汽车车身结构设计

汽车车身设计AutomotiveBodyDesignDept.ofAutomotiveEngineeringJiangsuUniversity主要内容1.车身结构设计2.车身骨架设计3.板壳零件4.结构工艺性5.耐腐蚀性6.弹性振动与隔震7.噪声控制第8章车身结构设计8.1什么是车身结构设计？–车身结构设计之前已完成工作•汽车总体设计•车身总布置设计•车身外形和内饰设计–完成构成车身的结构件的形状、尺寸以及结构件之间联接关系的设计8.2车身结构设计的发展历史•自行车--汽车的技术先驱–第一种大量生产、用于人员运输的机器–1816-1818首次将两轮车的思想变为实物–1885年，现代自行车的基本型在商业上获得成功–由此出现的种种变革的要求为汽车的出现奠定了基础8.2车身结构设计的发展历史•向自行驱动的车辆过渡–三轮电能驱动车–蒸汽机驱动的四轮车–内燃机驱动的车•荷兰人ChristiaanHuygens•法国人EtienneLenoir•德国人NicholasA.Otto–英国人Lanchester•根据基本原理进行功能性设计–钢管铜焊构成车架...8.2车身结构设计的发展历史•大量生产时期（1900-1927年）–大约五百多家汽车生产公司–1929年：产生了“设计”车身结构以使汽车有较轻重量的“需要”。–1900年出现了第一个金属车身专利–主体仍然是木、钢结构的车身8.2车身结构设计的发展历史•美观和舒适的时期（1927-1956年）–提出了对汽车的基本需求•经济•耐久、可靠•舒适、吸引人•操纵、使用安全8.2车身结构设计的发展历史–1926年开始出现车身造型设计的实践–借助于试验和其它的一些基本工具，对车身的结构进行了有效的设计–汽车的基本结构已定型8.2车身结构设计的发展历史•安全时期（1956-1970）–着重考虑如何减轻汽车碰撞后的后果–美国颁布了安全法规–结构设计仍然以实验方法为主，开始研究计算分析的理论和工程方法8.2车身结构设计的发展历史•计算机结构分析时期（1970年以后）–特定构件的应力计算–有限元方法8.3车身结构设计主要内容•车身结构设计的主要内容–功能设计•如支撑发动机、变速箱等–性能设计•如安全性、噪音控制等8.4车身结构设计的基本约束和目标–车身结构必须能够承受在其整个使用寿命周期内可能遇到的所有静力和动力负荷–必须提供一个舒适惬意的车内空间、满意的行驶平顺性、操纵稳定性以及对大自然的影响的抵御能力–必须提供对车内外噪音源的隔音–必须保证驾驶员和乘客有适当的可见度–重量轻，需要能量最小–具有抵御空气动力阻力的能力–提供对乘员的安全保护–所用材料来源丰富，价格低廉，便于高效率地制造和装配–汽车使用寿命后材料应能再循环和使用–满足各种环境下的使用要求–成本低，以使千百万人能够买得起8.5车身结构设计准则•工作负荷–运行谱•平均运行工况•运行速度分布•超载形状-动力负荷造成的疲劳损坏车辆行驶模型8.5车身结构设计准则•乘客满意度准则–平顺性–噪声环境•安全准则–汽车安全标准•减少伤害的可能性•将乘员被从车内抛出的可能性降至最小•保证与安全有关的零件有足够的强度•将火灾的危险降至最低8.5车身结构设计准则•整车结构–48.3km/h正面固定障碍物冲击（FMVSS204、FMVSS212、301）•转向机向后位移•挡风玻璃安装条•燃料系的完整性–48.3km/h后面移动障碍物冲击（FMVSS301）–32.2km/h侧向移动障碍物冲击（FMVSS301）–车顶撞压抗力试验8.5车身结构设计准则•车门零部件–侧门强度（FMVSS214）–门锁组件（FMVSS206）•保险杠组件–8km/h的纵向摆锤撞击–5km/h的30度角摆锤撞击–8km/h的纵向障碍物撞击8.5车身结构设计准则•座位组件–头部保护装置–座位总成–座椅安全带固定装置8.6车身结构分析-结构的理想化•车身结构分析的难点-构造的复杂性–边界条件复杂–横截面的变化–板材厚度的变化–...