汽車車身與附屬設(shè)備-胡建富-主編學習任務2 認知車身結(jié)構(gòu)安全設(shè)計區(qū)域

2024/4/21汽車車身與附屬設(shè)備交通運輸職業(yè)教育教學指導委員會中國汽車維修行業(yè)協(xié)會胡建富馬濤組織編寫主

編2024/4/21認識車身結(jié)構(gòu)車身膠粘件的拆裝車身螺栓連接件的拆裝車身卡扣連接件的拆裝學習任務1學習任務2認識車身結(jié)構(gòu)安全設(shè)計區(qū)域?qū)W習任務3學習任務4學習任務5

學習任務2認知車身結(jié)構(gòu)安全設(shè)計區(qū)域知識目標

１.掌握非承載式車身各構(gòu)件的名稱、連接關(guān)系和作用；

２.掌握承載式車身(ＦＦ和ＦＲ類型)各構(gòu)件的名稱、連接關(guān)

系和作用。

技能目標

１.能區(qū)分不同類型的車身結(jié)構(gòu)；

２.會介紹車身覆蓋件的名稱和用途；

３.會介紹車身結(jié)構(gòu)件的名稱和用途；

４.能熟知車身主要構(gòu)件的安裝部位、連接關(guān)系及特點。

建議課時：１２課時。

學習目標理論知識準備任務實施學習拓展評價與反饋技能考核標準一二三四五汽車在設(shè)計的過程中，車身的安全設(shè)計的重要性不言而喻，車身設(shè)計人員在設(shè)計車身的時候，首先要考慮的是：當車輛在行駛過程中，如何保證車輛能夠承受一般行駛性能的沖擊；當車輛發(fā)生撞擊事故的時候，如何通過不同的設(shè)計形式，最大化的保證車輛上人員的安全。任務描述

理論知識準備一車輛在發(fā)生事故的時候，維修人員如何確認損傷的具體位置和范圍，他們是如何對碰撞車輛的受力進行損傷評估的。本任務主要針對這一問題，通過對車身結(jié)構(gòu)、撞擊受力分析、車輛吸能區(qū)域設(shè)計分析給出一個清晰的答案。車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計除了要能承受一般行駛的沖擊外，還必須在發(fā)生事故的時候保障乘員的安全。為了使嚴重的撞擊事件中車身受到撞擊后能夠吸收最大的能量，又能將危及顧客的安全影響降到最低程度，車身就必須有特殊的結(jié)構(gòu)。也因此，前后車身設(shè)計成在某種程度下結(jié)構(gòu)容易變形以吸收碰撞能量，而乘客艙不易變形以保護乘客的安全。如圖2-1所示。

車身結(jié)構(gòu)安全設(shè)計基礎(chǔ)（一）車輛撞擊損傷分析（二）

1.撞擊力的方向分析車輛受到撞擊時，撞擊力將以一個角度傳入車輛內(nèi)并將撞擊力分成垂直、縱向、水平三個方向。如圖2－2所示，假如撞擊力A-A以一個水平夾角作用于前翼子板的A點，則這個力可以分解為兩個分力，A-B垂直分力和A-C水平分力。如圖2－3所示，假如撞擊力A-A以一個橫向夾角作用于前翼子板的A點，則這個力可以分解為兩個分力，A-C縱向分力和A-E橫向分力。因此，車輛受到A-A的撞擊力時會產(chǎn)生三個分力，將翼子板往下推的A-B分力，將翼子板朝發(fā)動機艙方向推的A-E分力和將翼子板往后推的A-C分力。

2.撞擊力方向不同對損傷產(chǎn)生的影響分析：從圖2-4我們可以看出，若撞擊力方向經(jīng)過車輛的重心，則車輛不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，撞擊所產(chǎn)生的動能缺乏一個緩沖時間，而產(chǎn)生比預期嚴重的損傷。

