34汽车车身结构设计技术与方法

3.4汽车车身结构设计技术与方法3.4.1车身结构设计断面的确定与定位-由断面设计硬点驱动的车身结构设计车身包括金属车身及内外饰件,金属车身又包括白车身和封闭件,即车身包括CLOSURE封闭件(车门,前后罩板,前后盖(门),玻璃和前、后保险杠),白车身BIW(BODYINWHITE),内外饰件和车身附件。白车身(BODYINWHITE)是除车门、前后翼子板(罩板)、玻璃、前后盖(门)、前后保险杠和内外饰件外的其他金属车身件的统称.详见如下各图及如下各项内容。根据3.1,3.2,3.3章节的设计方法，进行车身结构设计如下：a)左/右前车门总成的设计（包括前车门内板、外板、车门铰链、玻璃升降器等的设计）b)左/右后车门总成的设计（包括后车门内板、外板、车门铰链、玻璃升降器等的设计）c)左/右侧围总成的设计d)驾驶舱前围总成的设计e)顶盖总成的设计f)地板总成的设计g)前舱盖板的设计h)后行李箱盖或后背门的设计i)前上下横梁及前灯架设计j)后围横梁及灯架设计k)发动机舱结构设计l)驾驶舱与行李舱隔板及梁的设计m)其他零部件系统设计图3.4.1将车身设计断面的分类与编号2图3.4.2基于参考车型的BENCHMARK断面的断面设计图3.4.3选定车身密封断面的设计方案图3.4.4确定车身基本设计断面车身结构设计的步骤与过程如下所述:3图3.4.5建立benchmark车型白车身数字化原型车设计建模图3.4.6定位基本断面到设计造型面图3.4.7基本断面的定位主轴线造型面硬点4图3.4.8详细设计基本断面3.4.2开闭件设计开闭件(CLOSURE)一般包括4门2盖或5门1盖(两厢有后尾门汽车)。1、车门设计车门外板设计是根据光顺好的整体造型面和车门轮廓线的切割面片基础上加上周边翻边和门锁等特征后的车身零件.分缝线通过两种方法获得(a)一般先将汽车内外外观面整体造型面光顺到A级曲面(CLASSA),同时将造型边界线投影到XZ铅垂平面后光顺到A级曲线,然后采用该投影的边界线投影到光顺好的A级大造型面上与造型面相交获得的边界线,该交线理论上肯定也是A级曲面。一般可以经过几次光顺和几次投影，以便检查交线是否是CLASSA线。(b)当然也可以采用空间曲线光顺后与曲面相交，反复相交反复光顺的方法,相交后将交线进一步光顺新获得的边界线,然后,再将该线投影到光顺面上获得更新的边界线,重复这一过程直到使面上相投影相交获得边界线达到A级曲线要求为止,然后用最后获得的边界线作为车门边界线,并与大的光顺面相切割而得到车门外板面。这两种方法各有优缺点,第一种方法效率高,易学易用,第二种方法可以获得比较精确的边界,但不容易光顺。外板面设计好后,然后将锁机构等有关设计硬点特征加上去便完成了车门外板设计(详见如下图片),较大的门外板需与内板或门侧向防撞梁采用传力胶粘接进行支承,绝不允许直接接触外板焊接,因为防止外面热变形和几何干涉变形。车门内板就是先建立门锁,基于造型面与造型边界线硬点,预先在考虑车门密封要求,便确定好设计断面,断面便成为设计硬点,考虑门四周边界与门框之间尽可能有等距离间隙(一般10~20mm),并由密封条将门撑起在空中,并由铰链与锁三点定位门的位置.绝不允许门与门框之间的金属接触。并将众多设计断面摆在造型面与边界上而获得断面引导线硬点。然后,在玻璃升降器等COPY件的数模基础上,由这些附件和相关零件考虑到造型特征的三维装配获得的若干个控制点线面(也就是设计硬点)，然后未控制的区域可在满足最大刚度最轻量化等自由设计区设计原则情况下按照工艺性要求进行结构设计，开孔或起筋随结构而定，实际说它难也难，不难也不难，就是设计控制硬点先定了，然后进行结构设计。也可参考同类型车去做,如边界卷边,沉孔设计方法,筋的形式等等基于经验和知识的自由设计区设计,也就完成了车门内板的设计。如果将内外板及所有零部件都装配起来并检查后,就完成了全部设计工作(详见如下图片)。原则上必须参数化建模。