毕业论文-电动车整车造型及结构设计.doc

本科毕业设计 电动车整车造型及结构设计 燕 山 大 学 2011 年 6 月 摘要 摘摘 要要 近年来，我国经济持续增长，人民收入稳步提高，轿车正在逐步走入普通人的家庭。 但是随之而来的环境问题和能源问题也是不容忽视的。基于上述电动车则具有它独特的优 势。电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁 净是十分有益的，几乎是“零污染” 。并且电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动 部件少，维修保养工作量小。现在无论是国内或国外都在争相研发属于自己的电动车。由 此可见电动汽车在未来是很有发展前途的。 本文首先从车身造型设计的概念、分类、方法及未来车身开发的方向进行阐述。随后 介绍了白车身的组成及其各部分的具体介绍。然后通先介绍车身设计的方法、需要注意的 问题随后从本电动车车身的造型过程、结构设计过程、三维建图过程、投影二维图来详细 介绍了本次电动车车身的制作过程。最后综合考虑轻量化及其现实的加工水平来说明了对 于本电动车的选材 关键词关键词 电动车；铝板；电动车骨架 燕山大学本科生毕业设计 Abstract In recent years，our economy keeps on high speed growth ，peoples income steadyexaltation, The car is gradually into our ordinary life. But the issues of the environment and the energy oday can not be ignored. So the electric car has its unique advantages. The exhaust produced by the car without internal combustion engine does not produced exhaust pollution. It is very useful for the environmental protection, and it is almost “zero pollution”. The electric vehicles are with simple structure, less functioning and transmission parts , so its repair and maintenance work is less than the car with the internal combustion engine. Now every county is developing there own electric car whether domestic countries or foreign counties. All those show that the electric car is promising in the future. First，this thesis discusses from the concept，classification method of the carriage shape design. Then we introduced the description of the car body. And then we introduced all the processes of the making of the car body. Finally with the consideration of lightweight and realistic level, we introduced the selection of the electric car. Keywords Electric Vehicle; Drive; Motors 目录 摘要 ABSTRACT. 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景1 1.1.1 电动汽车概述.1 1.1.2 电动汽车的优点及意义.1 1.2 电动汽车的发展2 1.2.1 国内外电动汽车的发展现状.2 1.2.2 电动汽车的发展趋势.3 1.3 本章小结3 第 2 章 车身设计基础5 2.1 概述5 2.1.1 车身的发展.5 2.1.2 车身的特点.10 2.1.3 车身的类型.11 2.2 车身总布置设计13 2.2.1 车身总布置设计的原则.13 2.2.2 车身总布置设计的内容.14 2.2.3 车身总布置设计的性能要求.15 2.3 车身和车架的联接技术16 2. 