分析：從圖2-5我們可以看出，撞擊力方向沒有經(jīng)過車輛的重心，則車輛在發(fā)生撞擊的時候，因為撞擊力方向與車輛中心之間形成一個力矩，車輛發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，撞擊速度有一個減弱的緩沖時間，故撞擊所產(chǎn)生的損傷較經(jīng)過車輛重心的撞擊所產(chǎn)生的損傷要輕，所以，從上面兩個實例可以看出，即使車輛的質(zhì)量、速度、撞擊對象均相同的情況下，不同的撞擊方向也會產(chǎn)生不同的車輛損傷。

3.碰撞面積大小與產(chǎn)生損傷大小的關(guān)系（1）如果撞擊面積很大，則受損程度會降低，如圖2-6所示。（2）撞擊面積越小，則受損程度將會越大，如圖2-7所示，保險杠、發(fā)動機艙蓋、水箱等受到嚴重變形，發(fā)動機被推向后方，撞擊力傳遞的效應已經(jīng)延伸到后懸架。撞擊電線桿和撞擊墻的損壞程度將會不同，可用碰撞面積和損傷之間的關(guān)系可用公式說明：ｆ＝Ｆ／Ａ式中：Ｆ——撞擊力；

Ａ——撞擊面積；

ｆ——碰撞產(chǎn)生的應力。4.車輛碰撞損傷分析當車輛撞擊障礙物時，會產(chǎn)生很大的減速力量，車輛通常在十萬分之幾秒或者萬分之幾秒內(nèi)停下來，巨大的減速力量會產(chǎn)生動能，根據(jù)動量守恒定律我們得知，車輛因為碰撞所產(chǎn)生的動能必然消耗掉，如何消耗掉呢》則依靠車輛與被碰撞對象之間所產(chǎn)生的損傷來消耗碰撞所產(chǎn)生的動能。碰撞損傷可以分為兩類，一是一次損傷，一類是二次損傷。（1）一次損傷。車輛和障礙物之間的碰撞稱為一次碰撞，所導致的損傷稱為一次損傷。一次損傷通常包括三種。①直接損傷。與障礙物直接接觸的部位所產(chǎn)生的損傷為直接損傷。②波紋效應損傷。在撞擊力傳輸?shù)倪^程中，由于車輛在某些部位設(shè)計的波紋加工而誘導產(chǎn)生的損傷稱為波紋效應損傷。③誘導損傷。由于直接損傷的作用力，造成其他部件也跟著受力而產(chǎn)生的損傷稱為誘導損傷。如圖2-8所示。（2）二次損傷。因車輛在碰撞是突然減速，車輛上面的人、物體和車輛本身的零件因為重力而產(chǎn)生慣性，這種慣性力造成這些零件或者物體及人會在車內(nèi)產(chǎn)生二次碰撞，二次碰撞所造成的損傷稱為二次損傷。如圖2-9所示。應力集中的概念（三）1.負荷外力作用于物體上稱為負荷，按照力作用的方向可以將負荷分為很多種，如圖2-10所示。2.應力與負荷之間的關(guān)系通常，我們定義物體單位面積上所承受的負荷稱為應力，可以用公式表明：應力=負荷/截面積由此我們得知，在受到外力的作用下，物體所產(chǎn)生的應力與負荷和物體的橫街面積有關(guān)，也就是說，當負荷一定的情況下，橫截面積越小的位置，則產(chǎn)生的應力越大，我們用如圖2-11、圖2-12所示來說明此點。3.應力集中當一個截面積處處相等的物體受到拉伸或者壓縮負荷時，物體內(nèi)部所產(chǎn)生的應力大小也是相等的，然而，若物體的截面積產(chǎn)生缺口，空洞或者溝槽，則這些部位會產(chǎn)生較大的應力，基于此，物體在受到負荷作用時可能開裂。所以，鋼板的應力集中指因截面積的改變從而導致該部位的應力變大。如圖2-13所示。同時，在某些情況下，雖然物體的截面積沒有改變，在該面物體形狀的情況下，同樣會造成該部位產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。如圖2-14所示。4.彎曲力矩如果負荷作用于相同截面的右側(cè)邊緣，則最大的應力將發(fā)生在接合面，在這時導致物體所產(chǎn)生彎曲的力矩稱為彎曲力矩。如圖2-15所示。物體的應力分布如圖2-16所示。加工硬化（四）如果將一根鋼絲反復彎曲，則在彎曲的部位會產(chǎn)生硬化，如圖2-17所示。同理，在維修變形的車身鋼板時，反復在鋼板上進行實敲作用，同樣在鋼板敲擊部位也會產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。這種由于反復作用于物體上的外力而造成作用部位硬化的現(xiàn)象稱為加工硬化。車身變形的特性（五）

