車身結構設計要點.ppt

汽車車身設計 Automotive Body Design Dept. of Automotive Engineering Jiangsu University 主要內容 1. 車身結構設計 2. 車身骨架設計 3. 板殼零件 4. 結構工藝性 5. 耐腐蝕性 6. 彈性振動與隔震 7. 噪聲控制 第 8章 車身結構設計 8.1 什么是車身結構設計？ 車身結構設計之前已完成工作 汽車總體設計 車身總布置設計 車身外形和內飾設計 完成構成車身的結構件的形狀、尺寸以及結構 件之間聯(lián)接關系的設計 8.2 車身結構設計的發(fā)展歷史 自行車 -汽車的技術先驅 第一種大量生產、用于人員運輸?shù)臋C器 1816-1818首次將兩輪車的思想變?yōu)閷嵨?1885年，現(xiàn)代自行車的基本型在商業(yè)上獲得成 功 由此出現(xiàn)的種種變革的要求為汽車的出現(xiàn)奠定 了基礎 8.2 車身結構設計的發(fā)展歷史 向自行驅動的車輛過渡 三輪電能驅動車 蒸汽機驅動的四輪車 內燃機驅動的車 荷蘭人 Christiaan Huygens 法國人 Etienne Lenoir 德國人 Nicholas A. Otto 英國人 Lanchester 根據(jù)基本原理進行功能性設計 鋼管銅焊構成車架 . 8.2 車身結構設計的發(fā)展歷史 大量生產時期 （ 1900-1927年） 大約五百多家汽車生產公司 1929年：產生了“設計”車身結構以使汽車 有較輕重量的“需要”。 1900年出現(xiàn)了第一個金屬車身專利 主體仍然是木、鋼結構的車身 8.2 車身結構設計的發(fā)展歷史 美觀和舒適的時期（ 1927-1956年 ） 提出了對汽車的基本需求 經(jīng)濟 耐久、可靠 舒適、吸引人 操縱、使用安全 8.2 車身結構設計的發(fā)展歷史 1926年開始出現(xiàn)車身造型 設計的實踐 借助于試驗和其它的一些基本工具，對車身的 結構進行了有效的設計 汽車的基本結構已定型 8.2 車身結構設計的發(fā)展歷史 安全時期（ 1956-1970） 著重考慮如何減輕汽車碰撞后的后果 美國頒布了安全法規(guī) 結構設計仍然以實驗方法為主，開始研究計算 分析的理論和工程方法 8.2 車身結構設計的發(fā)展歷史 計算機結構分析時期（ 1970年以后 ） 特定構件的應力計算 有限元方法 8.3 車身結構設計主要內容 車身結構設計的主要內容 功能設計 如支撐發(fā)動機、變速箱等 性能設計 如安全性、噪音控制等 8.4 車身結構設計的基本約束和目標 車身結構必須能夠承受在其整個使用壽命周期 內可能遇到的所有靜力和動力負荷 必須提供一個舒適愜意的車內空間、滿意的行 駛平順性、操縱穩(wěn)定性以及對大自然的影響的 抵御能力 必須提供對車內外噪音源的隔音 必須保證駕駛員和乘客有適當?shù)目梢姸?重量輕，需要能量最小 具有抵御空氣動力阻力的能力 提供對乘員的安全保護 所用材料來源豐富，價格低廉，便于高效率 地制造和裝配 汽車使用壽命后材料應能再循環(huán)和使用 滿足各種環(huán)境下的使用要求 成本低，以使千百萬人能夠買得起 8.5 車身結構設計準則 工作負荷 運行譜 平均運行工況 運行速度分布 超載形狀 -動力負荷造成的疲勞損壞 車輛行駛模型 8.5 車身結構設計準則 乘客滿意度準則 平順性 噪聲環(huán)境 安全準則 汽車安全標準 減少傷害的可能性 將乘員被從車內拋出的可能性降至最小 保證與安全有關的零件有足夠的強度 將火災的危險降至最低 8.5 車身結構設計準則 整車結構 48.3km/h正面固定障礙物沖擊 （ FMVSS204、 FMVSS212、 301） 轉向機向后位移 擋風玻璃安裝條 燃料系的完整性 48.3km/h后面移動障礙物沖擊 （ FMVSS301） 32.2km/h側向 移動障礙物沖擊 （ FMVSS301） 車頂撞壓抗力試驗 8.5 車身結構設計準則 車門零部件 側門強度 （ FMVSS214） 門鎖組件 （ FMVSS206） 保險杠組件 8km/h的縱向擺錘撞擊 5km/h的 30度角擺錘撞擊 8km/h的縱向障礙物撞擊 8.5 車身結構設計準則 座位組件 頭部保護裝置 座位總成 座椅安全帶固定裝置 8.6 車身結構分析 -結構的理想化 車身結構分析的難點 -構造的復雜性 邊界條件復雜 橫截面的變化 板材厚度的變化 . 