宝马白车身解析

德国宝马BMW5系列白车身结构解析（编译自德国宝马公司内部资料）宝马5系列车外形图宝马5系列车侧视图宝马5系列车外形结构图目 录第一章 E60 (即宝马5系列) 白车身引言第二章 材料 钢铝第三章 车身的结构引言该车身结构的新的特点系统概貌 白车身结构组件减重型的铝制前部构件GRAV 侧面筋条和顶棚 侧壁板车底部构件车后部构件针对各国的全型号正面壁板和组件第四章 接缝接合技术引言钢件接合技术铝件的接合技术钢件和铝件的接合技术第五章 GRV-减重型的铝制前部构件GRAV特点概貌减重型的铝制前部构件组件轮罩发动机支座正面壁板第六章 碰撞特性正面碰撞侧面碰撞车尾部碰撞ATZ前部碰撞ATZ后部碰撞.第一章 E60 (即宝马5系列) 白车身引言一种现代的汽车车身必须符合很多的要求。而最重要的要求自然就是给乘坐者提供良好的内部空间。另外就是车在碰撞的情况受到的伤害最低为佳。此外，发动机和动力排都要坚实地悬固在车身上面。整个车的重量全集中在车身结构的四个点上，对车身有很高的承受静力和动力的要求。此外车身承载件还必须有很高的疲劳强度，在出现事故之后承受的修理费尽量的低。同样车身重量和强度也极大的影响着车在运行时的行驶性能。为了最优地实现所有的上述的要求，在设计布局的时候要给予特别的注意。多年以来在宝马公司在制造第一台样机之前就通过计算和模拟方法实施了对所有构件的性能进行了优化。在最近的一些年，所有的汽车生产厂家对车的重量越来越加大的趋向一直进行不懈地克服。由于发动机的功率越来越高，车架和车身就要承受更高的负荷，相应地就增大了尺寸。同时人类在这些年来变得越来越高大，这使整车和车的内部空间也要求加大。在近几十年里人们对车的舒适性的要求也越来越高，也有了系列化的舒适性配置及特种配置。所有的这些发展现象都使车的重量增加，也就导致了行驶能力的变坏，这又一次迫使人们去提高发动机的功率。为了不陷入这个怪圈或者走出这个怪圈，宝马公司研发了E60 。此车身一定要有明显的改变，但是要实施的前提可能性是构件不但在几何形状上优化，材质的选择方面也要优化。E60就是第一台这一类的车：车前面构件是铝制的，车座仓和车的后厢却是由钢件制成的。使用了这种混合式材质的方法和高强度的钢材，使车体（不算车门和前后盖板重量）重量降到了255 公斤，重量分布也明显改善了。下面按照顺序论述有关材质的选择，材料特性，车身结构，焊接接缝方法和碰撞特性。第二章 材料现代车身要满足很多的要求。在最可能小的外形尺寸时要有尽可能大的内部空间。在出现车祸时要给乘驾者最好的防护。这个动力排，也即发动机，变速箱牢固的在车身上良好工作。另外车身要有非常好的静态和动态刚度，以便使宝马车实施它的名副其实的行驶性能。另外，车的承载构件要有很高的疲劳强度，在出现事故之后承受的修理费尽量的低。为了实施和完成上面的这些要求，宝马公司的战略就是对每一个结构件为达到它的最优效能要使用最好的材料。钢钢料无疑是最为常用的材料。采用各种新型的钢合金使用在各自需要的方位处。在宝马E60 的车身上面使用了9种不同型号的合金，下面分别叙述这些不同的性能和使用范例。为了使解析更加方便起见，要先了解下面的三个定义：- Rp - 屈服极限，单位为 N/mm2- Rm - 抗拉强度，单位为 N/mm2- A80 - 破断延伸率，单位为 %Rp 和 Rm 两个参量对于部件的强度，耐受碰撞能力和构件的厚度是很重要的。A80这个参数是对冲压车间去衡量材料的成形能力的一个尺度。图 1 各种钢材的强度和成形能力 图内文字的涵义X 强度Y 成形能力1 深冲成形钢2 IF 钢, 各向同性钢, BH 钢, 微晶合金钢3 DP 钢4 TRIP 钢5 CP 钢6 MS-钢7 Bor 钢深冲成形钢（ 例如， DC05）这种标准材料在构件上面使用时没有特别的强度要求。