汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)(第六章)

1、汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院林程 教授王文偉 副教授陳瀟凱 副教授2016第六章 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)在的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)由滿足車身結(jié)構(gòu)的基本功能要求為主的功能設(shè)計(jì)逐步過(guò)渡到滿足車身結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能要求(如剛度性能、安全性、舒適性、可靠性與耐久性等性能) 為主的性能設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容包括：1） 確定整個(gè)車身結(jié)構(gòu)應(yīng)由哪些主要載荷路徑和次要載荷路徑的構(gòu)件組成、構(gòu)件的幾何參數(shù)，以及如何布置和連接這些構(gòu)件，使其成為一個(gè)連續(xù)的完整的受力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2）確定車身構(gòu)件采取怎樣的截面形式，如何構(gòu)成這樣的截面，及其與其他部件的配合關(guān)系；構(gòu)件密封或外形的要求和殼體上內(nèi)外飾板或壓條的固定方法以及組成截面的各部分的

2、制造方法及其裝配方法等。3） 建立數(shù)字式全尺寸模型，形成初步的零件表，進(jìn)行方案重量的初步估算，研究基本的裝配方法和制造方法，包括研究材料的選用和車身結(jié)構(gòu)總成如何劃分為分總成和零件，車身裝配連接形式和裝配順序，確定定位參考系統(tǒng)和各種工藝孔等。4）在上述過(guò)程中，可利用CAE 方法同步進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)性能的仿真與分析，包括剛度分析、模態(tài)分析、耐撞性分析、NVH 分析及耐久性分析等。第六章 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié) 概述一、車身結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)車身骨架結(jié)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)(Topology Design) 是指車身結(jié)構(gòu)中梁、柱等承載件的空間布置形式，是車身概念設(shè)計(jì)中首先要完成的工作。車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)淇臻g受車輛總體外形和內(nèi)部

3、布置要求的約束。構(gòu)件的布置是否合理，可以通過(guò)簡(jiǎn)化模型的載荷計(jì)算分析進(jìn)行判斷，在這個(gè)階段，要研究結(jié)構(gòu)拓?fù)淠Ｐ秃投x初始的幾何尺寸參數(shù), 而拓?fù)淠Ｐ褪茄芯繕?gòu)件幾何參數(shù)(如構(gòu)件截面、接頭參數(shù)和板料厚度等) 的基礎(chǔ)。車身和底架結(jié)構(gòu)拓?fù)滠嚿斫Y(jié)構(gòu)載荷傳遞路徑車身結(jié)構(gòu)由構(gòu)件及其接頭組成的車身骨架和板殼零件共同組成，是承受載荷和傳遞載荷的基本系統(tǒng), 其中骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了載荷的傳遞路徑。車身前部敞開部分、散熱器框架、中段乘坐室部分、后部行李艙傳力特性。構(gòu)件布置設(shè)計(jì)時(shí)，尤其要注意乘客室與前部敞開部分相連接區(qū)域剛度的加強(qiáng)，如縱梁到門檻的扭矩盒、前鉸鏈柱上端的前指梁、斜梁或接頭圓角的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)件的布置應(yīng)使通過(guò)前縱梁

4、的力流分散地過(guò)渡到前圍板區(qū)域及地板和門檻。車身結(jié)構(gòu)載荷傳遞路徑在前縱梁的后面，即底架總成的中部，其支撐結(jié)構(gòu)主要是門檻梁和與地板焊接在一起的橫梁。橫梁布置的位置往往取決于座椅的布置，主要用于加強(qiáng)左右門檻之間的聯(lián)系，固定座椅和加強(qiáng)地板的中間通道，并用于承受側(cè)向碰撞力。有利于提高地板的縱向抗彎能力，并便于地板下傳動(dòng)軸和排氣管等的布置。地板總成的后部零件承擔(dān)著后懸架傳來(lái)的力，這些力主要由后縱梁和后地板分擔(dān)。后縱梁與乘客室的連接，原則上與前縱梁相同，即將載荷分流是有利的。車身結(jié)構(gòu)載荷傳遞路徑乘客室上部的框架結(jié)構(gòu)由側(cè)圍總成、前/ 后風(fēng)窗框、前圍板/ 后隔板及車頂梁構(gòu)成，并焊裝上頂蓋。側(cè)圍在車身整體彎曲剛性

5、中起重要作用。前圍板、后隔板分別與前、后風(fēng)窗框相連，具有很高的車身橫向抗剪剛度。對(duì)于階梯背式車身，車尾的后隔板由上部后風(fēng)窗隔板和后座椅支承板組成，用于承受車身扭轉(zhuǎn)時(shí)的剪力。對(duì)于方背式或快背式，在扭轉(zhuǎn)時(shí)的剪力則主要由后部的框架來(lái)承受。車身構(gòu)件的應(yīng)變能計(jì)算車身結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置應(yīng)使車身構(gòu)成一個(gè)連續(xù)完整的受力系統(tǒng)與合理的載荷路徑，結(jié)構(gòu)中的載荷路徑合理與否，可以通過(guò)應(yīng)變能(Strain Energy) 的計(jì)算進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)構(gòu)在載荷作用下發(fā)生變形，于是各部分將儲(chǔ)存一定的應(yīng)變能(彈性勢(shì)能)。結(jié)構(gòu)的構(gòu)件儲(chǔ)存應(yīng)變能的多少是衡量它承擔(dān)載荷多少的標(biāo)志，可以用比應(yīng)變能(應(yīng)變能/ 質(zhì)量, 又稱應(yīng)變能密度) 來(lái)表示。某轎車車身

6、構(gòu)件的比應(yīng)變能1風(fēng)窗上橫梁 2風(fēng)窗下橫梁 3風(fēng)窗橫梁加強(qiáng)板 4縱梁1 5副車架 6支撐板 7前輪罩及與A 柱連接板 8儀表板橫梁 9落水桶 10前圍板橫梁 11前座椅橫梁 12帶前圍板的前地板 13A 柱 14B 柱 15C 柱前板 16C 柱后板 17門檻 18通道 19后縱梁 20后座椅橫梁 21穩(wěn)定桿支座 22后地板 23D 柱與輪罩連接板24后輪罩 25后翼子板 26后內(nèi)板 27上后橫梁 28下后橫梁 29車尾后封板 30車頂框 31車頂 32風(fēng)窗玻璃圖中實(shí)線為無(wú)風(fēng)窗玻璃時(shí)，點(diǎn)畫線為有風(fēng)窗玻璃時(shí)，水平虛線表示平均應(yīng)變能。應(yīng)變能分析從有限元分析軟件顯示的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能圖，可大致看出車身結(jié)構(gòu)中

7、各點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)變，并可由構(gòu)件的應(yīng)變能與結(jié)構(gòu)總應(yīng)變能之比來(lái)表示構(gòu)件的“承載度”。車身扭轉(zhuǎn)時(shí)的總應(yīng)變能為：如果總應(yīng)變能小，則說(shuō)明車身剛度足夠大，或材料沒(méi)有被充分利用，可以將比應(yīng)變能小的構(gòu)件取消或減薄板厚，以便減輕重量。應(yīng)變能大的區(qū)域是高負(fù)荷區(qū)，一般這里變形也較大，因此對(duì)車身剛度影響較大，要考慮是否需要加強(qiáng)。為了最大限度地發(fā)揮材料的效用，應(yīng)該盡可能使材料在結(jié)構(gòu)中的分布與各處的應(yīng)變能成比例，使比應(yīng)變能均勻化。12xWT式中， 為對(duì)應(yīng)Tx 的車身扭轉(zhuǎn)角。二、車身骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)車身骨架中的桿件可分為三類：1）功能所要求設(shè)計(jì)的，如門柱、窗柱、門檻、風(fēng)窗框上下橫梁等；2）加強(qiáng)用的，如車頂橫梁、底板加強(qiáng)橫梁、車門防