•难以获得精确的解析解8.6结构的理想化•用离散的模型代替连续的模型•用有限元的方法对车身进行结构分析•基本工作过程–基本量：单元–总体结构：单元的装配•位移的转换•力和刚度的转换车身结构有限元模型实例•车身二维模型–考虑正面加载、弯曲、顶面加载和立柱加载8.7车身总成模型8.8车架模型•纵梁：承受弯曲负荷•横梁：提供基本的扭转约束•难点：断面形状突然变化处会出现梁转角的急剧变化，一般用允许变形后轴线斜角不连续的旋转弹簧来模拟。•局部柔量：影响总体结构响应的局部变形，通常发生在集中载荷和结构的连接处。保险杠立柱前板金件应力分析•确定结构形状及其应力分布•实例–散热器支架•用约束模拟螺栓的固紧状况•有216个节点和144个平板单元8.9车身结构设计步骤1.确定车体的构件组成，分出主要、次要件，其目标是：使车体成为一个连续的完整的受力系统。2.确定主要杆件的截面型式-闭或开式；3.确定截面的构成方式、与其它部件的配合关系、密封和外形的要求、内、外装饰板的固定方法以及相关的制造方法；4.绘制截面过渡草图5.化分分总成，分块；6.应力计算；7.绘制零件图。8.10车身骨架设计(1)骨架设计的基本要求强度刚度(2)骨架设计的基本要求–刚度不足有什么问题？•变形•噪音–强度不够有什么问题？•裂纹•疲劳断裂车身结构安全性(3)杆件的设置杆件主要承载件非主要承载件功能所要求设置的，如门柱、窗柱、门槛、门框上横梁、风窗框上下横梁等。加强用，如大客车顶盖上的纵梁和底架周边的搁梁为安装附件而设置的非承载件，如顶盖上为安装顶窗而设置的框架等轿车车体主要杆件窗柱门柱后横梁座椅支撑架地板边梁前纵梁斜地板截面形状截面尺寸（cm）AJKIYWYWKh＝12.8B=4.8T=0.410.0044110.0043H=6.4B=4.8T=0.410.590.690.7330.768D=7.13T=0.4110.6910.6561杆件截面形状与刚度关系•在材料面积A和壁厚t保持不变的情况下，闭口截面的抗弯性能和次于开口截面，但闭口截面的扭转惯性矩要比开口截面大多了。•从提高整个车身和构件的扭转刚度出发，宜多采用闭口截面，但是还需要考虑构成截面的其他因素，如结构功能、配合关系以及制造工艺等等。骨架结构中应力集中问题当受力杆件的截面发生突变时，就会由于刚度突变引起截面变化处应力集中，在经常承受交变应力的汽车车身上，应力集中可能诱发进展性裂缝，导致疲劳损坏。这是车身结构损坏的原因之一。在结构设计时要避免截面急剧变化，特别是要注意加强板和接头的设计。梁上冲孔的解决办法在纵、横梁的“接头”处，容易出现应力集中问题，是车身的隐患，如何解决呢？示例：车身侧板与顶连接接点8.11板壳零件•板壳零件外覆盖件内覆盖件骨架零件车身顶盖，发动机罩外板、门外板、翼子板前围内板（发动机挡板）地板、门内板支柱、门窗框以及各种纵、横梁•设计车身板壳的三个重点问题•问题1：保证板壳构造的合理连接与美观•问题2：保证板壳构造的合理分块•问题3：如何提高零件刚度措施1：合理选用曲面造型措施2：设置加强筋8.12车体结构的工艺性结构工艺性能的是所设计的产品既要满足使用要求，又要能够在一定的生产条件和规模下次，使加工方法最简单、最经济。(1)车身分块对工艺的影响将车身整体形状分成数块能够制造和装配起来的零件称为分块。车身分块必须考虑如下几个方面：（1）分块应考虑钢板材料的尺寸规格。（2）分块应考虑拉延工艺性。