難以獲得精確的解析解 8.6 結構的理想化 用離散的模型代替連續(xù)的模型 用有限元的方法對車身進行結構分析 基本工作過程 基本量：單元 總體結構：單元的裝配 位移的轉換 力和剛度的轉換 車身結構有限元模型實例 車身二維模型 考慮正面加載、彎曲、頂面加載和立柱加載 8.7 車身總成模型 8.8 車架模型 縱梁：承受彎曲負荷 橫梁：提供基本的扭轉約束 難點：斷面形狀突然變化處會出現(xiàn)梁轉 角的急劇變化，一般用允許變形后軸線 斜角不連續(xù)的旋轉彈簧來模擬。 局部柔量：影響總體結構響應的局部變 形，通常發(fā)生在集中載荷和結構的連接 處。 保險杠 立柱 前板金件 應力分析 確定結構形狀及其應力分布 實例 散熱器支架 用約束模擬螺栓的固緊狀況 有 216個節(jié)點和 144個平板單元 8.9 車身結構設計步驟 1. 確定車體的構件組成，分出主要、次要件，其 目標是：使車體成為一個連續(xù)的完整的受力系 統(tǒng)。 2. 確定主要桿件的截面型式 -閉或開式； 3. 確定截面的構成方式、與其它部件的配合關系、 密封和外形的要求、內、外裝飾板的固定方法 以及相關的制造方法； 4. 繪制截面過渡草圖 5. 化分分總成，分塊； 6. 應力計算； 7. 繪制零件圖。 8.10 車身骨架設計 (1) 骨架設計的基本要求 強度 剛度 (2) 骨架設計的基本 要求 剛度不足有什 么問題？ 變形 噪音 強度不夠有什 么問題？ 裂紋 疲勞斷裂 車身結構安全性 (3) 桿件的設置 桿件 主要 承載件 非主要 承載件 功能所要求設置的 ， 如門 柱 、 窗柱 、 門檻 、 門框上 橫梁 、 風窗框上下橫梁等 。 加強用，如大客車頂蓋上 的縱梁和底架周邊的擱梁 為安裝附件而設置的非 承載件，如頂蓋上為安 裝頂窗而設置的框架等 轎車車體主要桿件 窗柱 門柱 后橫梁 座椅支撐架 地板邊梁 前縱 梁 斜地 板 截面形狀 截面尺寸 （ cm） A JK IY WY WK h 12.8 B=4.8 T =0.4 1 0.004 4 1 1 0.004 3 H=6.4 B=4.8 T=0.4 1 0.59 0.69 0.73 3 0.768 D=7.13 T=0.4 1 1 0.69 1 0.65 6 1 桿件截面形狀與剛度關系 在材料面積 A和壁厚 t保持不變的情況下，閉口 截面的抗彎性能和次于開口截面，但閉口截面 的扭轉慣性矩要比開口截面大多了。 從提高整個車身和構件的扭轉剛度出發(fā)，宜多 采用閉口截面，但是還需要考慮構成截面的其 他因素，如結構功能、配合關系以及制造工藝 等等。 骨架結構中應力集中問題 當受力桿件的截面發(fā)生突變時，就會由于剛度 突變引起截面變化處應力集中，在經(jīng)常承受交變應力的 汽車車身上，應力集中可能誘發(fā)進展性裂縫，導致疲勞 損壞。這是車身結構損壞的原因之一。 在結構設計時要避免截面急劇變化，特別是要注意加 強板和接頭的設計。 梁上沖孔的 解決辦法 在縱、橫梁的“接頭”處，容易出現(xiàn)應力集 中問 題，是車身的隱患，如何解決呢？ 示 例 ： 車 身 側 板 與 頂 連 接 接 點 8.11 板殼零件 板殼零件 外覆蓋件 內覆蓋件 骨架零件 車身頂蓋，發(fā)動機罩外板、 門外板、翼子板 前圍內板（發(fā)動機擋板） 地板、門內板 支柱、門窗框以及 各種縱、橫梁 設計車身板殼的三個重點問題 問題 1： 保證板殼構造的合理連接與美觀 問題 2： 保證板殼構造的合理分塊 問題 3： 如何提高零件剛度 措施 1：合理選用曲面造型 措施 2：設置加強筋 8.12 車體結構的工藝性 結構工藝性能的是所設計的產品既要滿足使用 要求，又要能夠在一定的生產條件和規(guī)模下次， 使加工方法最簡單、最經(jīng)濟。 (1) 車身分塊對工藝的影響 將車身整體形狀分成數(shù)塊能夠制造和裝配起來的零 件稱為分塊 。 車身分塊必須考慮如下幾個方面： （ 1） 分塊應考慮鋼板材料的尺寸規(guī)格 。 （ 2） 分塊應考慮拉延工藝性 。 （ 3） 分塊對制造精度的影響 。 （ 4） 分塊應考慮易損件 。 (2) 車體焊接裝配工藝性 分總成 總成 零件 合件 桑塔納 B2 的正面焊 點布置 (3) 汽車車身制造工藝介紹 沖壓 裝焊 涂飾 沖壓工藝 建立在金屬塑性變形基礎上，利用模具和沖壓設 備對板料施加壓力，使板料產生塑性變形或分離， 從而獲得具有一定形狀、尺寸和性能的零件。 一般可分為四個基本工序 沖裁 彎曲 拉深 局部成形 沖壓用鋼板的類型 按品質分類 普通碳素鋼 優(yōu)質碳素鋼： 沸騰鋼： 05F、 08F、 10F、 15F、 20F 半鎮(zhèn)靜鋼： 08b 鎮(zhèn)靜鋼： 08、 10、 15、 20、 30 低合金高強度鋼板： 09Mn, 16Mn, 06Ti, 10Ti 沖壓用鋼板的類型 按拉深級別分類 厚度為 414mm的熱軋鋼板： S-深拉深級， P-普 通拉深級， W冷彎成形級 厚度小于 4mm的熱軋和冷軋薄鋼板： Z-最深拉 深級， S-深拉深級， P-普通拉深級 厚度小于 2mm的深沖壓用冷軋鋼板和鋼帶： ZF- 沖制拉深最復雜的零件， HF-沖制拉深很復雜的 零件， F-沖制拉深復雜的零件 按鋼板的表面質量分： A-高級精度， B- 較高級精度， C-一般精度 (2) 汽車車身裝焊工藝 (3) 汽車車身涂飾工藝 耐腐蝕性 改善車身的抗蝕性能一般通過二種途徑 ： 改進車身結構 用保護膜 車身結構設計所采用的防腐措施 使車身結構不能積存水 、 泥等 。 設計時要全面檢查并確定容易銹蝕的部 位 ， 并采取特別的防腐措施 。 兩種金屬之間的接合 ， 特別易發(fā)生電化 學腐蝕 ， 應盡量避免 。 當必須采用時 ， 應 在兩層板之間使用塑料隔層 。 車輪不積水結構 設計 密封膠部位示意圖 保護膜的采用 在采用保護膜方面，為了提高車身的耐蝕 性和漆膜的密著性，通常先進行磷化處理， 再涂以防銹底漆。 有些國家正在對易受腐蝕的車身部件采用 鍍鋅鋼板，例如， 1985年起陸續(xù)投放市場的 奧迪（ Audi） 80、 100和 200轎車，其車身由 鍍鋅鋼板制成。 車體的彈性振動與隔震 1）車身的振動 車身是一個多自由度的彈性系統(tǒng) ， 在外界力的激勵下將產生變形 ， 引 起系統(tǒng)的振動 。 車身振動頻率大致在 2050Hz。 汽車 在輪胎上的振動頻率及發(fā)動機在其 懸置上的振動頻率等 ， 與車身低階 頻率很接近 ， 因此應注意 提高車身 的剛度 。 2）車身板殼的局部振動 剛度差的大型覆蓋件在震源激勵下會引起板殼強 迫振動 板件振動造成的輻射聲和車廂體積的變化是主要 噪音源。 解決方法：板上沖壓肋 原因： 振動波總朝剛性最差方向前 進，沖壓肋可以切斷路徑。 3）隔震選置的設計 來自路面或發(fā)動機等的激勵而起的振動 ， 通過懸架或發(fā)動機懸置 （ 帶阻尼的彈性元件 ） 傳給車架 ， 然后經(jīng)過車身 （ 或駕駛室 ） 在車架 上的懸置點傳到車身 。 對于承載式轎車車身，為防止振動直接 入車身，在中、高級轎車上常采用將懸架和 發(fā)動機動力總裝置在單獨的附加橫梁（副車 架）上的結構，附加橫梁通過橡膠墊與底架 的縱梁相連。 壓縮型懸 置橡膠元 件 剪切型懸 置橡膠元 件 為減少車架變形 和振動對車身影 響，應盡可能減 少懸置點。 車內噪聲控制 汽車噪聲 車外噪聲 車內噪聲 與車身結構關 系密切 1）聲壓級與聲強級 聲壓級 LP： 20lg(p/p0) P0: 參考聲壓，取 2*10-5pa 聲強級 LI： 20lg(I/I0) I0: 參考聲強，取 10-12/W/M2 2)評價指標 美國汽車工程師協(xié)會（ SAE），根據(jù)大量調查， 從保護聽力不受損害的角度，提出貨車駕駛室 內噪聲不應超過 88dB（ A），并推薦了駕駛室 各頻帶聲壓級數(shù)值（參考書中表 8-2）。 轎車車內標準各國根據(jù)各自情況確定，請參 看書中表 8 3， 4 3）車內噪聲產生機理 。 。車內噪聲 空氣噪聲 機械性噪聲 空腔共鳴 由車身外部噪聲 和風噪聲組成 由固體振動產生 4）車內噪聲控制 手段： 減小聲源，改進結構設計 思考題： 觀察車身結構設計中 控制噪音的手段