8、撞鋼梁等；3）為安裝附件而設(shè)置的非承載件。如頂蓋上為安裝頂窗而設(shè)置的框架等。1）、2） 類是車身的主要承載件，應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，并構(gòu)成一個(gè)連續(xù)完整的受力系統(tǒng)。(一) 車身骨架剛度設(shè)計(jì)車身特別是承載式車身幾乎承載了轎車使用過(guò)程中的所有載荷，車身的剛度特性具有舉足輕重的作用。車身剛度不合理，將直接影響車身的結(jié)構(gòu)可靠性、安全性、NVH性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)。高剛度車身不僅有利于懸架的支持，使汽車系統(tǒng)正常工作，而且有利于改進(jìn)振動(dòng)特性。轎車車身剛度已成為車身行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通常認(rèn)為車身結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，也就具有了足夠的強(qiáng)度，扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度應(yīng)同時(shí)考慮，有時(shí)還要考慮車身尾部彎曲剛度。某轎車各主

9、要部件的剛度貢獻(xiàn)率白車身在整車中的剛度貢獻(xiàn)率最大。如該車在扭轉(zhuǎn)剛度中，白車身的剛度貢獻(xiàn)率達(dá)64%，而前懸架橫梁、前風(fēng)窗和后背門有超過(guò)10% 的貢獻(xiàn)率，其他部件(指儀表板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、保險(xiǎn)板、護(hù)板、座椅等) 貢獻(xiàn)率很小, 為5%，而穩(wěn)定桿由于布置在前懸架前面，所以對(duì)整車的剛度貢獻(xiàn)率為負(fù)值。地板的中間通道構(gòu)件地板的中間通道構(gòu)件在實(shí)例中對(duì)整車的彎曲剛度貢獻(xiàn)率為8，扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)率為7，貢獻(xiàn)來(lái)自于它有約束通道橫向張開變形的通道橫向構(gòu)件?？梢姡黾油ǖ罊M向構(gòu)件能使通道更好地起到承載結(jié)構(gòu)件的作用。(二) 桿件截面設(shè)計(jì)車身?xiàng)U件大多是由薄板成型件組成的，桿件的截面形狀可分為閉口和開口兩類，截面形狀和尺寸對(duì)其截面特

10、性有很大影響。與桿件剛度有關(guān)的截面特性是慣性矩和極慣性矩（扭轉(zhuǎn)慣性積）等轎車車身?xiàng)U件的截面形狀非常復(fù)雜，為了計(jì)算截面特性，首先要?jiǎng)澐謪^(qū)段(長(zhǎng)l、厚度t)，用截面中的區(qū)段連接點(diǎn)的坐標(biāo)值定義截面形狀，按公式進(jìn)行計(jì)算。截面特性比較對(duì)于閉口截面，中線周長(zhǎng)一定，板料厚度一定，極慣性矩Ip 與A 的平方成正比，而截面形狀無(wú)獨(dú)立意義， 所圍面積大小則很重要。圓形截面對(duì)抗扭最有利，矩形截面中，正方形抗扭能力最高，當(dāng)矩形兩邊之比h / b 2 時(shí)， 扭轉(zhuǎn)剛度明顯下降。某轎車車身骨架的截面示例(三) 接頭設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)中兩個(gè)以上承載構(gòu)件相互交叉連接的部位稱為接頭。車身結(jié)構(gòu)的內(nèi)力通過(guò)接頭傳遞，在傳力的過(guò)程中，接頭的變

11、形影響整個(gè)車身結(jié)構(gòu)的變形。接頭剛度白車身結(jié)構(gòu)總成是由承載構(gòu)件、接頭和板殼焊接組成的。構(gòu)件的截面特性、接頭的剛度和板殼的形狀、板厚都影響車身的剛度，而且接頭在很大程度上決定整個(gè)車身的剛度和振動(dòng)模態(tài)，因而影響車身的NVH 性能和耐久性。一般選擇物理意義明確的接頭剛度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，包括接頭各分支(腿) 的扭轉(zhuǎn)剛度、內(nèi)/ 外剛度、前/ 后剛度或上/ 下剛度。這三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)影響車身的整體剛度，如內(nèi)/外剛度值對(duì)白車身結(jié)構(gòu)的總體扭轉(zhuǎn)剛度影響較大。(四) 骨架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中當(dāng)受力桿件的截面發(fā)生突變時(shí)，就會(huì)由于剛度突變而引起截面變化處的應(yīng)力集中。是車身結(jié)構(gòu)損壞的原因之一，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要避免截面急劇變化，

12、特別是要注意加強(qiáng)板和接頭設(shè)計(jì)時(shí)剛度的逐步變化。板厚對(duì)應(yīng)力集中的影響縱橫桿件接頭設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)接頭的形狀和連接強(qiáng)度，可采用角板等連接方式，以擴(kuò)大連接的面積，減小應(yīng)力集中。 接頭的鉚釘數(shù)量和布置、焊縫長(zhǎng)短和布置都應(yīng)恰當(dāng)。理論上, 各桿截面的彎曲中心的軌跡最好相交于一點(diǎn)，以免產(chǎn)生附加載荷。三、車身板殼零件設(shè)計(jì)車身的大型板殼零件可分為兩類:1) 外覆蓋件：如車身頂蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板、門外板、翼子板等。對(duì)這些零件的要求是：表面光滑，棱角線條清晰，與相鄰部件棱線吻合，完全符合造型要求，而且要有一定的剛度。2) 內(nèi)覆蓋件：如前圍板(發(fā)動(dòng)機(jī)擋板)、地板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板、門內(nèi)板等, 即在車身外表面看不見的內(nèi)部大零件。這些

13、零件的剛度要足夠，零件上的裝配尺寸要準(zhǔn)確。車身板殼零件加工車身板殼零件輪廓尺寸都較大，零件形狀多為空間復(fù)雜曲面，有各種各樣的截面和翻邊形式以及不規(guī)則的輪廓尺寸，使用的材料大多是具有良好拉延性能的優(yōu)質(zhì)鋼板，鋼板厚度為0.7 1.2mm。大量生產(chǎn)的準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，投入成本高。板殼零件剛度設(shè)計(jì)板殼零件時(shí)，尤其要注意提高零件的剛度，并考慮如下幾點(diǎn)：板殼零件的剛度取決于零件的板厚及形狀、曲面和棱線等的造型，拉深成形過(guò)程中零件材料的冷作硬化對(duì)提高剛度有利，平直的零件造型是不可取的。可在內(nèi)部大型板件和不顯露的外覆蓋件上沖壓出各種形狀的加強(qiáng)筋。筋的剛度主要取決于它的形狀。為防止拉深時(shí)破裂，深度不宜太大，原則上應(yīng)滿

14、足板料拉深成形所允許的條件。加強(qiáng)筋的布置四、車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)耐撞性實(shí)際上就是車身結(jié)構(gòu)承受碰撞的能力、變形模式以及吸收碰撞能量等綜合能力的體現(xiàn)。車身結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容就是要合理組織車身結(jié)構(gòu)各部分的剛度。1、耐撞性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容車身結(jié)構(gòu)剛度組織：合理布置車身的主要承載結(jié)構(gòu)（如主要的梁結(jié)構(gòu)和接頭結(jié)構(gòu)），并合理配置它們的剛度。合理組織結(jié)構(gòu)的吸能：主要吸能部件吸收主要的碰撞動(dòng)能，次要吸能部件少量吸能，并使盡可能多的結(jié)構(gòu)參與吸能，以提高材料的使用效率。合理組織碰撞載荷的傳遞：即合理設(shè)計(jì)碰撞載荷的傳遞路徑。車身結(jié)構(gòu)剛性設(shè)計(jì)：車身結(jié)構(gòu)剛性設(shè)計(jì)的目的是減小乘員艙在各種碰撞形式中的變形，保證乘員

15、生存空間。車身結(jié)構(gòu)吸能設(shè)計(jì)：在正面和后面碰撞中，允許通過(guò)車身前部或后部結(jié)構(gòu)的變形來(lái)緩沖撞擊，并減小碰撞過(guò)程中車身的減速度?？紤]新材料和新工藝的使用，恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用可以帶來(lái)性能改進(jìn)、結(jié)構(gòu)輕量化、節(jié)約成本等多種好處。2、正面碰撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)當(dāng)車身遭受正面撞擊時(shí)，前部的吸能緩沖區(qū)利用強(qiáng)韌的吸能材料盡可能多地通過(guò)變形吸收因撞擊產(chǎn)生的巨大能量，同時(shí)利用結(jié)構(gòu)上的受力連續(xù)，未被吸收的沖擊能量被分散到整個(gè)車身, 使乘客艙的框架受力相對(duì)均勻，保持其完整性或僅發(fā)生微小的形狀變化，并以褶皺、加強(qiáng)筋等形狀預(yù)先設(shè)置出材料的變形趨勢(shì)，避開可能發(fā)生對(duì)乘員不利的危險(xiǎn)變形，減少正面碰撞導(dǎo)致對(duì)駕駛艙的侵入和保持相對(duì)較低的碰撞

