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汽车车身结构与设计北京理工大学机械与车辆学院林程教授王文伟副教授陈潇凯副教授2016第一节车身总体布置第三章车身总体设计1、车身总布置车身总布置设计是对车身内外形、发动机舱、行李舱、前后围、地板、车窗、内饰总成和部件（仪表板、座椅和操纵机构等），以及备胎、燃油箱和排气系统等，在满足整车布置和造型要求下进行尺寸控制和布局的过程，是在整车总布置的统一要求下进行的，通常由整车总布置的、车身、底盘、发动机、电气以及附属设备等部门的设计人员协同完成。车身坐标系车身坐标系中，X指汽车的前后方向，Y为左右方向，Z为上下方向。车身坐标系车身坐标系按QC/T490-2013《汽车车身制图》中的规定：1X为汽车的长度方向，Y为宽度方向，Z为高度方向；2坐标零平面的确定；按汽车满载时确定零平面；变型车零平面采用基本车型零平面。3通过汽车前轮理论中心线并垂直于高度方向零平面的平面作为长度方向坐标的零平面。零平面前方为负，零平面后方为正。4把汽车的纵向对称中心平面作为宽度方向坐标的零平面，零平面左侧为负，零平面右侧为正。5取沿车架纵梁上缘上表面平直且较长一段所在平面作为高度方向坐标的零平面，无车架的车辆可沿车身地板下表面平直且较长一段所在平面作为高度方向坐标的零平面。零平面上方为正，零平面下方为负。二、车身总布置设计辅助工具人体尺寸百分位用以表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分比。以95th百分位人体尺寸为例，表示人群中有95%的个体，该尺寸小于此值；有5%的个体，该尺寸大于此值。最常用的是5th、50th和95th三个百分位人体尺寸，它们分别表示小、中等和大尺寸。(一)H点装置人体模型是汽车设计必备的一种测量和模拟分析工具，根据用途的不同可分为布置用人体模型、测量用人体模型、动力学分析人体模型和碰撞人体模型等，既有物理人体模型，也有数字人体模型。早期的车身布置使用的人体模型是人体设计样板，常用塑料板材等按1:1、1:5、1:10等常用制图比例制成，用于辅助制图、乘员乘坐空间的布置和测量、校核空间尺寸等。SAEJ826人体设计样板早期的车身布置使用的人体模型是人体设计样板，常用塑料板材等按1:1、1:5、1:10等常用制图比例制成，用于辅助制图、乘员乘坐空间的布置和测量、校核空间尺寸等。布置和测量用人体模型H点装置HPM是用于建立车内布置的关键基准点和尺寸的物理工具。H点装置的主要用途:1)在车身布置时,用于建立车身内部的基准点和尺寸。2)对这些关键基准点和尺寸进行物理验证。3)进行对标时测量竞争车型的布置参数。4)用于座椅的设计、审核和对标。H点装置上的基准点和关键尺寸H点:是H点装置上躯干与大腿的铰接点,模拟人体躯干和大腿的铰接中心。H点行程路径、乘坐基准点（R点）、D点、K点、AHP、(二)眼椭圆眼椭圆(Eyellipse)是指不同身材的乘员以正常姿势坐在车内时，其眼睛位置的统计分布图形。眼点(EyePoints)简称E点,代表眼睛位置，是视野设计过程中视线的出发点。眼点有左右两个，分别代表左右眼睛的位置，左右眼点的距离为65mm。头部转动点(NeckPivotPoints)摇简称P点，是驾驶人头部水平转动的中心点，与E点等高，位于左右眼点连线中点后方98mm处。P1点和P2点，分别用来计算驾驶人左、右侧A柱的双目视野障碍角。P3点和P4点，分别用来计算驾驶人左、右侧后视镜的间接视野。眼椭圆尺寸和定位最常用的A类车可调节座椅的眼椭圆尺寸和定位方法（SAEJ941）(1)眼椭圆的尺寸：主要是指长轴、短轴和竖轴的尺寸,其数值与人体尺寸的数值有很大关系。(2)眼椭圆的定位：包括确定椭圆中心位置和倾角。眼椭圆尺寸和定位1）椭圆倾角的计算：眼椭圆的三个轴线互相垂直。轴线Ay方向平行于汽车坐标系y轴方向。