如果需要两维图,用三维数模进一步绘制两维车身图。5图3.4.9车门设计断面的设计与建模图3.4.10车门铰链等车门附件建模以便确定车门设计硬点图3.4.11玻璃升降器及锁机构设计与建模以便确定车门设计硬点6图3.4.12车门COPY件装配建模与内板设计硬点确定66前车门内板前车门内板前车门外板前车门外板图3.4.13基于造型硬点,车门设计断面及其它设计硬点的车门内外板设计与建模7图3.4.14车门总成总装设计与建模以便检查设计硬点的满足情况和装配质量检查2、前后保险杠设计保险杠外曲面设计是根据造型面加特征进行,然后进行保险杠的内结构、定位与支承结构设计。保险杠一般都是PVC塑料模具压成，或塑料注塑,还有用玻璃钢糊制，有些保险杠考虑金属支架，金属支架大家要注意的一点是大家切记，支架的结构要参照同类结构，常用5mm~15mm的螺栓，要用足够数量的螺栓，否则，它的疲劳寿命不够，虽说强度够，但它疲劳寿命不够，用不到10万公里，由于震动，它就掉下去了，所以好多车，为什么放大尺寸了，或者说不仅强度解决了，它还要考虑疲劳和寿命因素，实际我们在搞设计时强度解决了，还要考虑挠度,疲劳和寿命等多种因素，实际在进行设计时，是多因素考虑的。可能考虑它的寿命和安全性，疲劳寿命就是考虑它长期使用不会断，不会出问题。比如保险杠支架，因为是和车身其他件的安装，还有是塑料的安装，塑料件是要加塑料加强内板与外板在翻边处塑料焊接，一些件金属预埋进去。支架的刚度也要考虑它会不会变形等诸多因素。因此产品设计要尽力参考同类车型成熟产品结构即BENCHMARK研究十分重要。图3.4.15基于造型硬点的前后保险杠外形面设计和建模8图3.4.16前保险杠结构与格栅设计和建模图3.4.17后保险杠采用塑料内加强板结构3、前后罩(盖)的设计罩(盖)分别为发动机罩和行李箱盖.发动机罩又分为内外板,外板是按照造型面用边界线切下加翻边的零件,内板是在满足最大刚度原则和最轻量化原则情况下进行结构优化设计。最好是按照拓扑学原理进行内板掏空成孔状翻边设计,当然也可以使用BENCHMARK结构和设计方案，以便减轻重量增加刚度。但除边界卷边区域10~15mm一周与外板设计成贴合外,所有内板区域设计要离开外板平面大于3~6mm,以防止制造误差产生的形状干涉,如果面积大,可以在内板的部分区域设计成可注入胶的筋和槽,用传力胶将内外板刚度加强。传力胶是特制高硬度固化胶，有两种,一种是固体形状的特制橡胶,在油漆房中由于80度温度自动硫化成传力胶,另一种为液状胶,几个小时后会形成硬度起传力作用。内板设计可以参考同类车型BENCHMARK结构基础上进行设计,然后进行精确的有限元分析和优化来确定。图3.4.18基于造型硬点及设计断面硬点及自由设计区硬点的发动机罩与行李箱盖设计4、前翼子板设计从造型面按照分界线切割后加上必要翻边,及一些螺丝支承小翻边面和螺丝孔后的零件.造型分界线可以从油泥模型上获得造型分块线粗投影到XY水平投影面上的分块线光顺后,由这些线再反投影到前罩板的外造型面上,获得切割线,然后进一步在YZ铅垂面上进行校合,尤其校合前视图的间隙是否均匀和一致。5、开闭件中部分零部件的设计原则和设计注意事项（1）、车门铰链的设计原则9车门铰链是车门能符合设计者的设计思路、按照它的运动轨迹运动的保证。如果铰链的设计出了问题那么，乘客就无法顺利地进出了，可见其重要性！门铰链装置是确定车门与车身的相对位置，并能控制车门运动轨迹的装置，它包括门铰链和限位器。铰链是车门和车身相联接，能够绕上下方向的同一轴线回转且相互结合部件的总称。门铰链的技术要求：门铰链表面应进行防腐蚀处理，并符合制造厂要求。门铰链的最大开度角应不小于设计要求的车门开度角，门铰链的最小关闭角应小于设计要求的车门关闭角。对于装有车门开度限位器的门铰链，其限位应可靠。纵向负荷门铰链装置应能承受11110N的纵向负荷，不得脱开。横向负荷门铰链装置应能承受8890N的横向负荷，不得脱开。