但这种结构钢件由于它的几何形状复杂，要求它的成形度很高，就不可能使用高强度的钢。常常是对于入门者有时不明白为何一个结构件不能用高强度的钢。顶棚的外板就是实例。原因是顶棚成形量相对来讲不是很大，好像看来适于使用高强度的钢。但如果你仔细研究就会确定，在边边角角的那些地方就是成形的关键部位。（看图2）。这种深冲成形材料屈服限范围是120 - 140 N/mm2, 最大的抗拉强度是 450 N/mm2，破断拉伸率A80是40。在车身制造中使用普通方法和工装可以很容易对这种材料进行焊接。还有一些件使用这种材料，例如，车底板和行李厢底板。图2 E60 车顶棚外板IF类钢（例如，H220Y）对于非常复杂造型的零部件，不但要求深冲也需要拉延，有不同的冲延深度，就要使用这种IF类的材料。这种类型的钢的结构是晶格无间隙，是在铁素体的中间晶格内没有了碳和氮的原子，这就使这种合金钢表现出非常低的碳和氮的含量，表现了非常好的成形能力和可焊性。这种钢的屈服限是 180 - 260 N/mm2, 最大的抗拉强度是 440 N/mm2 ，破断拉伸率 A80是 32% 。.这种钢典型使用是在深冲拉延件，它的冲延深度有时不是完全一样的，譬如，侧面框架。见下图。图3 侧面框架KT-11369各向同性的钢料（H220I）大多数使用拉延法制成的成形的构件的钢材都是各向同性的材料，也即在拉延的各个方向上的流变特性完全一致，在深冲的各个方位上的厚度减少量是它的判断标准。和其他的钢种不一样的是，这种钢不是在其宽度上流变，而是在其厚度上。它的屈服限的范围是220 - 300 N/mm2, 最大的抗拉强度是440 N/mm2 ，破断拉伸率 A80 是 36% .这种钢的加工方法普通，可以焊接和钎焊。例如，在E60 车身上的C柱加强件就是有这种钢制造的。图4 C柱的加强件烘烤硬化BH钢（例如，H220B）很难成形的构件，在制造过程中还应该能够提高强度的时候就常常使用这种BH型钢材。除了在冷作过程中提高强度以外，这种钢料在车身通过油漆的烘干炉的流程里面，在20分钟和170度的温度下，可以提高强度大约40 N/mm2。通过在合金成分内加上磷以及使碳成分老化来实施这种效果。BH钢本身的屈服限是180 - 300 N/mm2,，最大抗拉强度是500 N/mm2， A80拉伸延伸率为30。BH钢在使用气体保护焊和电阻焊的焊接设备时可以实施良好的焊接。这种钢的典型使用地方是在结构件上，例如在顶棚弓条，这个件必须要有高强度，但不易成形制造。还有就是外表面板，例如车门外表面板。这种件尽管有高的成形率，还要有非常好的表明状况和抗变形的强度，这都可以使用BH钢制造。图5 : E60 车门外面板微晶合金钢（例如， H420LA）构件使用这种钢材制造具有高强度和高防碰撞的能力。唯一的是它的成形能力差。微晶件的强度的提高是离析硬化造成的，这种由于在钢的成分里面由最精微分布的硝基碳和极小含量的钛铌钒元素。这些元素在含量为0。01时就会大大提高它的屈服限。这种钢材的屈服限是340 - 420 N/mm2 ，最大抗拉强度是620 N/mm2 ，破断延伸率A80是 20% 。在使用气体保护焊和电阻焊的焊接设备可以实施良好的焊接。这种钢使用的范围的实例比如发动机的后支撑架，车身内部侧面框架。图6 发动机后撑架双晶像钢 DP钢（例如340 X）在碰撞时要接受大量能量的高强度的结构件或者是高抗压强度的车身外面板都使用这种钢材，简称为DP钢。在热轧过程里加入合金和使用合适温度就可以制造出具有多种金相组织的这种板材。这种钢材内提高了强度，在金相组织内除了软相外还增加了硬相，它的金相组织内大多数是软的铁素体，还有大约20 的硬马丁体的金相。这种钢材的屈服限是 300 -340 N/mm2 最大抗拉强度是600 N/mm2 ，破断延伸率 A80是 20% 。在使用气体保护焊和电阻焊进行焊接时会淬火变硬。