对于A类车可调节座椅的眼椭圆，长轴轴线Ax与水平面的夹角应根据H点调节轨迹倾角A19计算。2）椭圆中心的计算：椭圆中心的三个坐标分量Xc、Yc(分别以Ycl和Ycr代表左、右眼椭圆中心的Y坐标)和Zc，分别以PRP、OY和过AHP的水平面为定位基准。3）适合美国人的A类车可调节座椅眼椭圆定位公式95百分位眼椭圆(座椅行程大于133mm)中P1、P2、P3、P4位置影响眼椭圆定位的布置参数眼椭圆的应用以SAE眼椭圆为理论依据，可进行内外视镜布置、驾驶人前方视野的设计和校核、车身A/B/C柱盲区的计算、仪表板上可视区的确定、刮水器布置和刮扫区域校核和遮阳带位置的确定等。利用眼椭圆进行驾驶人前方下视野设计的方法电动客车人机工程学优化(三)头廓包络头廓包络指不同身材的乘员以正常姿势坐在适宜的位置时，其头廓的包络，用于在设计中确定乘员所需的头部空间。通过对人头部尺寸进行测量和统计，SAE制定了平均头廓线来描述侧视和后视方向头廓的平均尺寸。将平均头廓线样板上的眼点沿着眼椭圆轮廓上半部分运动，平均头廓线随之平动，描绘出的各个位置平均头廓线的包络就是头廓包络面。SAE平均头廓线及包络面头廓包络面的尺寸和定位对于驾驶人和前排乘客，头廓包络在Y方向的尺寸要向外延长23mm。行程可调节座椅的头廓包络面只在侧视图有向前下方的12度的倾角，其他视图倾角都为零。对于固定座椅，头廓包络在各个视图方向的倾角都为零。SAEJ1052标准中，对应各种座椅水平调节行程的乘员头廓包络面尺寸(距离头廓包络中心的距离)A类车座椅可调节的驾驶人头廓包络面(TL23133mm)头廓包络面的尺寸和定位头廓包络面可以利用眼椭圆的位置直接进行定位，也可以在整车坐标系中进行定位。1)利用眼椭圆的位置定位。无论是固定座椅还是行程可调节座椅，当定位眼椭圆之后，可以直接根据左右眼椭圆中心连线中点(双眼中心)来定位相应的头廓包络。2)在整车坐标中定位。头廓包络还可以直接在整车坐标中进行定位。头廓包络的应用乘员头部与车身结构之间的空间对于保证乘员头部活动，以及在颠簸和翻车等情况下头部拥有必要的缓冲具有重要意义，但这个空间设计过大会浪费空间，并增大汽车正面迎风面积而使空气阻力加大，必须科学合理地选取头部空间尺寸。(四)驾驶人手伸及界面当驾驶人操纵汽车行驶时，其神经总是处于较为紧张的状态，必须保证驾驶人在身体躯干部位不大变动的情况下，能方便地操纵转向盘、踏板以及各种附件。为此，SAEJ287给出了驾驶人手伸及界面的含义及其应用程序。概念：驾驶人手伸及界面是指驾驶人以正常姿势入座、身系安全带、右脚踩在加速踏板上以及一手握住转向盘时，另一手所能伸及的最大空间界面。通用布置因子：G因子，反映乘坐环境布置的代数式：HR基准面：用于定位驾驶人手伸及界面的平面。它平行于汽车坐标系YZ平面，位于AHP后方，到AHP的距离为：d=786-99G驾驶人乘坐环境布置尺寸驾驶人手伸及界面的描述驾驶人手伸及界面数据是在手伸及界面测量台上测得，再经统计分析后得到的。将在测量台上测得的数据根据G因子和男女比例进行分类，对于三点式安全带和两点式安全带各列成21张数据表格，用来构造手伸及界面。G因子分成G-1.25、-1.24G-0.75、-0.74G-0.25、-0.24G0.24、0.25G0.74、0.75G1.24和G1.25七档；驾驶人男女比例分为50:50、75:25和90:10三种。每张表格对应着一定范围的G因子值、确定的驾驶人男女比例和安全带形式。驾驶人手伸及界面数据表格驾驶人手伸及界面在车内的定位要建立驾驶人手伸及界面,首先要定位HR基准面。然后,根据表格中的数据就可以构造出手伸及界面。HR基准面的定位方法如下：1)确定驾驶室内部的设计尺寸和驾驶人的男女比例,并计算G值。2)计算HR基准面X方向的位置。如果786-99GL53，HR基准面位于SgRP处；反之，HR基准面位于AHP后方786-99G处(五)数字人体模型以人体参数为基础建立的数字人体模型，是描述人体形态和力学特征的有效手段，是研究、分析、设计和评价人机系统不可缺少的测量和模拟工具。