車身設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1、車身設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)羊軍，葉永亮2008-07-30 箱字體：大中小根據(jù)專家研究，設(shè)計(jì)不僅決定了產(chǎn)品的成本（產(chǎn)品成本的70%由設(shè)計(jì)決定），也決定了產(chǎn)品的性能 和質(zhì)量。在進(jìn)行整車開發(fā)和車身設(shè)計(jì)時(shí)，利用并行工程技術(shù)，著重研究整車碰撞標(biāo)準(zhǔn)、碰撞傳力途徑、 車身輕量化、車身模態(tài)及剛度等關(guān)鍵技術(shù)來保證設(shè)計(jì)開發(fā)的質(zhì)量。目前，國際上各大汽車公司新推出的車型尺寸不斷地往大里發(fā)展，以便在同級車?yán)锔懈偁幜?，這 對車身的重量、剛度、安全性能產(chǎn)生了較大幅度的影響，給車身的設(shè)計(jì)增大了不少難度。1整車碰撞標(biāo)準(zhǔn)研究車身設(shè)計(jì)首先要設(shè)定車輛的安全目標(biāo)，隨著自主品牌在國內(nèi)市場的不斷崛起和向國際市場的不斷滲 透，充分了解目標(biāo)市場的安

2、全目標(biāo)是非常重要的。對中國安全法規(guī)、中國新車評估程序（CNACP）、歐洲 新車評估程序（ENACP）、韓國新車評估程序（KNACP）作一簡單對比，見圖1。可以看出各國的新車評 估程序都有其相似之處，并且明顯比法規(guī)的要求嚴(yán)格了很多。新車評估程序（NACP）的主要操作方式是通過一系列公開發(fā)布的車輛碰撞試驗(yàn)結(jié)果，提供給消費(fèi)者 一個(gè)基于車輛正碰和側(cè)碰等深層次碰撞研究基礎(chǔ)上得到的精確車輛安全性能信息。這些公開的碰撞試驗(yàn) 結(jié)果將對消費(fèi)者在購買車輛時(shí)起到很重要的決定作用。圖1各國汽車安全法規(guī)對比合理且有效地設(shè)計(jì)碰撞傳力途徑是影響最終車身獲得安全星級的關(guān)鍵因素。2.1正碰傳力途徑當(dāng)車身遭受正面撞擊時(shí)，前部的吸

3、能緩沖區(qū)利用強(qiáng)韌的吸能材料盡可能多地通過變形吸收因撞擊產(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，使駕駛艙的框架 受力相對均勻，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，設(shè)計(jì)避開可能發(fā)生對乘員不利的危險(xiǎn)變形，減少正面碰撞導(dǎo)致對駕駛艙的侵入和保持相對較低 的碰撞減速度，以此保證乘員的安全。一般將車身的前端分成3個(gè)吸能區(qū)，如圖2。圖2車身前端吸能區(qū)區(qū)域1，由保險(xiǎn)杠緩沖梁和吸能盒組成，將接收到的碰撞能量進(jìn)行左右分流和初步吸收，并通過它 們將能量往區(qū)域2傳遞。緩沖梁一般設(shè)計(jì)成帶有上下各4層褶皺的閉口截面梁，加上左右與發(fā)動機(jī)

4、艙縱 梁連接的3層褶皺吸能盒，在保證抗彎扭能力的同時(shí)，獲得比較出色的吸能能力。區(qū)域2，由發(fā)動機(jī)艙上下縱梁組成，有些車輛還增加底盤的副車架，一起形成車輛碰撞過程中最主 要的吸能結(jié)構(gòu)。發(fā)動機(jī)艙下縱梁采用的是閉式的類矩形截面，超過2mm的加強(qiáng)板配合蛇形的彎曲形狀使下縱梁的抗 彎扭能力大輻度提高。利用發(fā)動機(jī)艙下縱梁出眾的承載能力，三點(diǎn)安裝的動力總成中左右縱梁占了兩席， 且為了避免一旦發(fā)生碰撞時(shí)動力總成竄入車體內(nèi)部對前排乘員可能造成的危險(xiǎn)，左右前縱梁靠近前圍板 的根部留有預(yù)設(shè)的凹槽結(jié)構(gòu)，萬一發(fā)生嚴(yán)重撞擊，縱梁在重壓下沿著該結(jié)構(gòu)的變形趨勢和發(fā)動機(jī)一起下 沉，杜絕發(fā)動機(jī)竄入駕駛艙的可能。發(fā)動機(jī)艙上縱梁由前懸