4 本章小结.21 第 3 章 电动车车身设计22 3.1 车身造型22 3.2 电动车车身结构设计23 3.2.1 汽车车身设计要求及原则.23 3.2.2 汽车车身空气动力学设计.24 3.2.3 电动车车身初步造型.29 3.3 本章小结29 第 4 章 电动车骨架设计31 4.1 车身骨架的设计31 4.2 玻璃的安装33 4.4 后视镜的安装34 4.5 电动车车身前盖板的开启方式的设计36 4.6 蒙皮37 4.7 安装附属件38 4.8 涂漆38 4.9 本章小结39 结论40 参考文献41 致谢43 附录 1.44 附录 2.49 附录 3 外文翻译54 附录 4 外文原文62 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 内燃机经过多年的发展和壮大，逐步实现机电一体化和全面应用现代高科技，其性能 已达到至高的境界，在安全、环保、节能和廉价等方面取得了巨大进展，但是内燃机汽车 的发展也面临着严峻的挑战。随着世界经济和人口的增长，汽车的保有量不断增加，能源 危机和环境污染的问题更清晰的摆在了人们的面前。世纪伊始，世界汽车工业又一次站在 了革命的门槛上。为了解决这些问题，电动汽车呈现出了加速发展的趋势 1.1.1 电动汽车概述 电动汽车（Electric Vehicle）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道 路交通、安全法规各项要求的车辆。一般采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源。 电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器和辅助设施蓄电池六部分组成。 由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车 速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。 1.1.2 电动汽车的优点及意义 电动汽车的发展将集中考虑能源、环保和交通成为可能，而且他对促进高科技的发展、 新型工业的兴起以及经济的发展将产生深远的影响。它有内燃机汽车不能比拟的优点。 首先，从环保角度来看，电动汽车是零排放的市区交通工具，即使计入发电厂增加的 排气，总量上看，它也将使空气污染大大减少。此外，电动汽车使用电池储存的电能，没 有内燃机工作时的机械噪声，所以，他能有效的控制城市的噪声污染。 其次，从能源角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化（例如可使用各种可再生能 源）和高效化，改善能源结构，达到能源的可靠、均衡和无污染的利用的目的。电动汽车 还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提 高其经济效益。因此开发电动汽车具有重要的能源战略意义。 再次，在改善交通安全和道路使用方面，电动汽车更容易实现智能化。 1.2 电动汽车的发展 追溯电动汽车的起源，最早可到 1881 年。它比内燃机汽车还早一些，但内燃机车后 来居上，在性能、机动性和重量上远远超过了电动汽车，电动汽车在 20 世纪 20 年代达到 鼎盛后就一蹶不振，成为“电瓶车”式的辅助车辆。 在 20 世纪初蒸汽汽车、电动汽车和内燃机汽车基本是三足鼎立，在汽车保有量中， 蒸汽汽车占 40%，电动汽车占 38%，而内燃汽车仅占 22%，美国是最早使用电动汽车作 为运输车辆的国家之一，1915 年美国电动汽车产量曾达到过年产 5000 辆的最高峰。有很 燕山大学本科生毕业设计 2 多电动汽车一直到第二次世界大战期间仍在使用。但到 20 世纪 60 年代电动汽车的保有量 仅占汽车总量的 2%。 随着现代水力发电、核能发电、风力发电和太阳能的利用，为人们提供了巨大的能源。 各种高能蓄电池和高效率的电机不断研发出来，使人们把目光转向了电动汽车，电动车辆 可以是人们摆脱对石油燃料的依赖和实现“零污染”和“超低污染”的排放，为电动车的“东 山再起”创造了有利条件。因此各国和各大汽车公司都重视了电动汽车的研究、开发和试 制。从 20 世纪 70 年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种各样高性能的电动汽车。 