16、減速度，以保證乘員的安全。(1) 車身前部結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)在進(jìn)行耐撞性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮主要吸能部件縱梁的作用，使它們吸收多數(shù)的碰撞動(dòng)能。通常的碰撞事故中，車身前部和后部的大多數(shù)梁結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生的是軸向壓潰和彎曲的聯(lián)合變形。對(duì)于吸能而言，軸向壓潰被認(rèn)為是效率最高的變形模式，彎曲變形是一種吸能效率較低的變形模式。薄壁梁軸向壓潰變形的產(chǎn)生預(yù)壓縮技術(shù)觸發(fā)結(jié)構(gòu)薄壁梁的彎曲變形與塑性鉸產(chǎn)生塑性鉸的要素主要有兩個(gè)：一個(gè)是梁的某個(gè)部位受到彎矩的作用；另一個(gè)是彎矩的作用引起了屈服。因此, 為了防止產(chǎn)生塑性鉸變形，應(yīng)當(dāng)從如下方面采取措施：（1）減小受彎部位所受的彎矩；（2）通過(guò)設(shè)置加強(qiáng)板等方法增加受彎矩部位的彎曲剛

17、度。前端布置觸發(fā)結(jié)構(gòu)為了減小受彎部位所受的彎矩，應(yīng)盡量使薄壁梁的軸線為直線。在梁的前端布置觸發(fā)結(jié)構(gòu)以降低第一個(gè)峰值壓縮載荷，可以減小受彎部位所受彎矩的最大值。也可以利用彎曲變形模式來(lái)提高汽車的耐撞性，如利用彎曲變形時(shí)產(chǎn)生的塑性鉸引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)艙中剛硬的動(dòng)力總成向下移動(dòng)，以減小因動(dòng)力總成撞擊較薄弱的前圍板引起的對(duì)乘員艙的侵入。(2) 乘員艙的耐撞性設(shè)計(jì)一條是通過(guò)乘員艙底部縱梁和門檻梁向后傳遞, 這條路徑承受縱向力的能力最大。因此，通常在其前端布置主要的吸能部件, 如前縱梁。在碰撞中, 縱向力經(jīng)前縱梁、門檻梁和乘員艙底部縱梁向后傳遞。當(dāng)前部結(jié)構(gòu)的壓縮變形較大時(shí)，前輪參與碰撞，縱向力經(jīng)前輪、鉸鏈柱下部結(jié)

18、構(gòu)和門檻梁向后傳遞, 這樣可以防止前部結(jié)構(gòu)繼續(xù)變形而使動(dòng)力傳動(dòng)總成撞向乘員艙。另一條路徑是縱向力經(jīng)前指梁和鉸鏈柱、A 柱、車門及其抗側(cè)撞梁和門檻梁而向后傳遞。此路徑上較大的載荷會(huì)導(dǎo)致前門框的較大變 使碰撞后車門開啟困難，因此該路徑前部結(jié)構(gòu)的吸能能力通常較小。載荷向后傳遞路徑考慮因素縱向的梁結(jié)構(gòu)是乘員艙前部結(jié)構(gòu)中的主要吸能部件?？v向壓縮剛度大的結(jié)構(gòu)，在吸收相同碰撞動(dòng)能的情況下，對(duì)后部支撐結(jié)構(gòu)的作用力也大。如果乘員艙某個(gè)部位可以承受較大的縱向力，則可以在其前端布置縱向壓縮剛度較大的吸能結(jié)構(gòu)或引導(dǎo)縱向壓縮力由此向后傳遞。在縱向力向后傳遞時(shí)，應(yīng)盡量通過(guò)多個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分流，一方面可以增強(qiáng)對(duì)前部傳遞來(lái)的

19、縱向力的支撐能力，另一方面可以降低對(duì)各分支結(jié)構(gòu)剛性的要求。乘員艙設(shè)計(jì)剛度為了滿足為前部吸能結(jié)構(gòu)提供牢固支撐的要求, 應(yīng)將乘員艙設(shè)計(jì)得剛度大一些。如前縱梁與門檻梁間過(guò)渡結(jié)構(gòu)的剛度、門檻梁的軸向壓縮剛度、A 柱與鉸鏈柱的接頭、A柱上接頭和鉸鏈柱下接頭承受縱向力的剛度。為了在偏置碰撞中更有效地發(fā)揮兩側(cè)結(jié)構(gòu)的能力，采用彎曲剛度較大且與端部結(jié)構(gòu)聯(lián)接剛度大的前風(fēng)窗下橫梁和儀表板安裝橫梁。乘員艙結(jié)構(gòu)剛度不應(yīng)隨著變形的增加而突然減小，因?yàn)樵谂鲎菜俣雀蟮臅r(shí)候，需要通過(guò)乘員艙變形進(jìn)一步吸收剩余的碰撞能量。3、側(cè)面碰撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)由于發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)乘員艙允許的壓縮空間有限, 所以車身結(jié)構(gòu)側(cè)面耐撞性設(shè)計(jì)應(yīng)以

20、提高乘員艙剛度、減小乘員艙變形為主要目標(biāo)。 在設(shè)計(jì)側(cè)向撞擊力在車身結(jié)構(gòu)中傳遞的路徑時(shí),，應(yīng)注意幾點(diǎn)。1) 乘員艙橫向結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)圍結(jié)構(gòu)向車內(nèi)的運(yùn)動(dòng)或變形起到了重要的抵抗作用。2) 側(cè)圍結(jié)構(gòu)自身的剛度對(duì)其向車內(nèi)的運(yùn)動(dòng)或變形也起到了重要的作用。3) 車門抗側(cè)撞梁和B 柱將側(cè)向撞擊力分流給側(cè)圍框架，并經(jīng)乘員艙的橫向結(jié)構(gòu)傳遞到非撞擊側(cè)。如何將側(cè)圍結(jié)構(gòu)組織成一個(gè)剛性的整體，對(duì)于減小車門對(duì)乘員艙的侵入非常重要。主要部件的耐撞性設(shè)計(jì)車門。通過(guò)設(shè)置抗側(cè)撞梁，可以將車門受到的載荷分散給兩側(cè)的立柱，減小車門受撞擊區(qū)域的變形。要防止碰撞過(guò)程中抗側(cè)撞梁出現(xiàn)受彎失穩(wěn)。車門抗側(cè)撞梁與車身結(jié)合為一體，有利于將車門所受的撞擊力有

21、效地傳給兩側(cè)的立柱。主要部件的耐撞性設(shè)計(jì)B柱。B柱抵抗向車內(nèi)彎曲變形的彎曲剛度非常重要，要設(shè)計(jì)得足夠大。B柱各截面形狀很復(fù)雜，在各截面處抵抗彎曲的能力是不同的，如果分布不合理，在撞擊中B柱會(huì)產(chǎn)生受彎失穩(wěn)。通常B柱中段受到的彎矩較大。為防止因局部進(jìn)入塑性變形階段而產(chǎn)生塑性鉸，通常采取加強(qiáng)措施。主要部件的耐撞性設(shè)計(jì)門檻梁。側(cè)撞時(shí)門檻梁的變形主要是向車內(nèi)側(cè)的彎曲變形。為防止這種變形，門檻梁中部受到側(cè)向撞擊力后向車內(nèi)變形的彎曲剛度大小和分布都很重要，可以使用加強(qiáng)板、填充發(fā)泡材料等。主要部件的耐撞性設(shè)計(jì)接頭結(jié)構(gòu)。為了防止出現(xiàn)鉸鏈效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)提高接頭結(jié)構(gòu)的剛度，以使側(cè)面撞擊載荷可以通過(guò)接頭結(jié)構(gòu)傳遞給其他主要