5、塔狀形罩板等零件組成，分擔(dān)了部分從前部傳來的碰撞力的吸收和向A柱和 前圍及其加強(qiáng)梁的分散力的作用，無論是正面沖擊載荷或是底盤傳來的路況載荷都能在這一區(qū)域相對均 勻地傳遞至整個(gè)車身，避免集中變形造成人員傷亡或大大降低乘坐舒適性的最壞結(jié)果。區(qū)域3為駕駛艙。其最主要目標(biāo)是保證框架的強(qiáng)度和剛度，以求得最小駕駛艙變形，保證乘員的安 全空間。前圍板及其加強(qiáng)板將受到的載荷迅速向兩側(cè)分散，通過S形的加強(qiáng)延伸板將前縱梁與地板縱梁牢牢 地焊為一體，一直貫穿整個(gè)底板直至車尾，實(shí)現(xiàn)了載荷的迅速分散。另外，厚實(shí)堅(jiān)硬的儀表板安裝橫梁 也將碰撞載荷分解到兩側(cè)的A柱，保證了乘員的安全。A柱將傳來的載荷沿A柱門框、門窗臺加強(qiáng)板

6、、門防撞梁和下部門檻及地板加強(qiáng)板向B柱方向分散， 確保框架的穩(wěn)定性。2.2側(cè)碰傳力途徑優(yōu)化的門檻加強(qiáng)板正好定位在碰撞的高應(yīng)力區(qū)，B柱加強(qiáng)板（門框一圈所有零件）和座椅橫梁形成 一個(gè)連續(xù)的設(shè)計(jì)，在門檻和中央通道間創(chuàng)建一個(gè)有效的側(cè)碰屏障并使側(cè)碰后門很容易打開，如圖3。圖3側(cè)碰時(shí)門扳的傳力途徑當(dāng)車輛受到側(cè)面撞擊時(shí)，撞擊力除了通過地板橫梁和頂蓋橫梁傳遞出去外，還通過車門防撞梁將力 分解到A柱和D柱。除了提高車門防撞梁的屈服強(qiáng)度外，如何讓撞擊力通過車門防撞梁傳遞出去也是一 個(gè)重要的研究方向。一般來說，讓車門防撞梁和門框合理重疊是一個(gè)有效途徑。另外，通過優(yōu)化車門外 板窗臺加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)也能起到輔助傳力的作用。

7、一般100%的正面后碰，能量首先通過后保險(xiǎn)杠緩沖梁進(jìn)行有效能量吸收，然后將剩余能量均勻分解 并傳遞到車身后部左右縱梁。后部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對保持框架穩(wěn)定性和防止框架變形侵入損壞油箱起到至關(guān)重 要的作用。目前后碰的研究重點(diǎn)已由100%正面后碰提升到了后面偏置碰撞，根據(jù)北美FMVSS法規(guī)的最新要求， 100%正面后碰不僅變?yōu)橐苿悠琳?0%偏置碰撞，碰撞速度更由以前的56km/h提高到80km/h，這樣對我國 新車出口提出了更高的設(shè)計(jì)要求。為了滿足新的更高要求，一般要從以下兩點(diǎn)來重點(diǎn)考慮：首先，盡量多考慮將后保險(xiǎn)杠緩沖梁從沖 擊側(cè)承受來的能量往非碰撞側(cè)傳遞；其次，對后部框架的穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)。具體在結(jié)構(gòu)