為了增加車身的剛性和撞擊時的能量吸收作用，在車身上設(shè)置了許多用來進行能量吸收的區(qū)域，如下圖2-18所示。車身零件由多種斷面所構(gòu)成。所以在碰撞事故發(fā)生時應力集中通常發(fā)生在以下幾個部位：（1）截面積改變的部位。①波紋效應區(qū)域（皺折區(qū)域）。②加強件的前端或者后端。③鋼板連接處。（2）支點部位。①拱起區(qū)域。②轉(zhuǎn)角區(qū)域。在事故發(fā)生時，撞擊能量會傳到至較薄弱的鋼板而使其變形，若變形的部位有加強硬化的情形，則此部位無法吸收撞擊能量，而使能量傳到至其他較薄弱的區(qū)域。能量吸收原理（六）能量吸收指車輛在發(fā)生事故時，車身利用自身設(shè)計的弱化區(qū)域的結(jié)構(gòu)來吸收碰撞能量，通過弱化區(qū)域的損壞和變形來消耗能量。而在乘客廂區(qū)域通過加強的形式提高剛性，從而最大化的保障在發(fā)生事故時乘員的安全。能量吸收區(qū)域的變形理論與波紋效應理論類同，如圖2-19所示。發(fā)生在車輛上的碰撞力，如同水流從從高處往低處流，在水流的途徑中，如果有一個洞，則會停留在此洞，直到填滿時才會繼續(xù)往前流，同樣地，如果水流途徑中有小石頭，則水碰到小石頭會瞬間停止，然后繞找小石頭往前流。車身不同部位能量吸收分析（七）1.碰撞力在前側(cè)梁上面的傳遞過程分析：如圖2-20所示，前側(cè)梁在設(shè)計上布置了孔洞、形狀變化區(qū)域等弱化區(qū)域，如同水流途徑的孔洞。這些部位屬于車身應力集中區(qū)域，在碰撞力傳遞的時候，可以通過變形和損壞來消耗碰撞能量。而加強區(qū)域是硬化區(qū)域，如同水流途徑的小石頭，可以抵抗部分碰撞力的通過。由此，前撞所產(chǎn)生的碰撞力，經(jīng)過前測量的吸收和抵抗，則傳到至乘客廂的碰撞力越來越小，最大化為乘客區(qū)域提供保證。2.前側(cè)梁的吸能分析分析：從圖2-21我們可以看出，在FR車輛上面，如果撞擊力F作用域A點，此時A、B、C\部位產(chǎn)生變形吸收碰撞能量，到達D部位時，改變方向到達E部位，碰撞力對下隔板及主車底板造成損傷，阻止碰撞能量更大范圍傳播。分析：從圖2-22我們可以看出：如果碰撞力是呈一個角度發(fā)生，則碰撞力會分解，橫向的撞擊力會通過A、B、C等部位，最后到達D位置，能量吸收的原理與上圖類同。但當作用力較大時，D點位置所產(chǎn)生的損傷遠遠大于單一的水平撞擊，因為垂直的作用力Fy與D點位置形成彎曲力矩，對D點造成綜合損壞。3.上部車身的吸能分析分析：從圖2-23我們可以看出：如果撞擊力發(fā)生在車輛的上端，則在撞擊力傳導過程中，較弱的B、C部分會損壞而吸收部分撞擊能量。撞擊力傳導至D部位后，會因波紋效應影響前柱上支柱和車頂側(cè)欄板，前柱以其下端與車門檻板的連接點作為支點，向后傾斜，導致常見的車門縫隙變化。當力傳導至E部位時，波紋效應會因擋風玻璃的安裝形式不同略有變化，如圖2-24所示。如果擋風玻璃是粘著式，則撞擊力會分布在整個區(qū)域，若擋風玻璃是密封條式，則撞擊力在E點部位產(chǎn)生的損傷比粘著式更大。當然，不管擋風玻璃是那種連接類型，E部位往上推，造成車頂側(cè)欄板、風擋玻璃框架、車頂鋼板向上變形，從而造成中柱上端和車頂連接處產(chǎn)生扭曲變形。4.后車身的吸能(1)后底部車身后底部車身的能量吸收區(qū)域設(shè)置取決與油箱的布置形式，油箱在車身的布置形式分為懸浮式和脊背式兩種。在傳統(tǒng)的前置后驅(qū)車輛上，油箱布置在車輛的后方，如圖2-25所示。這種油箱的布置形式稱為懸浮式，油箱比較扁平而較長。后車底板側(cè)梁被設(shè)計成剛性較強的結(jié)構(gòu)不易變形，因為一旦發(fā)生后撞，后側(cè)量后端如果弱化，則后側(cè)梁后端發(fā)生變形可能擠壓油箱，導致燃油泄漏。此外，后車底板所設(shè)計的拱起區(qū)域可以在后部撞擊時發(fā)生彎曲變形以吸收碰撞能量。近年來有更多的FR車身和FF車身車輛的燃油箱放置于后軸前方，這種情況下油箱設(shè)計的比較深和短，我們把它稱為脊背式油箱。如圖2-26所示。這種車輛在后車底板側(cè)梁后端實施波紋加工處理，從而降低該部位的剛性從而吸收來自后方的撞擊能量。某些車輛為了提高維修作業(yè)的效率，把后側(cè)量后端做成可分離狀態(tài)，如圖2-27所示。