22、承載結(jié)構(gòu)。為了提高接頭結(jié)構(gòu)抵抗來(lái)自分支的彎矩的能力，應(yīng)當(dāng)提高接頭結(jié)構(gòu)在此分支方向的彎曲慣性矩或通過(guò)更換材料提高其允許的最大正應(yīng)力。通常可以采取的措施包括改變截面形狀、改變板厚、布置加強(qiáng)板和使用填充材料等。另外，也可以考慮工藝方面的措施，如使用激光拼焊技術(shù)、激光焊接技術(shù)等。主要部件的耐撞性設(shè)計(jì)乘員艙底部橫向結(jié)構(gòu)。在側(cè)面碰撞中，乘員艙橫向結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)圍結(jié)構(gòu)起到了支撐的作用，起主要作用的是橫向的梁結(jié)構(gòu)，如頂蓋橫梁、前風(fēng)窗下橫梁、儀表板安裝橫梁和地板橫梁等。從車身結(jié)構(gòu)抗側(cè)面碰撞設(shè)計(jì)要求的角度，應(yīng)當(dāng)提高它們的剛度并防止在受到軸向載荷時(shí)發(fā)生彎曲失穩(wěn)。4、后面碰撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)低速的后面碰撞：減少因維修帶

23、來(lái)的費(fèi)用。當(dāng)碰撞速度較大時(shí)，希望降低車身的減速度以降低乘員受傷害的可能，并希望乘員艙的變形小。將后部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得軟一些，即通過(guò)設(shè)置吸能結(jié)構(gòu)緩沖撞擊可以實(shí)現(xiàn)這些要求。為了防止后面碰撞中由于后部結(jié)構(gòu)變形對(duì)燃油箱的擠壓，通常將燃油箱布置在壓縮變形區(qū)之外。當(dāng)車輪參與碰撞時(shí)，后輪前面一條新的、剛度較大的載荷路徑開始參與對(duì)撞擊的抵抗，車身后部結(jié)構(gòu)的壓縮量一般不再明顯增加，所以許多轎車的燃油箱被布置在后輪的前面。后面碰撞力向車前方傳遞的路徑后部撞擊力向車前方傳遞的路徑通常主要有兩條， 第一條由后保險(xiǎn)杠，經(jīng)后縱梁傳遞給門檻梁；第二條由后車輪后部結(jié)構(gòu)，經(jīng)后車輪傳遞給門檻梁。對(duì)于第二條載荷路徑，由于當(dāng)輪胎參與碰撞后

24、， 它與其前面軸向剛度較大的門檻梁接觸，導(dǎo)致對(duì)撞擊的抵抗明顯增加，所以碰撞吸能區(qū)通常被布置在后車輪后部，而將后輪作為變形限制器加以利用。后縱梁是后部結(jié)構(gòu)的主要吸能部件，還要考慮備胎的影響。車身輕量化使后部長(zhǎng)度有變短的趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)提高后部結(jié)構(gòu)吸能的效率，還要控制后縱梁的變形模式，防止發(fā)生嚴(yán)重的彎曲變形。5、滾翻時(shí)車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)車頂變形引起乘員生存空間喪失是滾翻事故中乘員傷害的主要原因之一。因此，針對(duì)滾翻進(jìn)行耐撞性設(shè)計(jì)時(shí)，減小車頂?shù)淖冃问窃O(shè)計(jì)的重點(diǎn)。翻滾時(shí)地面給車頂?shù)妮d荷都是通過(guò)車門立柱及相應(yīng)接頭傳遞到剛度相對(duì)較大的車身底部和前、后圍結(jié)構(gòu)。為了減小車頂結(jié)構(gòu)在滾翻中的變形，應(yīng)當(dāng)通過(guò)立柱、車頂邊梁/

25、 橫梁和相應(yīng)接頭結(jié)構(gòu)組成的框架整體抵抗車頂受到的載荷。合理組織框架的拓?fù)洹⒑侠砥ヅ淇蚣芨鞑糠值膭偠取⒎乐故Х€(wěn)、提高立柱和車頂邊梁/ 橫梁的彎曲/ 軸向剛度以及接頭對(duì)各分支彎矩的抵抗剛度。6、低速碰撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)為了在低速碰撞時(shí)減少因撞車帶來(lái)的維修費(fèi)用，應(yīng)當(dāng)在汽車前端設(shè)置低速吸能區(qū)。低速吸能區(qū)一般由能量吸收式保險(xiǎn)杠構(gòu)成，也可以在其后部和前縱梁之間再布置低壓縮剛度的結(jié)構(gòu)，與主要結(jié)構(gòu)的連接是可拆卸的方式。吸能式保險(xiǎn)杠由保險(xiǎn)杠外板、能量吸收體和骨架構(gòu)成。能量吸收體的種類有泡沫材料、蜂窩材料、波紋管和筒狀油液緩沖器等。7、撞行人時(shí)車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)為了減輕對(duì)行人的傷害，應(yīng)當(dāng)對(duì)車身結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位進(jìn)行

26、軟化或在其周圍使用能量吸收材料。具體措施包括：為減輕行人與汽車一次碰撞的傷害，應(yīng)當(dāng)對(duì)保險(xiǎn)杠、前散熱器罩和發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋前端等部位進(jìn)行軟化。為減輕行人與汽車二次碰撞的傷害，應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和風(fēng)窗玻璃周圍使用能量吸收材料。五、車身結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計(jì)是保證車身防腐性能的關(guān)鍵，直接影響其防腐措施的效果。設(shè)計(jì)要使結(jié)構(gòu)能阻止腐蝕介質(zhì)侵入或積存在結(jié)構(gòu)縫隙間、凹形構(gòu)件和封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在容易積存水的部位應(yīng)設(shè)置排水孔，設(shè)計(jì)成易排水、易干燥的結(jié)構(gòu)。典型的防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第六章 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 車身結(jié)構(gòu)材料車身結(jié)構(gòu)所用材料傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)所用材料主要為普通低碳鋼板，隨著輕量化要求越來(lái)越高，高強(qiáng)度鋼、鎂鋁合金、復(fù)

27、合材料等新型輕量化材料在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多。白車身鋼板材料的合理選用，對(duì)車身產(chǎn)品的性能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造工藝起著重要的作用。除了必須保證適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度等汽車使用要求外，更重要的是必須滿足成批或大量生產(chǎn)冷沖壓工藝和裝配工藝的要求。諸如鋼材沖壓性能、化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)計(jì)能、表面質(zhì)量、板厚公差精度及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的幾何形狀等，都影響制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。低碳鋼力學(xué)特性彈性變形的上限就是材料屈服的開始。一般零件最大許用應(yīng)力必須比屈服點(diǎn)適當(dāng)?shù)鸵恍?。彈性模量E是材料剛度的度量（單位為MPa）。到了屈服點(diǎn)就是塑性變形的開始，應(yīng)變?cè)龃蠹涌欤凰苄宰冃蔚淖罡唿c(diǎn)即強(qiáng)度極限，在這之前有一段硬化區(qū)。強(qiáng)度極限和斷后伸長(zhǎng)率既反

28、映了變形能力，也是能量吸收能力的一個(gè)度量（如撞擊能量的吸收）。此外，材料特性還與變形速度有關(guān)。材料塑性變形與沖壓工藝?yán)錄_壓鋼板是以金屬的塑性變形為基礎(chǔ)的加工方法，材料的沖壓成形性能主要是指可塑性。伸長(zhǎng)率是衡量塑性變形能力的指標(biāo)。塑性和強(qiáng)度是互相矛盾而此消彼長(zhǎng)的，可以通過(guò)選用冷加工、熱處理及合金化等方法來(lái)尋求強(qiáng)度和塑性的合理匹配。不同結(jié)構(gòu)的沖壓件對(duì)材料的要求是不同的，如對(duì)于變形工序（如壓彎、拉深、成形、翻邊等），一般要求較低的屈服點(diǎn)，目的是減少材料在沖壓后的回彈。對(duì)于沖裁工序，為了獲得良好的剪裁截面，反而希望屈服點(diǎn)稍高一些。對(duì)于變形復(fù)雜的工序（如深拉深，或拉深與翻邊成形復(fù)合工序），則對(duì)材料性能具