在宝马公司目前还没有使用这种钢材，但这种钢的原理适合于下面的TRIP钢。TRIP钢（ 例如H400T 钢）TRIP钢是英文缩写。原文是Transformation Induced Plasticity(变形产生塑性)。这种钢和上面讲的DP钢一样多用于结构件。这种钢材制造具有高强度和高防碰撞的能力。这种钢也被称为RA钢，即残存奥氏体钢，和上面讲的DP钢一样隶属于多晶像钢。钢内在铁素体和贝氏体的基本晶格矩阵内还特别含有残存奥氏体成分。在成形加工时这种成分变成硬化马丁体，使材料明显地强化。这种钢材的屈服限是380 -450 N/mm2 最大抗拉强度是800 N/mm2 ，破断延伸率A80是 25% 。这种钢的可焊性仅仅局限在使用气体保护焊和电阻焊的进行焊接。在焊接的时候在受热区和焊接的地方都会出现淬火现象。把这种钢和其他高强度的钢混合焊接是不合适的。使用铜基钎焊的方法，例如MIG钎焊不适合于这种钢。在E60 车身上，车身A柱内柱采用了这种钢。+图7 车身A柱内柱复合相钢（例如，D680C）（英文缩写为CP钢）这种钢材制造的结构件要具有非常高的强度，在碰撞时要接受很高能量。这种钢是热轧细晶粒钢。由于合金内的一些元素和使用特殊冶炼方法在这种钢内具有非常精细的微晶结构。这种结构的成分是铁素体，马丁体和贝氏体。内部很高含量的马丁体处于最细微的离析状态。CP钢的特殊的特点在冷强化时还附加有BH钢的功能。但和普通的BH钢不一样的是，有这种特殊功能更提高了成形能力。DP钢和TRIP钢同样有这种功能。CP钢的屈服限是680 -720 N/mm2 最大抗拉强度是 1150 N/mm2 ，破断延伸率A80是 10%。这种钢的可焊性仅仅是有条件的局限使用气体保护焊和电阻焊的进行焊接。在焊接的时候在受热区和焊接的地方都会出现淬火现象。把这种钢和其他高强度的钢混合焊接是不合适的。使用在铜基钎焊的方法，例如MIG钎焊不适合于这种钢。在E65 车身上，发动机支撑架后加强板采用了这种钢。另外E65B柱加强件也使用D680C（CP800）钢材。马丁体金相钢（例如，D900MS）对于要求接收很高碰撞能量而且变形很小的结构件使用这种钢，缩写称为MS 钢。和上面讲的CP钢一样，这种MS钢也具有精细的金相组织。通过马丁体和铁素体成分的合适配比可获得非常高的强度。这种钢在加大变形量的时候还有烘烤硬化钢的效应。这种钢的屈服限是750 -1100 N/mm2 , 最大抗拉强度是 1400 N/mm2 ，破断延伸率A80是 5%。MS 钢制成的结构件大多是用于螺栓固定的构件，在损坏时必须全套更换。在E60车身上这种钢用来制造车门内侧防撞的加强件。图8 车门内侧防撞的加强件 硼钢 （例如，BTR165 ）在结构件不但要有最高强度而且还要有高的成形能力时，就要使用硼钢。使用这种钢可以使重量极大减轻。硼钢内含有极少量的硼，但使钢的硬度会明显提高。原始钢料的强度和微晶合金钢是一个等级的，在温度大约为900C时进行成形。然后在封闭的水冷却的压力机内通过压力淬火使钢的强度极大的提高。成品件最小的屈服限可达到1300N/mm2 。宝马公司第一次使用这种硼钢是用在E46 Cabrio车身上，用于A柱加强件。在E60车身是在B 柱上段加强件上。图9 B柱上段加强件铝宝马公司已经有了长期使用轻金属铝合金的经验，宝马是世界上第一个大批量使用铝合金制造整个502 发动机的厂家。在车身制造中一直使用铝合金，例如3.0CSL车的车门。后来在E52车身的全套开发和研制中也使用了铝合金。在E60 车身结构设计上，宝马又迈出了新的一步。车身的每个件都按照各自不同的要求使用最合适的材料。车身前部由于要减少重量全使用铝合金，所以后来又称为“减重型铝质前车”，德文的缩写称之为GRAV 。.铝镁合金对于不是外面板的复杂冲压板件来讲使用5000系列的铝镁合金制造。