（3）分块对制造精度的影响。（4）分块应考虑易损件。(2)车体焊接装配工艺性分总成总成零件合件桑塔纳B2的正面焊点布置(3)汽车车身制造工艺介绍•冲压•装焊•涂饰冲压工艺•建立在金属塑性变形基础上，利用模具和冲压设备对板料施加压力，使板料产生塑性变形或分离，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的零件。•一般可分为四个基本工序•冲裁•弯曲•拉深•局部成形冲压用钢板的类型•按品质分类•普通碳素钢•优质碳素钢：–沸腾钢：05F、08F、10F、15F、20F–半镇静钢：08b–镇静钢：08、10、15、20、30•低合金高强度钢板：09Mn,16Mn,06Ti,10Ti冲压用钢板的类型•按拉深级别分类•厚度为4~14mm的热轧钢板：S-深拉深级，P-普通拉深级，W冷弯成形级•厚度小于4mm的热轧和冷轧薄钢板：Z-最深拉深级，S-深拉深级，P-普通拉深级•厚度小于2mm的深冲压用冷轧钢板和钢带：ZF-冲制拉深最复杂的零件，HF-冲制拉深很复杂的零件，F-冲制拉深复杂的零件•按钢板的表面质量分：A-高级精度，B-较高级精度，C-一般精度(2)汽车车身装焊工艺(3)汽车车身涂饰工艺耐腐蚀性•改善车身的抗蚀性能一般通过二种途径：改进车身结构用保护膜•车身结构设计所采用的防腐措施※使车身结构不能积存水、泥等。※设计时要全面检查并确定容易锈蚀的部位，并采取特别的防腐措施。※两种金属之间的接合，特别易发生电化学腐蚀，应尽量避免。当必须采用时，应在两层板之间使用塑料隔层。车轮不积水结构设计密封胶部位示意图•保护膜的采用※在采用保护膜方面，为了提高车身的耐蚀性和漆膜的密着性，通常先进行磷化处理，再涂以防锈底漆。※有些国家正在对易受腐蚀的车身部件采用镀锌钢板，例如，1985年起陆续投放市场的奥迪（Audi）80、100和200轿车，其车身由镀锌钢板制成。车体的弹性振动与隔震1）车身的振动车身是一个多自由度的弹性系统，在外界力的激励下将产生变形，引起系统的振动。车身振动频率大致在20~50Hz。汽车在轮胎上的振动频率及发动机在其悬置上的振动频率等，与车身低阶频率很接近，因此应注意提高车身的刚度。2）车身板壳的局部振动刚度差的大型覆盖件在震源激励下会引起板壳强迫振动板件振动造成的辐射声和车厢体积的变化是主要噪音源。•解决方法：板上冲压肋•原因：振动波总朝刚性最差方向前进，冲压肋可以切断路径。3）隔震－选置的设计来自路面或发动机等的激励而起的振动，通过悬架或发动机悬置（带阻尼的弹性元件）传给车架，然后经过车身（或驾驶室）在车架上的悬置点传到车身。对于承载式轿车车身，为防止振动直接入车身，在中、高级轿车上常采用将悬架和发动机动力总装置在单独的附加横梁（副车架）上的结构，附加横梁通过橡胶垫与底架的纵梁相连。压缩型悬置橡胶元件剪切型悬置橡胶元件为减少车架变形和振动对车身影响，应尽可能减少悬置点。车内噪声控制•汽车噪声•车外噪声•车内噪声与车身结构关系密切•1）声压级与声强级声压级LP：20lg(p/p0)P0:参考声压，取2*10-5pa声强级LI：20lg(I/I0)I0:参考声强，取10-12/W/M2•2)评价指标美国汽车工程师协会（SAE），根据大量调查，从保护听力不受损害的角度，提出货车驾驶室内噪声不应超过88dB（A），并推荐了驾驶室各频带声压级数值（参考书中表8-2）。轿车车内标准各国根据各自情况确定，请参看书中表8－3，4•3）车内噪声产生机理。。。。车内噪声空气噪声机械性噪声空腔共鸣由车身外部噪声和风噪声组成由固体振动产生•4）车内噪声控制手段：减小声源，改进结构设计思考题：观察车身结构设计中控制噪音的手段