 3、车架是各总成的集成,便于改装和衍生成为其他专用车辆。 4、发生撞车事故时,车架对车身有一定的保护作用。 缺点: 1、车架设计时未考虑车身承载,为了保证足够的强度和刚度,导致自重增加。 2、车架位于底盘和车身之间,导致整车高度增高,质心升高,高速行驶稳定性较差。 3、车架一般为整体式,生产时需使用大型压床和焊接、工夹具及检验设备,造价昂贵。 承载式车架的形式:传统一体化、高刚一体化、碳纤维一体化、盆式铝合金一体化、 空间管阵式、铝合金空间管阵一体化。 优点: 1、车身为一个整体,承受载荷时互相传递力,整车易于达到稳定平衡状态。 2、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。 缺点: 1、没有车架,导致振动和噪声直接传递给车身,恶化乘坐舒适性,需要隔噪防振设备。 2、车架为整体式,改型困难,几乎需要重新设计车架。 3、当四个车轮受力不均匀时,车身会发生变形另外,另外制造成本偏高。 人机工程学应用 采用“去两头”原则,以95%和5%百分位的人体尺寸作为车身室内设计,确定座椅调节行程的上下限尺寸基准。 以5%和95%百分位的人体尺寸确定车身室内各部件的相对位置关系,而驾驶员座椅的调节行程应能保证:当座椅调整至最前端时,能满足5%百分位的人体尺寸要求;当座椅调整至最后端时,能满足95%百分位的人体尺寸要求。 布置设计能满足从5%到95%百分位之间的人体尺寸要求,即符合90%的使用对象 一般舒适座椅设计,其靠背要能合理地支撑人体的肩部和腰部,这是达到舒适支撑面的必要结构措施。所谓肩靠能减轻人体的颈曲变形,设置在5、6 胸椎之间;腰靠则保证使人体的腰曲弧线呈正常形状,支撑在第2、3 腰椎上,支撑量15mm~25mm,即为舒适座椅设计的二点支撑原则。此外,头枕用来支撑人体头部也是非常重要的。 人体布置设计布置步骤: 1、选择适宜的人体样板(百分位和比例) 2、画出水平线(地板线)确定踵点(踏点200mm) 3、以踵点为基准,将95%、50%、5%的人体样板按舒适驾驶姿势摆放,使最佳角度和范围,找到H点,即H95、H50、H5点,这是首要的。 4、以H95和H5之间水平和垂直距离定座椅调节量。 5、以95百分位样板和H95画出人体布置轮廓曲线图,考虑座椅压缩量,确定出前舱界限。 6、比较三种百分位,确认各H点与调节行程匹配。 7、在加速踏板全过程中人体姿势的变化。 8、设计伸腿空间由三种百分位的腿部轮廓线确定。 9、后排布置方法与前相同,须以95百分位人体为参照。着重考虑搁脚位置、姿势和腿部空间。 车身设计应使实际H点位置完全反映设计的H点位置,只有这样驾驶员入座后,其驾驶姿势才能是室内布置设计姿势的反映,即保证舒适驾驶。 车身设计中人体布置的H点直接影响驾驶员的手伸和界面。 影响因素: 安全带种类、人体尺寸、座椅调节行程、最后H点位置、人体驾驶姿势、方向盘尺寸、布置位置和倾角等。 反映为以下几个参数: Hx ≧130mm Hz 130~520mm Wx 660~152mm Wz 530~838mm Wa 10°~ 70° β9°~ 33° γ95°~105° D 330~600mm 合理的体压分布: 其分布应符合人体的生理承受感觉,特别是臀部的压力分布。 人体臀部和背部的各部位在产生不舒适感觉之前所能承受的压力不同,则要求体压分布应随人体臀部和背部的不同部位呈不同强度的分布,这就是舒适座椅设计的体压分布条件。 合理的体压分布不是平均强度分布,而应根据人体产生不舒适的生理感觉特性来分布:在坐骨和腰椎骨(第2、3 腰椎骨附近) 处压力最大,且压力应缓慢向四周减小,从较高压力区向较低压力区平滑过渡。 影响人体坐姿舒适性的其他因素 座椅尺寸 调节功能及范围 座椅表面形状的乘坐稳定性 座椅蒙皮的触感特性等 4.1 手的操纵范围 驾驶员的手伸及界面 人体工程学的手操纵范围中心EO点 汽车室内手操纵装置和操纵钮键的布置变速杆和手制动杆方向盘室内操纵钮键 刮扫面积校核: 设计中要适当选择雨刮轴位置、雨刮长度和刮刷角度。雨刮布置设计应将刮刷面积确定在A、B、C三个区域内,并得到最大的刮刷百分比。 