调整合金内的镁含量的多少，Al Mg铝镁合金可具有非常好的成形特性。但在深冲成形后在外表面上可看见像火烧的点痕和细的条纹，这称谓为流变图纹。由于这个原因，5000系列的铝镁合金没有能使用在制造外面板。这种合金属于天然硬化合金，不能硬化淬火，因而只使用在承受一般载荷的结构件。当镁的含量大于 3.5 %时，会出现镁的成分有离析相的危险。这会导致晶化离析性的腐蚀。 所以宝马公司使用的铝镁合金的镁含量全低于 3.5 %。铝镁合金的屈服限是110 -160 N/mm2 ，最大抗拉强度是300 N/mm2。 5000系列的合金主要使用范围是车内部件，例如，E60车的正面内壁板或是支撑件。图10 正面内壁板铝镁硅合金在对于强度有高的要求或是对表面状况质量有高的要求时，使用6000系列的铝镁硅合金。这种合金不但适用于深冲板材，也适用于拉压型材。和5000系列的不同点是，6000系列在供货状态时的屈服限就高，但由于这种合金在油漆工艺的烘干过程还能受热硬化，最后的强度还会明显提高。因为6000系列的合金和5000系列的合金相比，在成形的过程中没有流变图纹，因而6000系列的合金可以用于制造外部面板。这种合金主要用于有高强度要求的外部构件和结构件。比如在E60 车身上，发动机仓外罩和发动机内撑横梁就是6000系列合金制造的。见图11。图 11 发动机仓外罩可抗碰撞的铝合金为了在撞车时发动机横梁按照一个规律弯扭，保证有最好的能量接受，宝马公司和Alcan公司合作研发了更高强度铝硅镁承受碰撞的铝合金。这种合金的屈服限是160 N/mm2 ，最大抗拉强度是240 N/mm2 。宝马在E60 车身上首次把这种合金用于制造发动机仓外撑横梁上。图12 发动机仓外撑横梁铸铝合金使用铸铝合金件允许构件有多样造型，和冲压件相比较，有较大可利用空间。宝马公司使用的铸铝合金里面铜的含量非常低，这就排除了可能产生的腐蚀。宝马公司使用的铸铝合金的型号是GAlMg5Si2Mn，货品名称是Magsimal。这种合金的屈服限是140 220 N/mm2 ，最大抗拉强度是240 N/mm2 。在浇口周围的破断延伸率是10 ，但离开浇口越远，这个数字会降低到大约为6。在宝马车铝合金压力铸造的构件是减震弹簧支承座以及V型支撑座的架子。图13 减震弹簧支承座第三章 车身的结构引言在本文里面把E60车身的结构分成如下几个部分：车身前部，车身侧面框架和顶棚，侧面板前部，车身底部，车身后部该车身结构的新特点E60 车身结构设计的新的亮点是车身前部使用了“减重型铝质前车”，德文的缩写称之为GRAV 。.宝马是第一家使用这种结构方式的厂家，在大批量生产时候就混合使用了钢铝材料。在本文里面要对这种“减重型铝质前车”GRAV专门有论述章节。系统概貌白车身图14 E60白车身 (图内黄色代表钢材料，兰色代表铝材料)白车身的几种类别：在E60 车身有四种类别：左方向盘不带天窗右方向盘不带天窗左方向盘带天窗右方向盘带天窗车身的刚度参数E60车身达到了如下的参数，见下面表格。白车身的静态刚度 数值撑架的重量（不带车门，盖板，前面板和前部侧板）弯曲 1 通道弯曲 1 门槛弯曲 2 尾部中线弯曲 2 尾部纵向梁扭曲 1 扭曲 2剪切扭曲 255kg650075001900100018500170005500整车的动态刚度 数值 1 弯曲1 扭曲2 扭曲26Hz29Hz375Hz材料使用E60车的长远目标在于：车身和配置的总重量（不包括行驶部和发动机）要比E39车身减少重量大约是50kg。对于白车身的前提目标是总重量不能超过342kg。 这个参数和E39 的白车身相比减少了22kg 。而且E60的空间还增加了4，功能还上了一个档次。直到C柱内侧的所用的全部钢板全是双面热镀锌的材料， C柱内侧的板是电镀锌的。和E39 车身相比， E60使用的高强度和特高强度的钢板的比重从大约50提高到85。