借助数字人体模型，以往要在现实环境中完成的实验，在CAD虚拟环境中就能完成，而且还能够模拟更多的人的特征，例如人的力量、活动、与物体接触时身体的变形等三、车身硬点尺寸硬点(Hardpoint)，是指对于整车性能、造型和车内布置具有重要意义的关键点。硬点尺寸是指连接硬点之间、控制车身外部轮廓和内部空间以满足使用要求的空间尺寸。轿车的硬点尺寸包括外部尺寸和内部尺寸。外部尺寸包括总长、总宽、总高、轴距、前/后悬长、前/后轮距、接近角、离去角和最小离地间隙等；内部尺寸包括车室内长、宽、高，以及发动机舱和行李舱容积等。车身的硬点尺寸关系必须满足汽车的各项要求。硬点尺寸前缀和编号在SAEJ1100中给出了硬点、硬点尺寸代号、定义和测量方法。硬点尺寸代号采用前缀加数字加后缀的形式表示,部分前缀和数字的含义见表3-9。后缀用“-1”、“-2”的形式表示该尺寸为第一排、第二排座椅车身外部尺寸长度方面的尺寸主要有轴距、车长、前悬、后悬等；车身外部尺寸宽度方向的尺寸主要有轮距、车宽、翼子板间距等；车身外部尺寸高度方向的尺寸主要有车高、最小离地间隙、门槛高度、保险杠高度、车灯高度等；车身外部尺寸角度方向尺寸主要有风窗倾角、侧窗倾角、接近角、离去角、通过角等。车身内部尺寸车身内部尺寸主要包括长度、宽度、高度和角度等方面的尺寸，SAEJ1100对内部尺寸给出了详细的规定。车身内部尺寸主要影响驾驶员和乘客的乘坐空间和驾驶员操控转向盘、变速杆、仪表板操纵按钮等的方便性，这些尺寸数值的确定一般是借助于H点装置、眼椭圆、头廓包络等车身布置工具。车身内部尺寸车身内部长度尺寸车身内部尺寸车身内部宽度尺寸车身内部尺寸车身内部高度尺寸四、车身部件布置设计发动机舱需根据发动机、变速器、进气系统、散热器、蓄电池及其他各种附件、电器系统等的尺寸和布置来确定其空间。在进行发动机舱布置时最核心的问题是确定动力总成的位置及动力总成及附件与车身零部件之间的合理间隙。（一）车身前端（Front-End）布置1.发动机舱布置1、发动机舱布置发动机的上、下位置：影响造型、视野、离地间隙等等发动机的前、后位置：影响汽车轴荷分配和离地间隙，前悬架和转向传动机构的布置。对于发动机前置后驱的汽车，为减小传动轴夹角，一般将发动机布置成倾斜的形式，动力总成的位置可由曲轴中心线与发动机缸体前端面的交点k和曲轴中心线的倾角α（一般为3～4°）两个参数来确定。发动机的前、后位置应与上、下位置一起进行考虑，前后位置确定以后，就可以确定汽车前围板和冷却模块的位置。发动机动力总成布置1、发动机舱布置发动机舱在进行布置时要充分考虑各种正向碰撞的要求，如56km/h正碰和64km/h偏置碰撞。发动机布置是否合理，直接的表现就是前围板变形和发动机舱内零件对乘员的伤害，因此在进行总布置时要确保发生碰撞时发动机舱内的零件不能侵入乘客舱。在汽车与行人发生碰撞时，还要减少对行人的伤害，包括小腿、大腿、成人头部和儿童头部等主要的身体部位。在进行发动机舱布置时要特别注意保险杠的高度及与舱内部件的距离、发动机盖与舱内部件的距离的设计。1、发动机舱布置EuroNCAP根据包络线距离（WrapAroundDistance，WAD）把发动机盖进行了碰撞区域的划分。所谓包络线距离，是指从地面开始计算，围绕汽车前端沿发动机罩向后，所得的包络线的距离。1000～1500mm包络线之间的区域代表儿童头碰撞区域，要求该区域发动机盖和舱内部件的距离大于70mm，1500～2000mm包络线之间的区域代表成人头碰撞区域，要求该区域发动机盖和舱内部件的距离大于80mm，发动机盖前沿1000mm包络线以下区域，发动机盖和舱内部件的距离大于170mm。2、前围布置前围将发动机舱与车室隔开。在前围上盖板上固定前风窗玻璃，其车室内侧安装仪表板，外侧支撑发动机罩、安装刮水器，前围下部与地板连接。前围车室外侧还装有隔热和减振、离合器和转向盘等的支架，以及暖气设备等。在前围布置时应保证前围板到发动