1.2.1 国内外电动汽车的发展现状 当前在美、日及欧洲等发达国家，纯电动汽车已经进入了推广普及实质性阶段。大量 的电动汽车被研发出来，其中包括美国通用的 EV 双座轿车、福特的 Ranga 两座皮卡、丰 田汽车公司的 RAV-4 五座轿车、日产公司的四座 ALTRA EV 等等。在 2000 年，日本公 路上就已运行着 1000 多辆纯电动汽车，美国商业化运行的电动汽车已达到 6000 辆，欧洲 共同体主要城市的街道上都有电动汽车的身影。各国除了着重于纯电动汽车的商业化以外， 同时还致力于提高电动汽车的技术，如使用高性能的感应电动机或无刷永磁电动机来改进 电动驱动系统，使用高性能电池来提高车载能源的储备能力，应用感应充电技术及变温座 椅来提高车辆辅助设施的技术水平等。 近年来，我国又相继出台了一系列的政策法规，促进新能源汽车的发展。国家“十五” 863 计划特别设立电动汽车重大专项，组织企业、高校和科研机构以官、产、学、研四位 一体的方式联合攻关。尤其是在 2008 年奥运会开出的 20 亿元电动汽车订单，规定奥运会 电动车只能在国内生产制造，导致我国的电动汽车研发热潮再度升温 国内一些汽车生产厂商纷纷把矛头指向电动汽车领域。目前已经有一批车辆投入商业 化运营之中，如比亚迪公司推出的 F3DM 双模电动汽车，奇瑞公司的 A8 电动汽车等等。 由此可见，电动汽车的发展趋势是势不可挡的 国内一些汽车生产厂商纷纷把矛头指向电动汽车领域。目前已经有一批车辆投入商业 化运营之中，如比亚迪公司推出的 F3DM 双模电动汽车，奇瑞公司的 A8 电动汽车等等。 由此可见，电动汽车的发展趋势是势不可挡的 1.2.2 电动汽车的发展趋势 目前电动汽车趋向于小型化、个性化和家庭化方向发展，主要为家庭辅助用车或休闲 用车，有广阔的市场。世界各国有各式各样的小型电动汽车在使用，日本丰田汽车公司的 E-com 微型电动轿车和日产汽车公司的 Hypermini 微型电动轿车，代表了新一代汽车产品， 引起了各国汽车制造厂的重视，市场上正在陆续出现这种微型的电动轿车，本设计的目的 也在于设计一款能在城市运行的微型电动轿车，以作为人们的休闲代步工具。 第 1 章 绪论 3 电动汽车发展的症结在于电池。电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难 在 “低成本要求”、“高容量要求 ”及“高安全要求 ”等三个要求上 。这导致了电动汽车发 展的缓慢，但是这并能不阻挡电动汽车成为未来主要工具的趋势。各国都抓紧了对高性能 电池的研发。相信在用不了多久，电动汽车就会完全取代内燃机汽车，成为人们的新宠。 1.3 本章小结 本章主要介绍了电动汽车的发展背景及未来趋势。电动汽车拥有环保，改善能源结构 以及易于实现交通智能化等诸多优点，因此必将成为未来交通运输的主要工具。但发展电 动汽车过程中，一系列的问题需要解决，譬如动力电池及配套的基础设施等。随着社会经 济的发展和科技水平的不断提高，相信这些难题不久就会被攻克。 燕山大学本科生毕业设计 4 第 2 章 车身设计基础 2.1 概述 所谓汽车车身，直观地说，就是人们无论在车内还是在车外一眼就能看见的那部分， 它包括车体、内饰、附件及附属设备等。它是汽车上载人或载物的容仓 车身设计是汽车生产领域的关键技术之一。对于电动汽车而言，车身的设计方法基本 有两种，一种是改装其他燃油汽车，另一种是专门设计制造。对于改装的电动汽车，燃油 车中原来安装发动机以及相关组件的部位由电动机、功率转换器和电池所取代，由于可采 用现有的燃油汽车底盘，对于小批量生产而言，这种方法较为经济。但是，对于大部分改 装车而言，均具有自重较大、重心位置较高以及质量分配不合理等缺点，因而这种方法逐 渐被淘汰。目前，现代电动汽车大部分是为特定的目的而设计的，这种特定设计的电动汽 车与改装车相比有一定的优势，他允许工程师灵活的调整和整合各子系统，使之有效的工 作。 在设计电动汽车时，对影响整车整体性能（如续驶里程、爬坡能力、加速能力以及最 高车速）的参数需要进一步改进，比如减轻整车的质量，降低风阻系数和减小滚动阻力等。 汽车的质量直接影响整车的性能，特别是续驶里程和爬坡能力，可采用铝和合成材料制作 车身和底盘来减轻汽车的自重。车身风阻系数越低，汽车行驶时的空气阻力就越小，因而 可以大大提高汽车在公路上行驶的续驶里程。采用流线型的车头和车尾，隐藏式和平坦的 车身底部可减小空气阻力。当汽车中以中低速行驶时，采用滚动阻力系数小的轮胎可以有 效地减小汽车的滚动阻力，也有利于延长汽车在市区内行驶的续驶里程。 2.1.1 车身的发展 车身的发展过程中最富有特色、最具直观感的首先是车身外形的演变。图 2-1 所示为 轿车车身的外形变化过程。 