结构组件白车身由下面几部分组成：车身前部（GRAV ），车身侧面框架和顶棚，侧面板前部，车身底部，车身后部“减重型铝质前车”GRAV“减重型铝质前车”GRV是最新的研发成果，专门章节叙述。图 15 E60GRV结构1 弹簧减震支座2 发动机架3 支架正面板4 连接板 外5 横梁正面板6 正面板7 A 柱内支板车身侧面框架和顶棚，图16 E60车身侧面框架和顶棚解体图 （ 灰色深冲件，浅绿色IF钢，绿色各向同性钢料，褐色烘烤硬化钢，单紫色微晶合金钢，红色硼钢） 各种材料的抗拉极限值的一览表1 顶棚外面板 深冲件 200N/mm22 上过风板 BH钢 300N/mm23 顶棚弓条 同上4 车尾后窗 同上5 C柱支撑加固件 BH钢 500N/mm26 车尾覆盖件 BH钢 220N/mm27 C柱承拉板， 车尾覆盖件 BH钢 300N/mm28 C柱加强件 各向同性钢 340N/mmm29 侧面框架 IF钢 240N/mm210 B柱上加强件 硼钢 1300N/mm211 B柱下加强件 微晶合金钢 500N/mm212 A柱上加强件 微晶合金钢 500N/mm213 A柱加强件支撑 微晶合金钢 500N/mm214 碰撞盒 微晶合金钢 500N/mm215 侧面框架内前件 微晶合金钢 500N/mm216 B柱内件 微晶合金钢 500N/mm2B柱使用了两个加强（上部和下部）使之提高了强度。另外，在A柱和C柱上也同样进行了加强。这样在侧面碰撞时不会使车框的钢条发生弯变。，在A柱和C 柱上的加强也使在正面碰撞和尾部碰撞时也有助于防止车框的钢条发生弯变。在两个门槛旁安上侧面框架端件，以便安放门槛覆盖件。在不带天窗的白车身上在两侧的框条架之间有顶棚加固条。在带天窗的白车身上在A柱和C 柱内一共有四个流水的管道。新的亮点是采用中心螺纹连接方式固定车门的折页，这样在A柱和C柱上就需要加固。在A柱的下部安设了抗碰撞盒，这样在车的前面有碰撞的时候可以接收由前轮传导来的力（参看有关碰撞特性的章节）。和E39 车身相比，升车千斤顶的支点有了变化。车门折页中央螺纹固定方式车门折页在A柱和B 柱上面是以中央螺纹固定方式固定的。在A柱上是从外向内固定的，而在B柱上是从里向外固定的。图17 车门折页A柱的车门折页B柱的车门折页折页固定板有三种：B 柱折页固定板上50mm处有通孔B 柱折页固定板下60mm处有通孔A 柱折页固定板上下60mm处带有M12 的螺纹孔图18 车门折页1 前车门折页2 后车门折页3 后车门折页固定板4 前车门折页固定板在B柱上的折页两种固定板形状不一样，不会混淆。折页固定板可以调节上下左右的固定位置，在调节车门时折页固定板可以随动的。螺扣最多是5 扣。提示：详细的车门固定的资料在随车技术文件“外饰，车门，罩板”章节。在维修的时候要注意，在折页固定板和车身之间绝不可以有油漆和蜡等夹在里面。抗碰撞盒这个件是专门为E60车研发的可变形的元件，它是侧面框架的一个组成部分，固定在A柱的下面。它可以接收在正面碰撞时由前轮传导到门槛旁侧面框架的力。图. 19:抗碰撞盒1 抗碰撞盒升车千斤顶的支点升车千斤顶的支点和E39 的车不一样。以前的是在门槛的旁边固定一个销子。而现在的新结构是中间有个孔，两边有卡子固定。这表明在使用维修时要掀开门槛上的覆盖件以便安设升车千斤顶。图20 升车千斤顶的支点A柱加固板在A柱内，在上面和下面有两块水平加固板。它提高了车在碰撞时的强度。图21 A柱内的加固板 1 上板， 2 下板 拉伸弹簧固定件在后备厢上的拉伸弹簧固定件现在有三个吊点，这样可以影响开盖和关盖的力量。图22 后备厢的盖板折页1 拉簧固定点2 后备厢盖板拉簧3 后备厢盖板折页车架空心腔内加固板的位置在侧面骨架空腔内和以前一样安放涨压空腔加固板（成形件）。在E60 车内有2