8、設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮增大后保險(xiǎn)杠緩沖梁和后縱梁連接面外，還要加強(qiáng)后圍板防止產(chǎn)生側(cè)向 撕裂。最主要的一點(diǎn)是后縱梁也需要合理設(shè)置類似于正碰能量吸收結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后的后縱梁產(chǎn)生 的抵抗力有顯著的提高，見圖4。圖4優(yōu)化設(shè)計(jì)后的后縱果碰撞結(jié)果3車身輕量化新車型在尺寸不斷增大的情況下，整車的重量不允許大幅度增加，所以車身輕量化一直是國內(nèi)主機(jī) 廠的重點(diǎn)課題，但目前國內(nèi)主機(jī)廠絕大部分主要采用板材減薄等方法，而一味的靠減薄來減重往往會忽 略對車身性能的影響。國際上則傾向于采用輕量化系數(shù)L來評價(jià)減重效果。式中：A為前后輪距和軸距所形成的四邊形在水平面上的投影面積；Ct為帶固定窗的白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn) 剛度；mBiw為不帶

9、門蓋的油漆車身重量。我們的目標(biāo)就是在保證車身剛度性能不變或提升的前提下，力求車身重量的減輕。L值越小越好。車身減重主要是合理利用新材料、新技術(shù)和新設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，以下簡要介紹主要的減重策略。鑒于目前的輕量化和提高碰撞等級的要求，同時(shí)高強(qiáng)鋼和普通鋼的價(jià)格差距在縮小到合理范圍內(nèi)， 而性能可以顯著提高，現(xiàn)在車身設(shè)計(jì)中普遍采用高強(qiáng)鋼。選擇高強(qiáng)鋼，可以減少零件數(shù)量、降低料厚和 縮小結(jié)構(gòu)盒狀斷面尺寸來達(dá)到減重的效果，并保證成本變化不大。圖5是某國際新車型的下部車身鋼材 應(yīng)用實(shí)際，可見一般鋼材只占到了3成不到的比重。圖5某國際新車型下部車身鋼材應(yīng)用另外，鋁材、鎂合金、工程塑料的大量采用對車身的減重也起到了很大

10、的幫助。例如鋁的發(fā)動機(jī)罩、 鎂合金的儀表板橫梁或座椅支架、塑料的翼子板或舉升門等，對整車重量的減小都有著很大的幫助。同時(shí)也可以通過大量采用激光焊接不等厚零件、輥壓成型件、合理減少焊接接頭及其長度以及采用 新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來達(dá)到減重的效果，見圖6。圖6新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減重實(shí)例通過以上方案的改進(jìn)，可以去除內(nèi)部加強(qiáng)板達(dá)到減重3kg的效果，同時(shí)整體性能還有提高。4車身剛度和模態(tài)車身剛度和模態(tài)是評價(jià)車身和整車性能的兩個(gè)主要指標(biāo)，車身剛度一般指靜態(tài)剛度，常見的評價(jià)指 標(biāo)包括彎曲、扭轉(zhuǎn)和側(cè)傾剛度等（其中扭轉(zhuǎn)剛度為主要評價(jià)指標(biāo)）。動態(tài)剛度常用車身模態(tài)頻率來衡量， 所以模態(tài)一般也指動態(tài)剛度。4.1車身剛度外部市場和環(huán)境對

11、碰撞和燃油經(jīng)濟(jì)性不斷提出更高的要求，迫使車身重量不斷降低的同時(shí)，其剛度 卻在不斷提高。對于車身設(shè)計(jì)來說，首先需要保證整體剛度，這就需要在設(shè)計(jì)初考慮車身剛度分布合理， 并盡可能保證到一定的水平。然后，對局部剛度進(jìn)行再優(yōu)化也可以在一定程度上促進(jìn)整體剛度的提升。影響車身剛度的兩個(gè)最主要因素是車身材料和車身結(jié)構(gòu)。在材料方面提升車身剛度的一般方法為增 加材料料厚和采用高強(qiáng)鋼。增加材料料厚會顯著增加車身重量，這與車身輕量化要求背道而馳，故不可 能應(yīng)用在整體剛度改進(jìn)提高上，只能應(yīng)用在局部剛度提升上。高強(qiáng)鋼也是提高車身剛度的一個(gè)好辦法， 但高強(qiáng)鋼對于制造工藝與單件成本需要額外投入，在鋼材的采購上也沒有普通鋼材

