車身設計關鍵技術

1、車身設計關鍵技術羊軍，葉永亮2008-07-30 箱字體：大中小根據專家研究，設計不僅決定了產品的成本（產品成本的70%由設計決定），也決定了產品的性能 和質量。在進行整車開發(fā)和車身設計時，利用并行工程技術，著重研究整車碰撞標準、碰撞傳力途徑、 車身輕量化、車身模態(tài)及剛度等關鍵技術來保證設計開發(fā)的質量。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，以便在同級車里更有競爭力，這 對車身的重量、剛度、安全性能產生了較大幅度的影響，給車身的設計增大了不少難度。1整車碰撞標準研究車身設計首先要設定車輛的安全目標，隨著自主品牌在國內市場的不斷崛起和向國際市場的不斷滲 透，充分了解目標市場的安

2、全目標是非常重要的。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?？梢钥闯龈鲊男萝囋u 估程序都有其相似之處，并且明顯比法規(guī)的要求嚴格了很多。新車評估程序（NACP）的主要操作方式是通過一系列公開發(fā)布的車輛碰撞試驗結果，提供給消費者 一個基于車輛正碰和側碰等深層次碰撞研究基礎上得到的精確車輛安全性能信息。這些公開的碰撞試驗 結果將對消費者在購買車輛時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計碰撞傳力途徑是影響最終車身獲得安全星級的關鍵因素。2.1正碰傳力途徑當車身遭受正面撞擊時，前部的吸

3、能緩沖區(qū)利用強韌的吸能材料盡可能多地通過變形吸收因撞擊產 生的巨大能量，同時利用結構上的受力連續(xù)，未被吸收的沖擊能量被分散到整個車身，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、加強筋等形狀預先設置出材料的變 形趨勢，設計避開可能發(fā)生對乘員不利的危險變形，減少正面碰撞導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個吸能區(qū)，如圖2。圖2車身前端吸能區(qū)區(qū)域1，由保險杠緩沖梁和吸能盒組成，將接收到的碰撞能量進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。緩沖梁一般設計成帶有上下各4層褶皺的閉口截面梁，加上左右與發(fā)動機

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，獲得比較出色的吸能能力。區(qū)域2，由發(fā)動機艙上下縱梁組成，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 要的吸能結構。發(fā)動機艙下縱梁采用的是閉式的類矩形截面，超過2mm的加強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)動機艙下縱梁出眾的承載能力，三點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)生碰撞時動力總成竄入車體內部對前排乘員可能造成的危險，左右前縱梁靠近前圍板 的根部留有預設的凹槽結構，萬一發(fā)生嚴重撞擊，縱梁在重壓下沿著該結構的變形趨勢和發(fā)動機一起下 沉，杜絕發(fā)動機竄入駕駛艙的可能。發(fā)動機艙上縱梁由前懸

5、塔狀形罩板等零件組成，分擔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果。區(qū)域3為駕駛艙。其最主要目標是保證框架的強度和剛度，以求得最小駕駛艙變形，保證乘員的安 全空間。前圍板及其加強板將受到的載荷迅速向兩側分散，通過S形的加強延伸板將前縱梁與地板縱梁牢牢 地焊為一體，一直貫穿整個底板直至車尾，實現了載荷的迅速分散。另外，厚實堅硬的儀表板安裝橫梁 也將碰撞載荷分解到兩側的A柱，保證了乘員的安全。A柱將傳來的載荷沿A柱門框、門窗臺加強板

6、、門防撞梁和下部門檻及地板加強板向B柱方向分散， 確?？蚣艿姆€(wěn)定性。2.2側碰傳力途徑優(yōu)化的門檻加強板正好定位在碰撞的高應力區(qū)，B柱加強板（門框一圈所有零件）和座椅橫梁形成 一個連續(xù)的設計，在門檻和中央通道間創(chuàng)建一個有效的側碰屏障并使側碰后門很容易打開，如圖3。圖3側碰時門扳的傳力途徑當車輛受到側面撞擊時，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度外，如何讓撞擊力通過車門防撞梁傳遞出去也是一 個重要的研究方向。一般來說，讓車門防撞梁和門框合理重疊是一個有效途徑。另外，通過優(yōu)化車門外 板窗臺加強板的結構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杠緩沖梁進行有效能量吸收，然后將剩余能量均勻分解 并傳遞到車身后部左右縱梁。后部結構設計對保持框架穩(wěn)定性和防止框架變形侵入損壞油箱起到至關重 要的作用。目前后碰的研究重點已由100%正面后碰提升到了后面偏置碰撞，根據北美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計要求。為了滿足新的更高要求，一般要從以下兩點來重點考慮：首先，盡量多考慮將后保險杠緩沖梁從沖 擊側承受來的能量往非碰撞側傳遞；其次，對后部框架的穩(wěn)定性進行進一步加強。具體在結構