A区:80% B区:95% C区:100% 眼椭圆定义: 通过对驾驶员眼睛所在位置的测量、统计分析得到驾驶员眼睛位置的分布图形呈椭圆状,即“眼椭圆” 95%眼椭圆概念:画一条上切于样板椭圆的直线,则表示有95%的驾驶员眼睛位于此切线的下方,而有5%的驾驶员眼睛位于此切线的上方;同样,画一条下切于此样板椭圆的直线,则表示有95%的驾驶员眼睛位于此切线的上方,而有5%的驾驶员眼睛位于此切线的下方,这样在两条切线之间只包括了90%的驾驶员眼睛位置。由此可见,95%百分位的眼椭圆样板实际上只代表了90%的驾驶员眼睛位置的分布范围。 轿车车身的四大构成 轿车车架结构轿车车架的结构要求轿车车架型式及构造车身的悬置装置 轿车车身本体结构车身前部结构前围结构车身地板结构车身侧围结构车身顶盖结构车身后部结构特殊的承载式车身结构 轿车车门结构轿车车门的组成及设计要求门体结构设计车门附件 轿车车身外装件和内饰结构轿车车身外装件轿车车身内饰结构 副车架结构 轿车的副车架结构型式是为避免发动机、驱动装置和悬架等总成在车身上直接安装时,造成在安装点部位产生集中力流传入而采取的一种结构措施。 将悬架机构、发动机和驱动装置通过软垫安装在副车架上,然后再将副车架通过软垫连接到承载式车身上。通过副车架的设计使传入车身的力得到较好地分配,从而改善车身的受力状况。 副车架结构型式具有较好的减振性能,是一种模块式的结构设计方式。 轿车车身本体是由复杂、大量的薄钢板冲压件焊接、装配成的集合体(金属钢板车身) 。以提供车身所需的承载能力,满足强度和刚度要求 组成轿车车身本体的构件大体可分为三类: 结构加强件结构加强件主要用于加强板件的刚度、提高各构件的连接强度。 覆盖件覆盖件指车身结构中包覆梁、支柱等构件,具有较大空间曲面形状的车表面和车内板件。在车身结构中的功能是: 1、封闭车身; 2、体现车身外观造型; 3、增大结构强度和刚度等 梁和支柱 车身结构设计中应根据组成车身本体各构件的功能要求及特征要求进行设计。 粱、支柱 车身结构中的梁和支柱( 又称车身结构件) ,是指支承车身覆盖件的车身结构零件。 由这些结构件形成的轿车车身承载粱框架结构,是车身结构承载能力的基础,对保证车身所要求的结构强度和刚度非常重要。 构造的功能性设计: 装配功能焊接以连接各车身覆盖件,组成车身的封闭壳体; 安装车身各构件或附件,如车门铰链、发动机罩、玻璃、密封条等; 实现车身各活动部分的动态配合。 其他特殊功能设置流水槽结构,设置车身通风风道。 承载式车身的前部结构具有较强的刚度和强度,以支承 发动机 驱动装置 转向装置 悬架 散热器等并承受各种载荷作用。 除发动机罩和左、右前翼子板等外覆盖件是可拆的外,一般将其他车前钣金件与车身主体焊接在一起,以形成一个四周封闭的空间。 车身前部承载体 车身前部结构的横向承载单元 由前大灯框架、前横梁、发动机罩前支承板等构件焊接组成 车身前部结构两侧的纵向承载单元 由前翼子板支架、挡泥板、悬架支座、前纵梁、轮罩等构件焊接组成 前围结构 轿车车身前围是分隔车身前部与座舱的结构总成。一般由前围上盖板、前围板、前围侧板和转向柱支架横梁等构件组成,它与地板以45°角连接。 车身前围对保证车身的扭转刚度、改善座舱舒适环境和提高撞车时的安全性等起着重要的作用。 车身地板结构 轿车车身地板结构主要由地板、地板梁、支架、地板通道、门槛、连接板、座椅支架等构件组成。 轿车车身地板是车身的支承部分。无论是非承载式车身还是承载式车身,在结构设计上,车身地板结构都应提供足够的强度和刚度,从而保证车身的承载能力。因此,除地板构件外,在结构上设置加强梁、连接梁等承载构件是必要的。 底部梁框架结构的设计特点及要求: (1) 多采用封闭断面的抗扭箱型梁。 (2) 各梁构件采用不同厚度的钢板材料,尽 量降低地板高度。 (3) 底部前纵梁和后纵梁与地板结构的连接, 一般采用叉型梁设计原理,将力流分成许 多分支传递是有利的。 车身顶盖结构 顶盖由顶盖前、后横梁和顶盖侧梁支承,并焊接在其上,从而其刚度和强度得到增加。 从扩大视野和提高上下车方便性考虑,广泛采用薄车顶、四周小圆角过渡的顶部结构形式结构设计中保证顶盖的刚性,减小振动噪声非常重要。 轿车车门结构 轿车车门是车身侧围的重要组成部分,一般采用旋转式车门。 