12、方便，在車身設(shè)計(jì)開 發(fā)和成本控制時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合平衡。對提高車身剛度最顯著、成本和工藝影響最小、最行之有效的方法是優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)。但國內(nèi)由于車 身設(shè)計(jì)開發(fā)水平不高、自主設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)手段落后以及對車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化重視度不夠，在這方面的系統(tǒng)性 研究很少。下面結(jié)合車身設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，簡要闡述通過車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高車身剛度的方法和途徑。構(gòu)成乘客艙的結(jié)構(gòu)件尤其是A柱、B柱、C柱、門檻、前后風(fēng)窗下橫梁、頂蓋前后橫梁、側(cè)圍上邊梁 等部位的封閉式斷面形狀對車身整體剛度起到至關(guān)重要的作用。通常認(rèn)為這些封閉式斷面的截面面積或 主慣性矩越大對白車身剛度越有利。但分析數(shù)據(jù)表明，剛度值隨斷面力學(xué)特性的變化可能反向變化

13、，即 剛度與斷面主慣性矩或面積可能成反比。同時(shí)由于車身輕量化要求，也不可能一味地加大主斷面。大量 實(shí)例證明，通過CAE模擬剛度分析和實(shí)際剛度測試誤差很小，結(jié)果是完全可以信賴的。因此，采用同步 工程，借助于CAE模擬車身剛度分析和主斷面相關(guān)零件的敏感度分析，找到最合適的主斷面是車身設(shè)計(jì) 的重點(diǎn)課題。一般車身結(jié)構(gòu)重點(diǎn)研究的斷面有3050個(gè)，很多公司可以通過斷面庫很快選取合適的主斷 面，然后進(jìn)行小的優(yōu)化設(shè)計(jì)就可以保證車身剛度并達(dá)到好的設(shè)計(jì)效果，避免大量的重復(fù)計(jì)算和優(yōu)化。在確定好車身的主端面后，基本確定了車身的整體剛度，接下來就需要對輔助斷面形狀、接頭形式、 零件形狀等方面進(jìn)行優(yōu)化以提高局部剛度。輔助

14、斷面形狀、接頭形式和零件形狀的優(yōu)化一般也可以通過 CAE模擬來實(shí)現(xiàn)。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減重的實(shí)例，以及改進(jìn)輔助斷面形狀以提高局部剛度的實(shí)例，該實(shí) 例同時(shí)達(dá)到了提高剛度和減重的雙重作用，也再次證明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要性。接頭形式的優(yōu)化包括優(yōu)化接頭的形狀和連接方式等。零件形狀的優(yōu)化指的是在合適部位通過增加加 強(qiáng)筋、翻邊或其它一些特征來提高剛度，從而盡量減少加強(qiáng)板的采用。有時(shí)，在條件受限的情況下，不 改變接頭形狀，在接頭處預(yù)埋高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料，或不改變零件形狀，在零件上增加非金屬增強(qiáng)墊， 也能起到提高車身剛度的作用。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，提高車身剛度還有多種方式：采用合理的分塊，在車身結(jié)構(gòu)上盡量避免由很多 小零件焊接而成的框架，例如目前采用較廣的整體式側(cè)圍、門框等；不用焊接而直接采用液壓成型的封 閉式截面結(jié)構(gòu)，例如B柱內(nèi)加強(qiáng)板；在車身結(jié)構(gòu)薄弱部位合理采用車身結(jié)構(gòu)膠粘接加強(qiáng)，例如由于尖角 造型造成后側(cè)圍與后尾燈支架焊接困難部位等。4.2車身模態(tài)一般來說，車身靜態(tài)剛度越高，動態(tài)剛度也越高，也就意味著車身靜態(tài)剛度提高的同時(shí)也提高了車 身模態(tài)。車身模態(tài)一般考慮前10階，其中一階模態(tài)是主要評價(jià)指標(biāo)。對于轎車車身來說，一階模態(tài)一般 在2080Hz，一階模態(tài)越高，意味著車身動態(tài)性能越好，這是因?yàn)楦哳l率模態(tài)不僅避開了人