29、有更多、更嚴(yán)格的指標(biāo)要求。汽車?yán)錄_壓用鋼板汽車?yán)錄_壓用鋼板分為冷軋鋼板和熱軋鋼板。熱軋鋼板是在溫度大于800時(shí)軋制而成的，它的可加工性不如冷軋鋼板，板材厚度一般在1.26.0mm之間。板厚為1.21.4mm的熱軋鋼板主要用于車身下部構(gòu)件、內(nèi)護(hù)板、車門內(nèi)板等，大于1.6mm以上的用于結(jié)構(gòu)加強(qiáng)板和鉸鏈等。冷軋鋼板開始也是熱軋的，然后在酸洗槽中去氧化皮，在常溫下由軋機(jī)軋制而成的。由于冷軋鋼板比熱軋鋼板沖壓加工性能好，可以保證嚴(yán)格的厚度公差，且表面美觀，在汽車上應(yīng)用較多。車身沖壓件的成形分類及鋼板型號(hào)的選擇我國(guó)汽車行業(yè)將沖壓成形工藝劃分為深拉深成形、脹形- 深拉深成形、淺拉深成形、彎曲成形和翻邊成形五

30、大類。3、表面鍍鋅鋼板為了防止腐蝕，提高車身材料的抗高溫、抗氧化能力，對(duì)鋼板進(jìn)行表面處理非常重要。在各類環(huán)境中，鋼的腐蝕率約為鋅的330倍。有些轎車車身幾乎全部的重要沖壓件都采用鍍鋅鋼板鍍鋅鋼板具有優(yōu)異的防腐性，表面美觀，但焊接性和涂裝性不如未經(jīng)鍍層處理的鋼板好。當(dāng)涂層超過(guò) ，就不易保證其成形性和焊接性。由于潤(rùn)滑性，深拉深時(shí)的加工更加困難。通過(guò)不同的鍍層的方法（電鍍鋅方法或熱鍍鋅方法，合金電鍍方法或合金化熱鍍方法）會(huì)得到不同的鍍鋅鋼板性能。其中，合金電鍍鋅鋼板具有各項(xiàng)性能均為優(yōu)或良的綜合性能，可大量應(yīng)用。二、高強(qiáng)度鋼高強(qiáng)度鋼（High Stress Steels，HSS）是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上

31、加入少量合金元素制成的。這種鋼板的生產(chǎn)成本與普通碳素鋼板相近，但由于合金元素的強(qiáng)化作用卻使其抗拉強(qiáng)度比普通鋼板高得多。汽車用鋼按照其強(qiáng)度可分為軟鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼。根據(jù)國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)的定義，將屈服強(qiáng)度小于210MPa 的鋼稱為軟鋼，屈服強(qiáng)度在210 550MPa 的鋼稱為高強(qiáng)度鋼(HSS)，屈服強(qiáng)度高于550MPa 的鋼稱為超高強(qiáng)度(UHSS) 或先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)。汽車用鋼伸長(zhǎng)率和屈服強(qiáng)度的關(guān)系高強(qiáng)度鋼特性高強(qiáng)度鋼是車身輕量化后保證碰撞安全的最主要材料，高強(qiáng)度鋼的用量直接決定著車身輕量化的水平。使用高強(qiáng)度鋼的具體優(yōu)點(diǎn)如下：（1）加工硬化（或應(yīng)變硬化率）比普通鋼板高，可以吸收更多的沖

32、擊能量，因此用于底架的前后縱梁等處和要求高強(qiáng)度、耐久性部位，可以提高汽車的安全性。（2）可減輕零件的重量。若鋼板的強(qiáng)度提高4050MPa，車身外板制件的板厚可減小1015，車身內(nèi)部制件的板厚可減小20左右。（3）用于車身外部件，除了可減薄零件的厚度外，由于具有烘烤硬化性，在經(jīng)過(guò)油漆烘烤后，還可以增強(qiáng)零件表面硬度，提高外表面制件的抗凹陷性能。高強(qiáng)度鋼應(yīng)用國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)于19942002年先后開展了超輕車身（ULSAB）、超輕覆蓋件（ULSAC）、超輕車身-先進(jìn)車身概念（ULSAB-AVC）研究項(xiàng)目，以車身輕量化為目標(biāo)，通過(guò)車身的整體設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)車身輕量化的最大潛能。在ULSAB項(xiàng)目中，高強(qiáng)度鋼使用達(dá)

33、到了64%，而在ULSAB-AVC項(xiàng)目中，幾乎100%的部件都是用了高強(qiáng)度鋼，約有80%為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。20082010年，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)又完成了FSV項(xiàng)目，其開發(fā)的白車身結(jié)構(gòu)中，97%為HSS和AHSS，與對(duì)標(biāo)車型相比減重102kg（對(duì)標(biāo)車重290kg），減重比例約為35%。FSV項(xiàng)目中采用的各種高強(qiáng)度鋼三、鋁合金鋁合金的分類及其特點(diǎn)：作為有效的結(jié)構(gòu)材料，純鋁有很好的防腐性能，但力學(xué)性能太低。當(dāng)加入少量的其他合金元素后，物理性能就會(huì)大大提高。鋁合金是轎車上應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)金屬材料。鋁合金的密度大約為鋼鐵的1/3，其有良好的吸振性能，在減輕重量的同時(shí)，可以明顯提高碰撞安全性，使得汽車前部的變形區(qū)

34、在碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生褶皺，吸收大量的沖擊力，從而保護(hù)了后面的乘坐區(qū)。已超過(guò)鑄鐵成為僅次于鋼的第二大汽車材料。鋁合金材料及特性鑄造鋁合金是直接用鑄造方法澆注或壓鑄成零件或毛坯的鋁合金，其合金元素的含量比較高。主要用于制造殼體類零件和發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及保險(xiǎn)杠、輪輞、發(fā)動(dòng)機(jī)框架及制動(dòng)盤等非發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件。變形鋁合金是經(jīng)熔煉鑄成鑄錠后, 再經(jīng)過(guò)擠壓加工形成的各種型材、棒材、管材和板材。變形鋁合金中合金元素含量比較低。主要用于制造保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、車門、行李艙蓋等車身外覆蓋件，車輪的輪輻、輪轂罩、車輪外飾罩、熱交換器、車身骨架、座椅骨架、車廂地板等結(jié)構(gòu)件以及儀表板等裝飾件。變形鋁合金按其成分和性能特點(diǎn)可以分為不能熱

35、處理強(qiáng)化鋁合金和可熱處理強(qiáng)化鋁合金。前者具備良好的耐蝕性，故稱為防銹鋁。后者合金元素含量比防銹鋁高一些， 通過(guò)熱處理能顯著提高力學(xué)性能。鋁合金在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用要在大量生產(chǎn)的車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用還需要很好地解決如下問(wèn)題：由于鋁材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性極限都比鋼低，能否滿足相當(dāng)于鋼車身的安全性、耐久性和NVH 性能。由于材料的伸長(zhǎng)率大大低于鋼材，零件能否采用沖壓成形的加工方法。由于導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性比鋼高很多，能否采用高速連接的電焊加工方法。鋁成本是鋼的5 6 倍，能否做到將車輛的成本控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。若在限制成本的情況下要完全達(dá)到鋼車身的剛度和強(qiáng)度等性能，而且要滿足大量生產(chǎn)要求，制造加工必須是快

36、速、經(jīng)濟(jì)的。(1) 鋁板零件的成形性由于鋁板的伸長(zhǎng)率比鋼低，鋁沖壓零件的拉深深度不能太深，彎曲半徑也必須大一些，一般取內(nèi)徑不得小于板厚。由于結(jié)構(gòu)性能的要求，鋁沖壓件的板厚平均是鋼零件的1.5 倍，所必需的彎曲半徑可能要增加不少，因此用于夾持的焊接翻邊就需要寬些。對(duì)于鋁沖壓件，一般要求拐角處最小半徑是該部位拉深深度的1.75 倍。(2) 鋁車身結(jié)構(gòu)的焊接鋁是一種高活化元素，容易氧化形成一層薄而硬的高電阻膜。這個(gè)氧化層使鋁具有很高的抗腐能力，但為了能夠適應(yīng)電阻點(diǎn)焊，必須控制薄膜的厚度，并使薄膜有清潔的表面?，F(xiàn)在鋁板生產(chǎn)時(shí)可以同時(shí)進(jìn)行表面處理，控制氧化物的形成，使鋁的電阻點(diǎn)焊成為可能。鋁的高導(dǎo)電性和