从功能、造型等方面来看,滑动式车门和鸥翼式车门在多用途轿车、跑车上已开始(广泛)应用。 由于跑车车身较低、侧围造型弧度大等特点,采用鸥翼式车门能避免旋转式车门在铰链布置上的矛盾、具有上下车方便性改善,车门玻璃面积大,侧向视野好等优点。 组成( 轿车车门一般由门体、车门附件和内饰盖板三部分组成) 轿车车门设计要求 (1) 车门开启时应保证乘员上下车的方便性。合理确定车门数、车门的开口位置、设计 车门的开口大小和形状。并且车门要能停留在最大开度的位置上; (2) 车门开启过程中不应与车身的其他部位发生位置干扰; (3) 车门关闭时,要锁止可靠、安全,行车中不会自动打开; (4) 车门机构操纵要方便,包括开关车门自如,玻璃升降轻便等; (5) 应具有良好的密封性能; (6) 具有大的透光面,满足侧向视野要求; (7) 门体应具有足够的强度和刚度,保证车门工作可靠、减小车门部分振动、提高车辆侧向碰撞的安全性。以及足够的车门安装刚度,防止车门下沉; (8) 良好的车门制造、装配工艺性; (9) 造型上应与整车协调一致,包括外表面形状,覆盖件的分块、门缝设计和内饰。 车门铰链 轿车车门一般采用合叶式铰链(具有质量轻、刚度高、易装配等优点)。 根据车身外形的造型特点,可将铰链轴线内倾一定角度布置,有利于在保证铰链间距的条件下,增大轴线的外移程度。同时这种布置会使车门有自动关闭趋势。 一般来说,上铰链的上端到下铰链的下端要保持400mm左右的间距。 车门铰链轴线确定后,必须以轴线为旋转中心,进行车门开启运动校核,检查车门在最大开度位置时,有无与车身其他部位发生干涉。一般车门最大开度角取65°~70°范围。设计中确定车门最大开度角应考虑上下车的方便性,上车后的关门方便性,以及避免车门与车身各部分发生干涉等条件 保险杠的结构型式: 吸能式保险杠是被广泛采用的保险杠型式,主要有液压吸能式和塑料式保险杠。 车身外部装饰类部件 轿车车身外部装饰类部件一般采用螺钉、塑料扣钩、不锈钢卡夹、弹簧卡扣,以及粘接等方式安装在车身外表面上,在车身结构设计中,使用这些装饰件的作用主要表现在: (1) 车身造型要求; (2) 钢板结构周边的遮蔽; (3) 防止车身结构转角部位、突出部位的撞伤,以及这些部位对行人的伤害; (4) 车身结构端部的密封,提高防腐性。 空气动力学应用 从种类上分,汽车气动阻力由五部分迭加构成,分别是: 形状阻力 干扰阻力 诱导阻力 内部阻力 摩擦阻力 以上五个力在行车中会围绕重心产生纵向(阻力)、垂直(升力)和侧向(侧摆力)三个方向的气动力,其中纵向气动力是最大的阻力,直接影响动力性和燃油经济性。 风阻系数Cd值与汽车形状有关。当长度直径比 l/d≈2.4时Cd值最小,是为0.04,也就是说,空气动力学意义上具有“较好”形状的物体是纺锤形流线体。 理论和实践证明, 楔形是最好的形态。 减小气动升力的措施 减小升力首先应从汽车整体造型方面来考虑、尽量改变下大上小的压力分布。因此,汽车外形应避免接近典型的翼剖面,最好是具有—定的负冲角,即前低后高:楔型> 船型> 鱼型(斜背式)> 甲虫型 a.扰流器。通过对流场的干扰影响,调整汽车表面压力分布的装置,如鸭尾式后脊。 b.负升力翼。装在车尾部,产生垂直向下气动力的翼型元件。 减小扰流的措施 a、减少外表面零件:后视镜、雨刷、门把手、车标及各种装饰件等。 b、去掉车身表面的凸起物:如采用粘贴工艺来固定车窗玻璃,雨刮在不工作时应将刮杆和刮片置于风挡下端凹槽内。另外,适当提高离地间隙、改善底板不平度、设置轮罩及侧护罩等光滑车身表面的措施都有助于减少湍流。 1、流线型的基本形体 2、光滑、封闭的车身,最大程度的减少可能引起扰流的附件,如增加封闭式轮罩、用隐藏式摄像仪代替后视镜、去除门把手采用遥控或语音锁等,令车身尽量“干净”。 3、适当地辅助能够强化气动性的附件,如车身局部开通气孔、安装可调节的尾翼等。 减小横向侧摆的措施力 侧向稳定性——横风实验 风压中心C.P. V.s. 质量中心C.G. 形心在质心之前,受风时则容易顺时针旋转,偏离航道; 形心在质心之前,受封时则容易逆时针旋转,趋于稳定; 结论措施: 质心最好放置于L/2之前,而形心位于质心之后。