耐久性门铰链装置应进行10万次耐久性试验，试验后门铰链应能正常工作，并能满足4.4和4.5的要求。门铰链的布置，布置门铰链时考虑的几个方面：a)铰链型式的选择铰链的选择的基础是：要能够符合车门的旋转，符合设计时的空间要求和过行程旋转标准。b)铰链在平面上的定位内表面极限线是用来确定铰链在侧围部件上的位置的，上下铰链的右角都是用来定位的，此时我们就可以比较方便地确定中心线了。ⅰ计算内表面极限线ⅱ从内表面极限线出发，利用合适的标准铰链在后视图上给上铰链定位。ⅲ在设计时允许的两个铰链之间的最大距离，给下铰链在后视图上给下铰链定位。c)车门长度车门的长度是从铰链的中心线到在侧视图上类似鱼嘴地方的中心线所测得的距离。d)车门的开度角车门的最大开度一般由车门的限位器来限制。它的作用是防止车门外板与车体相碰，还必须能使车门停留在最大开度，起着防止车门自动关闭的作用。习惯上，车门的最大开度一般在65°～75°，这是根据上、下车方便，上车后关门方便以及车门与车身不干涉等条件而定的。现在常使用限制器与铰链结合在一起的结构，即采用气弹簧和连杆机构与铰链组合成一体。在气弹簧的作用下，机构对车门产生绕固定轴O1转动的力矩M1，当车门开启到超过中间位置时，此力矩驱动车门自动打开。为了操纵方便，车门维持在最大开度位置的力矩以20N·m～30N·m为宜。前车门：56°-64°后车门：60°-70°有的达到75°甚至80°e)铰链的内外倾角分别是指铰链轴线在x=0平面上的投影与z轴之间的夹角，铰链轴线在y=0平面上的投影与z轴之间的夹角。铰链轴线内倾角一般为0°～4°铰链是车门总成与车门本体的连接件之一，当车门关闭时，车门上的承力件为门锁和铰链；打开车门时，车门的重力完全由铰链来承受!铰链轴线的布置会影响车门的开度、门柱的尺寸以及车门开缝线的位置和形10状!在布置铰链时，应注意在结构允许的情况下，车门上下两铰链之间的距离应尽可能大!为了避免打开车门时与其它部分干涉，铰链的轴线应尽可能外移，使其靠近车身侧面!车门上下铰链必须布置在同一直线上，并具有内倾角和后倾角，从车的侧面看过去，一般是一条向车后侧倾的直线；从车的正面看过去，应为一条向内倾的直线!如图所示，先确定铰链轴线沿车身方向的尺寸变化范围（X1，X2），并在此范围内任选一值Xm，将轴线限制在与X轴垂直的平面x=Xm内，⑴在x=Xm平面内确定铰链轴线的倾斜状态：先分别求出x=Xm平面与内外板曲面的交线C1和C2，并求出C1和C2对应的Y方向的极限坐标位置Ymin（内板投影线最左端）、Ymax（外板投影线最右端）；⑵在X=Xm平面内通过输入直线方程y=B，B∈（Ymin，Ymax）来生成一条与Z轴平行的轴线Z1Z2；⑶确定铰链轴线中心点的Z坐标值：通过内板上下边框或外板上下边框求出平均位置坐标z=C，并根据它在y=B直线上求出一点O；⑷根据铰链轴线内倾角范围θ∈（0°～4°），将y=B直线绕O点逆时针旋转θ角度，得到轴线位置O1O2。根据铰链间距L（300mm，500mm），以铰链中心O为初始点，沿直线y=B确定两点D和E，使两点间线段长度为L，调整L值以及轴线外板的距离，保证在铰链宽度方向不与外板干涉的情况下，轴线尽量靠近外板的极限位置（L值确定已知时）。若L值可以改变，则可以考虑稍微减小L值，但轴线更靠近外板（车门外板曲率较大时）。可以通过改变最初的B值重新生成轴线O3O4或作O1O2的平行线来改变轴线到外板的距离。当轴线位置最终确定后，根据D，E两点位置可将铰链模型正确地放入车门门腔内，待进一步运动校核及干涉检验。f)铰链中心距由于受到车门外形曲线的限制,一般希望上下两个铰链的跨距在350mm～500mm之间，大多保持在400mm左右。铰链中心距／车门长度=33%或更长例如：铰链中心距=377.19mm车门长度=1143.0mm377.19／1143.0=33%（2）、发动机罩、后行李箱的设计原则a)舱盖在铰链处需设计成向内收口，否则打开会干涉；b)舱盖的最大开启度需略大于处于被支撑状态时的开启度；c