8、設計時除了考慮增大后保險杠緩沖梁和后縱梁連接面外，還要加強后圍板防止產生側向 撕裂。最主要的一點是后縱梁也需要合理設置類似于正碰能量吸收結構。優(yōu)化結構設計后的后縱梁產生 的抵抗力有顯著的提高，見圖4。圖4優(yōu)化設計后的后縱果碰撞結果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主機 廠的重點課題，但目前國內主機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L來評價減重效果。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 剛度；mBiw為不帶

9、門蓋的油漆車身重量。我們的目標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、新技術和新設計來實現的，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，同時高強鋼和普通鋼的價格差距在縮小到合理范圍內， 而性能可以顯著提高，現在車身設計中普遍采用高強鋼。選擇高強鋼，可以減少零件數量、降低料厚和 縮小結構盒狀斷面尺寸來達到減重的效果，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 應用實際，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 新的結構設計來達到減重的效果，見圖6。圖6新結構設計減重實例通過以上方案的改進，可以去除內部加強板達到減重3kg的效果，同時整體性能還有提高。4車身剛度和模態(tài)車身剛度和模態(tài)是評價車身和整車性能的兩個主要指標，車身剛度一般指靜態(tài)剛度，常見的評價指 標包括彎曲、扭轉和側傾剛度等（其中扭轉剛度為主要評價指標）。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、碰撞和燃油經濟性不斷提出更高的要求，迫使車身重量不斷降低的同時，其剛度 卻在不斷提高。對于車身設計來說，首先需要保證整體剛度，這就需要在設計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，對局部剛度進行再優(yōu)化也可以在一定程度上促進整體剛度的提升。影響車身剛度的兩個最主要因素是車身材料和車身結構。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 能應用在整體剛度改進提高上，只能應用在局部剛度提升上。高強鋼也是提高車身剛度的一個好辦法， 但高強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，在車身設計開 發(fā)和成本控制時需要根據實際情況進行綜合平衡。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)化車身結構。但國內由于車 身設計開發(fā)水平不高、自主設計開發(fā)技術手段落后以及對車身結構優(yōu)化重視度不夠，在這方面的系統(tǒng)性 研究很少。下面結合車身設計的實際情況，簡要闡述通過車身結構優(yōu)化提高車身剛度的方法和途徑。構成乘客艙的結構件尤其是A柱、B柱、C柱、門檻、前后風窗下橫梁、頂蓋前后橫梁、側圍上邊梁 等部位的封閉式斷面形狀對車身整體剛度起到至關重要的作用。通常認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。但分析數據表明，剛度值隨斷面力學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。同時由于車身輕量化要求，也不可能一味地加大主斷面。大量 實例證明，通過CAE模擬剛度分析和實際剛度測試誤差很小，結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零件的敏感度分析，找到最合適的主斷面是車身設計 的重點課題。一般車身結構重點研究的斷面有3050個，很多公司可以通過斷面庫很快選取合適的主斷 面，然后進行小的優(yōu)化設計就可以保證車身剛度并達到好的設計效果，避免大量的重復計算和優(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模擬來實現。通過改進結構設計減重的實例，以及改進輔助斷面形狀以提高局部剛度的實例，該實 例同時達到了提高剛度和減重的雙重作用，也再次證明了結構優(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 強筋、翻邊或其它一些特征來提高剛度，從而盡量減少加強板的采用。有時，在條件受限的情況下，不 改變接頭形狀，在接頭處預埋高強度結構發(fā)泡材料，或不改變零件形狀，在零件上增加非金屬增強墊， 也能起到提高車身剛度的作用。在車身結構設計時，提高車身剛度還有多種方式：采用合理的分塊，在車身結構上盡量避免由很多 小零件焊接而成的框架，例如目前采用較廣的整體式側圍、門框等；不用焊接而直接采用液壓成型的封 閉式截面結構，例如B柱內加強板；在車身結構薄弱部位合理采用車身結構膠粘接加強，例如由于尖角 造型造成后側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)是主要評價指標。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，這是因為高頻率模態(tài)不僅避開了人