(2)后上部車身的吸能在后部撞擊時，撞擊力除了引起接觸區(qū)域的損壞外，還會傳到上部車身，使得后翼子板向前變形，導致后翼子板和后車門的縫隙縮小。如果撞擊能量很高，則會導致后車門向前推導致車門中柱跟著發(fā)生變形。撞擊力足夠大的情況下也可延伸至前門，導致前車身立柱也發(fā)生變形。具體的撞擊力傳遞路線如圖2-28所示。如果在前車身立柱和車門立柱都發(fā)生損傷的情況下，此種損傷的典型表現(xiàn)形式是車門開關(guān)不良，縫隙發(fā)生變化。后部車身在發(fā)生碰撞時，撞擊力傳遞的另一個途徑是經(jīng)過后翼子板向上傳遞給車頂側(cè)欄板，如圖2-29所示。車頂側(cè)欄板被向上推，從而導致中柱上方的車頂鋼板發(fā)生扭曲。從后部車身的撞擊能量傳遞路線我們可以理解，為了保障乘客區(qū)域不被壓縮，我們在車輛中部零件的設(shè)計上，盡量提高零件的剛性來抵抗擠壓變形，例如在前柱、中柱、后車身立柱等零件采用三層的箱形體結(jié)構(gòu)，并且使用超高強度鋼材來制造加強件，同時提高車頂側(cè)欄板的強度和剛性，這些都是保證中部車身增加剛性的一些措施。在一輛轎車上，認知車身結(jié)構(gòu)安全設(shè)計區(qū)域及零件的名稱，并根據(jù)表2-1所示圖片的要求填寫部件名稱及作用。

任務實施二1.準備工作承載式車身轎車和非承載式車身轎車各一輛。2.技術(shù)要求與注意事項（1）能識別車身前部結(jié)構(gòu)件安全設(shè)計區(qū)域。（2）能識別車身后部結(jié)構(gòu)件安全設(shè)計區(qū)