37、高導(dǎo)熱性不利于電阻點(diǎn)焊，因?yàn)楦邔?dǎo)電性造成的熱量使鋁融化形成電容焊，而高的導(dǎo)熱性使熱量從焊點(diǎn)發(fā)散出去。由于焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，因此應(yīng)盡量使焊點(diǎn)承受剪切。鋁焊點(diǎn)承受剪切載荷的能力大約相當(dāng)于鋼焊點(diǎn)的50%。(3) 鋁結(jié)構(gòu)的其他連接方法焊- 膠連接。這是一種用膠粘劑輔助點(diǎn)焊的連接方式。膠粘劑敷于選擇好的點(diǎn)焊部位的翻邊中間，點(diǎn)焊時(shí)可穿透膠粘劑。自鉆鉚接。有多種機(jī)械緊固件用于輔助點(diǎn)焊連接，如鉚釘連接、鉚接- 粘結(jié)、壓鉚和自鉆鉚接等，其中自鉆鉚接的強(qiáng)度超過(guò)點(diǎn)焊，使連接強(qiáng)度有了很大改進(jìn)。在具有表面保護(hù)層的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料中應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)不同金屬材料的連接。(4)奧迪全鋁合金車身結(jié)構(gòu)1993年，法蘭克福

38、車展上首次提出ASF概念，這是真正意義上的全鋁車身。1994年，日內(nèi)瓦車展上全鋁車身奧迪A8首次向全球推出第一代ASF車身。如今，奧迪的ASF技術(shù)，已經(jīng)運(yùn)用于A8、TT、R8等眾多量產(chǎn)車型上。ASF車身在構(gòu)造上遵循了仿生學(xué)原理，車身骨架由鋁合金擠壓型材和壓鑄零件構(gòu)成。比如應(yīng)用于車頂和車身側(cè)翼的鋁板都是互相咬合連接的，就像一副骨架中的每塊骨頭一樣，汽車的各個(gè)部件都將最輕的重量和最優(yōu)化的性能集于一身。奧迪TTTT車身結(jié)構(gòu)在奧迪TT轎車車身結(jié)構(gòu)中，采用全鋁車身，鋁材質(zhì)量140kg，占車身總質(zhì)量的69%。其中，鋁薄板63kg，占31%；鋁鑄件45kg，占22%；鋁擠壓材32kg，占16%。奧迪TT1.

39、8 TFSI的整備質(zhì)量?jī)H1240kg，TT2.0 TDI的質(zhì)量1370kg，平均油耗只不過(guò)5.3L/100km。四、鎂合金鎂是比鋁更輕的金屬材料，密度只有鋁的2/3，鐵的2/9。但與鋁合金相比，鎂合金的研究和發(fā)展還很不充分，但是在輕量化的驅(qū)動(dòng)下，鎂合金的應(yīng)用受到世界各大汽車生產(chǎn)企業(yè)的重視。鎂合金除具有較小的密度外，還有較高的比強(qiáng)度、比彈性模量和剛性，比強(qiáng)度約為鋁的1.8倍。有較高的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的的收縮率，鑄件和加工件尺寸精度高。具有良好的阻尼系數(shù)，良好的減震降噪性能。電磁屏蔽性好，尤其適用于電磁干擾嚴(yán)重的電動(dòng)汽車。與塑料相比，可回收性能好；切削加工性能極好；鑄造成形性能好，鎂合金鑄件最小壁厚可

40、達(dá)0.6mm，而鋁合金為1.21.5mm。鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。汽車用的鎂合金材料目前以鑄造鎂合金為主，占汽車用鎂量的90%以上。變形鎂合金包括型材、板材等延性鎂合金，在車身上的應(yīng)用有很大的潛力。五、復(fù)合材料復(fù)合材料是指將兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)不同的物質(zhì)結(jié)合起來(lái)而制得的一種多相固體材料。復(fù)合材料通常由基體和增強(qiáng)體復(fù)合而成。復(fù)合材料按性能分類，可分為功能型復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料。按基體分類，可分為高分子基(PMC)、金屬基(MMC) 和陶瓷基(CMC) 復(fù)合材料。按增強(qiáng)相的種類、形狀分類，可分為顆粒狀、層狀和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用最多。復(fù)合材料用于車身的

41、優(yōu)點(diǎn)n質(zhì)量輕。復(fù)合材料的密度小，如玻璃纖維增強(qiáng)材料的密度為1.6 2.4 g/ cm3，用它制作車身可大大減輕質(zhì)量。n耐腐蝕，車身壽命長(zhǎng)。復(fù)合材料均有不生銹、耐酸等耐蝕性好的特點(diǎn),特別是玻璃纖維增強(qiáng)材料，幾乎同玻璃一樣具有不生銹和耐腐蝕的能力。具有高韌性和抗沖擊能力。如福特轎車用復(fù)合材料制造車身前部, 使碰撞力不再出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)車身中大的尖峰值復(fù)合材料用于車身的優(yōu)點(diǎn)n保溫隔熱性好。除碳纖維增強(qiáng)材料外，復(fù)合材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力差，所以能起到很好的保溫、隔熱作用。n成形性好。由于纖維增強(qiáng)材料(FRP) 的流動(dòng)性和層壓性好，使車身表面可制成形狀各異的曲面, 既滿足車身外形的藝術(shù)造型要求，又減小了空氣阻力

42、。n車身部件大型化。應(yīng)用復(fù)合材料可以制造集許多單一零件和功能于一體的多功能部件，或大型整體部件，從而減少零部件數(shù)量，簡(jiǎn)化車身裝配工序，提高部件剛性和造型整體性。n著色性好。n材料利用率高。在車身上使用最多的復(fù)合材料是玻璃纖維增強(qiáng)材料(GFRP，俗稱玻璃鋼) 和碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP)。玻璃纖維GFRPGFRP 與金屬材料相比：具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度、比剛度高，耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。使用GFRP 的零部件主要有：車身外覆蓋件，如發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、車頂蓋、行李艙蓋、前圍護(hù)板、燈罩及保險(xiǎn)杠等；車內(nèi)板制件，如輪罩(擋泥板)、門窗內(nèi)裝飾框等。碳纖維CFRP碳纖維由人造絲、瀝青、聚丙烯等原料制成。與GFRP相比，CFRP

43、密度低，抗拉強(qiáng)度高，耐蝕性、耐磨性好，有一定的減振和隔振性能（只是耐沖擊性、耐熱性較差）。CFRP用于汽車上是比較理想的，故廣泛應(yīng)用于汽車的各類板件、殼體件，各種支架、托架和許多重要的結(jié)構(gòu)件。寶馬公司2011 年發(fā)布的純電動(dòng)轎車i3 采用CFRP 車身結(jié)構(gòu)，使得整車質(zhì)量?jī)H1250kg，比傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車減輕了250 350kg，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最高級(jí)別的碰撞安全保護(hù)。第六章 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三節(jié) 車身結(jié)構(gòu)制造工藝性一、車身結(jié)構(gòu)的劃分鋼結(jié)構(gòu)車身大多是由數(shù)百個(gè)用普通低碳鋼板沖壓成形的零件裝配而成的，其裝配過(guò)程是：沖壓零件合件分總成總成。在進(jìn)行車身設(shè)計(jì)時(shí)，需要相應(yīng)地畫出零件圖、合件圖、分總成圖、車身焊接總成圖

44、和車身裝配圖。將車身整體形狀分成數(shù)塊能夠制造和裝配起來(lái)的零件稱為分塊。分塊決定了車身零件的形狀和輪廓尺寸，對(duì)車身零件的沖壓工藝和裝配工藝有很大影響，而且還影響車身結(jié)構(gòu)的輕量化。轎車車身總成結(jié)構(gòu)的劃分車身零件分塊考慮因素車身零件大型化：一般在鋼板寬度足夠、沖壓工藝允許以及設(shè)備條件具備的情況整體沖壓的門框外板下，應(yīng)盡可能使零件分塊大些。車身零件分塊考慮因素分塊對(duì)制造精度的影響：不正確的車身零件分塊將影響產(chǎn)品的裝配精度，如門與門框之間的間隙要求，前、后風(fēng)窗框的配合尺寸等，將會(huì)難以保證。如果結(jié)構(gòu)是由內(nèi)、外板兩層組成的，則分塊時(shí)應(yīng)使內(nèi)層及外層的分塊線錯(cuò)開，其中一層若為整體沖壓結(jié)構(gòu)，則能更好地控制裝配精度

45、。分塊線應(yīng)盡可能與外部造型線相適應(yīng)，并避免在圓弧面上分塊。二、車身生產(chǎn)工藝轎車車身的生產(chǎn)主要包括四大生產(chǎn)工藝：沖壓、焊裝、涂裝和裝配。承載式車身工藝如下：車身沖壓工藝：沖壓是指通過(guò)安裝在壓力機(jī)上的模具對(duì)板料施加外力，使板料產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得一定尺寸、形狀和性能的零件的加工方法。白車身焊裝工藝：是用焊接機(jī)器人或多點(diǎn)焊機(jī)把空心鋼板構(gòu)件（車身骨架）與車身外板焊接成整體，個(gè)別部分也可用粘接、鉚接 或機(jī)械連接方式連接起來(lái)的方法。車身涂裝工藝：是指將涂料均勻涂覆在車身覆蓋件表面上并干燥成膜的工藝方法。車身裝配工藝：以車身為裝配基礎(chǔ)件，在生產(chǎn)線（總裝配線）上完成裝配車身內(nèi)外飾件和車身附件的方法。(

46、一) 車身沖壓工藝沖壓是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本的加工方法，生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)便，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化生產(chǎn)。它能制造出其他金屬加工方法所不能或難以加工的、形狀復(fù)雜的零件，且材料利用率高、節(jié)能。沖壓件表面質(zhì)量較好，便于后續(xù)表面處理。沖壓件有較好的互換性。但是沖壓生產(chǎn)的模具制造費(fèi)用高，不宜用于單件和小批量的零件生產(chǎn)。1、沖壓工序的分類沖壓的基本工序分為材料的分離和成形兩大類。分離工序是沖壓過(guò)程中使沖壓零件與板料沿一定的輪廓線相互分離，并滿足一定的斷面質(zhì)量要求的工序。成形工序是板料在不破裂的條件下產(chǎn)生塑性變形，以獲得所要求形狀和尺寸精度的零件的工序。車身制造工藝中常用的分離工序車身制造工藝中

47、常用的成形工序2、車身沖壓件的工藝分析沖裁：是利用沖裁模使材料從彈塑性變形開始，最后斷裂分離的一種沖壓分離工序， 它包括落料、切邊、沖孔等工序。從板料上沖下所需形狀的零件或毛坯稱為落料，在零件上沖出所需形狀的孔稱沖孔。2、車身沖壓件的工藝分析拉深：是利用拉深模將已沖裁好的平面毛坯壓制成各種形狀的開口空心零件。拉深所使用的模具與沖裁模不同，其凸模與凹模沒(méi)有鋒利的刃口，而具有較大圓角半徑，且拉深間隙稍大于板料的厚度，這樣拉深時(shí)便于金屬的流動(dòng)。車身零件的拉深方向要保證凸模能完全進(jìn)入凹模，不得有凸模達(dá)不到的負(fù)角。車身零件的拉深深度要恰當(dāng)，爭(zhēng)取一次拉深成形。對(duì)于具有反拉深的覆蓋件，應(yīng)盡可能加大這部分的圓

48、角半徑。要滿足加強(qiáng)筋不破裂的條件。L1為成型后剖面展開的材料長(zhǎng)度， ，L為成形前剖面的材料長(zhǎng)度； 為材料允許的伸長(zhǎng)率。10.75LLL1Labc2、車身沖壓件的工藝分析彎曲：將板料、管料和型材完成具有一定曲率、一定角度和形狀的沖壓工序。薄板彎曲時(shí)，變形區(qū)外層金屬纖維承受拉深變形，隨著相對(duì)彎曲半徑 r/t（r為彎曲半徑， t為板厚）的減小，彎曲變形程度逐漸增大，外層邊緣纖維拉深變形不斷增大，當(dāng)r/t減小到使外層金屬纖維拉深變形超過(guò)材料允許的變形程度時(shí)，外層纖維會(huì)出現(xiàn)裂紋，即彎裂現(xiàn)象。彎曲工藝實(shí)例彎曲件的回彈回彈是彎曲件質(zhì)量的主要問(wèn)題之一。在外載作用下，彎曲產(chǎn)生的變形都由塑性變形和彈性變形兩部分組

49、成。當(dāng)外載卸除后，彎曲件的塑性變形被保留下來(lái)，而彈性變形則完全消失，這時(shí)彎曲件會(huì)發(fā)生與加載時(shí)變形完全相反的變化，與模具相應(yīng)形狀不一致，這種現(xiàn)象稱為彎曲件的回彈。在彎曲區(qū)壓制加強(qiáng)肋以增加完全變形區(qū)的剛度和塑性變形程度，在材料選用上采取彈性模數(shù)大、屈服極限小、力學(xué)性能比較穩(wěn)定的材料。其次，在模具設(shè)計(jì)時(shí)修正凸?；虬寄９ぷ鞑糠中螤詈统叽?，使工件回彈量得到補(bǔ)償。骨架件和外覆蓋件的沖壓工藝車身骨架件的作用在于提高車身的剛度，并連接或固定內(nèi)飾件及其他零件。骨架件的特點(diǎn)是形狀復(fù)雜、沖孔多、零件易回彈及扭曲。因此，確定骨架件的工藝方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)它的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，如合理安排沖孔的順序和考慮整形工序等。車身外覆蓋件的外

50、表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，要注意采取有效措施，以避免隆起、起皺、劃傷、壓痕等外表面缺陷，確定合適的沖壓方向和合理布置拉延筋，盡量避免預(yù)切工序。(二) 車身焊裝工藝裝焊時(shí)，底架總成和側(cè)圍總成分別在各自的拼裝臺(tái)上焊裝，然后送到白車身裝配線上進(jìn)行白車身拼裝。一個(gè)完整的白車身通過(guò)三段生產(chǎn)線完成裝配，第一段是底架總成焊接；第二段是側(cè)圍總成及頂蓋等其他相關(guān)零件與底架總成的焊裝；第三段是白車身安裝件（前、后罩，門和翼子板等可拆卸件）的安裝。車身焊接方法在傳統(tǒng)的汽車車身上廣泛采用的焊接方法是電阻焊。焊接時(shí)，搭接在一起的薄板（2或3層）通過(guò)兩個(gè)電極互相壓在一起，強(qiáng)大的電流通過(guò)電極的傳導(dǎo)，由金屬電阻產(chǎn)生的熱量熔化金屬，再

51、通過(guò)壓緊力將熔點(diǎn)互相連接在一起。電阻焊包括點(diǎn)焊、凸焊和縫焊等。點(diǎn)焊在薄板結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多，一輛轎車車身上的焊點(diǎn)多達(dá)30004000個(gè)。凸焊應(yīng)用也很廣，車身上的固定件，如螺釘、螺栓、螺母與板件的焊接，或某些支架與板件的焊接，都可以采用凸焊形式。凸焊焊接的品質(zhì)穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，但被焊件需要預(yù)先加工凸起部分?？p焊多用于要求密封的部位。電焊型式(1) 點(diǎn)焊點(diǎn)焊是將車身板件已有的搭接接頭夾置于兩電極之間，同時(shí)壓緊、通電，利用電阻熱能熔化板材，故焊點(diǎn)的形成過(guò)程是熱- 機(jī)械(力) 聯(lián)合作用的焊接過(guò)程。點(diǎn)焊過(guò)程因機(jī)械化、自動(dòng)化程度高、焊接速度快(通用點(diǎn)焊機(jī)焊接速度達(dá)60 點(diǎn)/ min，快速點(diǎn)焊機(jī)可達(dá)600 點(diǎn)/

52、min)，非常適合自動(dòng)生產(chǎn)線的要求。點(diǎn)焊接頭時(shí)應(yīng)注意由于鋼板焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度大大高于抗拉強(qiáng)度和分離強(qiáng)度, 所以應(yīng)該努力使焊點(diǎn)承受剪切。在設(shè)計(jì)車身零件的連接形式時(shí)，應(yīng)保證懸掛式焊鉗或固定式焊極對(duì)連接部位的接近方便性，因此連接件的結(jié)構(gòu)形狀和接頭形式的選擇極為重要。對(duì)于難以接近的接頭， 必須采用特殊形狀的電極。被焊接的板料厚度的比值不應(yīng)大于2.5 3，否則焊核將偏移向薄板一邊，容易擊穿。點(diǎn)焊焊點(diǎn)的布置在產(chǎn)品的合件或總成圖上要規(guī)定焊點(diǎn)的直徑和點(diǎn)距。最佳的焊點(diǎn)直徑約為 ，t為板厚（mm）。由于點(diǎn)焊時(shí)焊接電流不僅僅在兩個(gè)焊極之間流動(dòng)，而且流過(guò)鄰近的焊點(diǎn)，點(diǎn)距越小，則分流電流就越大，焊接品質(zhì)就不容易保證。為了

53、獲得更高的結(jié)構(gòu)焊接強(qiáng)度，必須控制最佳的焊點(diǎn)距。焊點(diǎn)布置離板邊太近會(huì)使加熱了的金屬被擠壓向一邊，從而削弱焊接強(qiáng)度。焊接翻邊的寬度一般取6t +8mm 最佳。焊點(diǎn)不應(yīng)布置在圓角拐彎處或不甚平整的部位。盡可能少采用三層板的焊接結(jié)構(gòu)。大型點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)應(yīng)盡可能布置得對(duì)稱些。5.5 t對(duì)應(yīng)不同板厚的焊接要求(2) 凸焊凸焊與點(diǎn)焊相比，其不同點(diǎn)是預(yù)先在板件上加工出凸點(diǎn)，或利用焊件上能使電流集中的型面、倒角等作為焊接時(shí)的相互接觸部位。焊接時(shí)靠凸點(diǎn)接觸，提高了單位面積上的壓力與電流密度，有利于將板件表面氧化膜壓破，使熱量集中，減小分流，減小了焊點(diǎn)中心距，一次可進(jìn)行多點(diǎn)凸焊，提高了生產(chǎn)效率，并減小了接頭的翹曲變

54、形。在車身上，一般是將凸焊螺母(有凸點(diǎn)的螺母) 焊在薄板上，這樣在裝配時(shí)只需要擰緊螺栓即可，提高了裝配工效。（3）縫焊縫焊是用一對(duì)滾盤電極代替點(diǎn)焊的圓柱形電極，與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在焊輪連續(xù)或斷續(xù)滾動(dòng)并通以連續(xù)或斷續(xù)電流脈沖時(shí)，形成了一個(gè)個(gè)熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法。(4) 釬焊釬焊是利用熔點(diǎn)比母材低的釬料(車身焊接中常用銅) 和母材一同加熱，在母材不熔化的前提下，釬料熔化并潤(rùn)濕及填充兩母材連接處的間隙，形成釬縫。與熔化焊相比，由于釬焊加熱溫度較低，焊件的組織和力學(xué)性能變化較小，變形不大，接頭平整光滑，外表美觀，可連接不同的材料，生產(chǎn)率高，但釬焊焊縫的強(qiáng)度比較低。（5）CO2氣體保護(hù)焊CO

55、2氣體保護(hù)焊是利用CO2氣體作為保護(hù)氣的氣體保護(hù)電弧焊，其焊接熱量來(lái)自焊絲與工件間的電弧。因CO2氣體密度比空氣大，受電弧加熱后體積膨脹，所以CO2氣體保護(hù)焊在隔絕空氣、保護(hù)焊接熔池和電弧方面的效果相當(dāng)好。CO2氣體保護(hù)焊具有焊接成本低、焊接效率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而且抗銹能力較其他焊接方法強(qiáng)，焊縫含氫量低，抗裂性好。由于是明弧，便于觀察和控制焊接過(guò)程，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化，焊后不需清渣。焊接薄板時(shí)，比氣焊速度快，尤其是變形小，薄板可焊到1mm左右，間隙可小于0.5mm。(6) 激光焊接激光焊接屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光束可由平面光學(xué)元件（如鏡子）導(dǎo)引

56、，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。激光焊接又屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。激光焊接的優(yōu)點(diǎn)激光焊接十分靈活，只需單面激光接觸, 而不再是雙面點(diǎn)焊。因此可用于地板與地板梁等焊槍難以伸及的閉口截面處的焊接。經(jīng)激光焊接形成的接頭強(qiáng)度高，可以提高車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。激光焊接的速度很快，最快可以達(dá)到20m/ min，提高了焊接效率。由于激光焊接是非接觸式焊接，一般距離鋼板10cm 以上，非常適合柔性化生產(chǎn)。激光拼焊可以將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進(jìn)行自動(dòng)拼合和焊

57、接而形成一塊整體板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對(duì)材料性能的不同要求。激光焊接的缺點(diǎn)由于激光焊聚焦光斑小，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的精度要求較高，因此提高了對(duì)焊接夾具的設(shè)計(jì)要求，從而也提高了投資。激光焊接設(shè)備本身的價(jià)格不菲，初期投資較大。如果產(chǎn)量受車型銷售影響無(wú)法大幅度提高，則激光焊接對(duì)于大規(guī)模、高速生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)則無(wú)法得到發(fā)揮。一旦產(chǎn)生焊接缺陷，其質(zhì)量的檢測(cè)和返修都較其他焊接方法困難。 3、車身裝焊生產(chǎn)線現(xiàn)代轎車白車身的裝焊生產(chǎn)線均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，由焊接機(jī)器人完成，無(wú)需人工操作。焊接機(jī)器人：重復(fù)精度一般要達(dá)到1mm，弧焊機(jī)器人的重復(fù)精度一般要達(dá)到0.5mm。因此，沖壓件的質(zhì)量必須嚴(yán)格受控，至少每批工件的尺寸精

58、度應(yīng)一致，夾具要能保證工件裝夾后的精度滿足機(jī)器人的工作要求。裝焊夾具：為了保證其裝焊質(zhì)量，在焊接過(guò)程中，零件不致錯(cuò)位，特別是孔洞的尺寸、形狀和相互位置，必須采用適當(dāng)?shù)难b配夾具予以保證。裝焊生產(chǎn)線：必須具有一定的柔性，讓多個(gè)車型能共線生產(chǎn)，從而降低成本。車身裝焊線主要分為貫通式和環(huán)形式兩大類。(三) 車身涂裝工藝涂裝是指將涂料均勻涂覆在車身覆蓋件表面上并干燥成膜的工藝。涂裝對(duì)汽車車身起防腐蝕保護(hù)和裝飾作用。車身涂料涂覆在車身表面時(shí)，能生成堅(jiān)韌、耐磨、附著力強(qiáng)、具有各種顏色而且防銹、耐潮濕、耐高溫等多種功能的涂膜，某些涂料還能其防振消聲、隔熱作用。涂裝工藝體系汽車車身涂裝屬于多層涂裝，由于各種汽車

59、的使用條件不同，涂裝工藝也各不相同。國(guó)內(nèi)外汽車車身涂裝工藝可分為以下三個(gè)基本體系。涂三層烘三次體系，即底漆涂層+中間涂層+面漆涂層，三層分別烘干。外觀裝飾性要求較高的乘用車車身一般都采用這一涂裝體系。涂三層烘兩次體系，即底漆涂層+中間涂層+面漆涂層，底漆層不烘干，涂中間涂層后一起烘干。外觀裝飾性要求不太高的旅行車和大客車車身及輕型載貨汽車的駕駛室一般采用這一涂裝體系。涂?jī)蓪雍鎯纱误w系，即底漆涂層+面漆涂層，無(wú)中間涂層，兩層分別烘干。中型、重型載貨汽車的駕駛室一般采用這一涂裝體系。典型的乘用車車身涂裝工藝1、前處理其目的是去除被涂件構(gòu)成物之外的所有異物，使車身表面清潔并形成一層均勻的磷化膜，以保

60、證涂層具有良好的防腐蝕性能和裝飾性。處理方式主要有噴射式和浸漬式，現(xiàn)多為以浸漬為主、噴射為輔的處理方式。前處理最重要的工序是磷化，按組成磷化液的磷酸鹽分類，有磷酸鋅系、磷酸錳系和磷酸鐵系。磷化處理是利用磷酸的離解（平衡）反應(yīng)在清洗（脫脂）過(guò)的金屬底材表面上析出不溶性的磷酸金屬鹽（磷化膜）的技術(shù)。磷化膜的功能是提高涂布在其上的涂膜（電泳涂膜）的附著力和耐腐蝕性。2、電泳(涂底漆)電泳涂裝工藝由電泳、清洗、吹干和烘干(涂膜固化) 等工序組成。此工藝采用一種專業(yè)涂料(簡(jiǎn)稱電泳涂料)，將有導(dǎo)電性的被涂物浸在電泳涂料槽中作為陰極(或陽(yáng)極)，再設(shè)置與它相對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極(或陰極)，在兩極間通一定時(shí)間的直流電，在