第 2 章 车身设计基础 5 图 2-1 轿车车身外形演变过程 （1）原始型阶段 世界上第一部汽“戴姆勒一号”是“马”与“发动机”两个动力源相互交 换的产物。如图 2-2 所示，它的车身与马车的形状没有区别，还无车身外形设计可言。这 部年由德国工程师戴姆勒设计的汽车，车身只是一个马车篷。此后，随着乘座舒适性的要 求，车身上加装了挡风板、挡泥板等构件。年，福特 T 型车间世以后使出现了“箱型车身 “(图 2-3)。 图 2-2 世界的第一 辆汽车图 2-3 福特 T 型车 车身由 简陋的帆祁 蓬发展为带 有木质框架 的箱型车身，由此预示着车身外形设计的开端。后来通用的“雪佛兰”又造出散热器罩、发 动机通风口和轮罩上的豪华装饰件，箱型车变得越来越漂完了。但是这一系列变化只是为 了汽车更豪华漂亮，并不是为了别的要求，所以车型本没有变化。然而，就是这种车的出 现，完成了汽车工业的两大突破：一是汽车上的一万多只零件全部标准化；二是采用了流 水线装配酌生产方式。这奠定了汽车工业发展到今天的基础。年代，由于机床制造业的发 展，开始采用薄板冲压件焊接结构箱型车身（图 2-4） 。 图 2-4 薄板冲压焊接结构箱型车身 图 2- 5 行驶阻力和时速的关系曲线 然而，箱型车身空气阻力大，在当时只是简单地依靠加大发动机的功率来克服空气阻 力。增加动力必须增加发动机的缸数。如果在车重不变酌情况下，速度和功率的关系成一 次方正比，速度要提高一倍，功率就要翻两倍。实际上这种假设是不正确的，其原因是因 燕山大学本科生毕业设计 6 为存在空气阻力和轮胎的滚动阻力。滚动阻力是接近一定的，而空气阻力则不然。如图 2- 5 所示，当速度超过 70km/h，空气阻力逐新增大，超过 100km/h，可以说功率几乎全部消 耗在克服空气阻力上了。由此，人们注意到良好的车身外形设计的主要内容是要减小空气 阻力。我们知道，风阻与迎风面积有关，减小迎风面积可以减小阻力。那么，从车身正面 看，首当其冲就是要降低车身高度。随后就出现了相对圆润化的甲壳虫式车身。 （2）流线型车身阶段 1911 年，英国人卡门对涡流现象作了深入的研究。汽车产生 的涡流耗损能量，因而涡流起着阻碍汽车前进的作用。1934 年，密执安大学的雷依教授 进行了具有历史意义的汽车风洞试验，测量了各种形状汽车车身的形状阻力系数。如图 2- 6 所示。 图 2-6 各种车身形状的阻力系数 可以看出，流线型的车身空气阻力最小，能够产生高速度，其合理性显而易见，所以 马上被用于大量生产的汽车上。在此也不可忽视汽车制造技术的进步所起的作用。机床制 造业和冲压技术的不断完善，使得生产具有柔和光顺凹线的流线型车身成为可能。这一阶 段最著名的便是貌似甲壳虫的甲壳虫轿车。如图 2-7 所示。 第 2 章 车身设计基础 7 图 2-7 甲壳虫汽车 （3）考虑人机工程的船形车身阶段 二次大战之后，越来越多的设计师开始注重以人 为本的设计思想，设计师们置身于驾驶员及乘员的角度来构思便于操纵、乘座舒适的汽车 也就是把战争中发展起来的人体工程学引入车身设计，采用了将整个车室置于前后两轮之 间的设计方法，前方为发动机 VL 室，后方为行李舱。这样的设计非常接近于船的造型， 所以称为船形汽车。 船形汽车的后部因增加了行李舱而形成阶梯状，虽然比起甲虫型车身会产生一些涡流， 但这决不是空气动力性能的倒退，而是巧妙地发挥了箱型车和甲虫型车的长处，克服了缺 点，使人体工程学和空气动力学成功地结合在车身造型上。 令人吃惊的是船形车身从年问世到现在已经过了多年的考验，这种车身外形本质上并 没有发生什么变化，足以证明这种平直的外形是十分优秀的。中国的红旗牌轿车就是典型 的船形造型。 （4）鱼形车身阶段 船形车身尾部仍会产生空气涡流，虽然不像箱式车身那样严重， 但是也一定程度的影响车的动力性。于是，改变船形车尾的阶梯状为斜背式，这样有效降 低了涡流强度。这种车身即为鱼形车身。 鱼型车身有着很多优点，车身低，没有阶梯，前后翼子板与车身几乎成一体，且斜背 式的倾斜比较平缓，层部较长，围绕车身的气流也比较平顺，不会产生涡流。鱼型车身比 甲虫型车身低、长、美观，具有鲤鱼的造型，它横截面积小、所以迎风阻力小，形状阻力 也小。甲壳虫车身与鱼形车身的比较如下图。 图 2-8 甲虫车身与鱼形车身的比较 （5）楔形车身阶段 随着车身的发展，人们长期追求汽车流线型的美，发展到鱼形获 得了空气阻力最小的形式，这已被人们所公认，但同时产生了了更棘手的难题，这就是升 力的问题。 鱼型车身的侧面形状与甲虫型车身的侧面形状相似，也非常接近飞机的机翼的断面形 状，根据风桐试验的结果，和汽车静止时相比，时速为 100km 时，汽车的附着力减少 18；150km 时，减少 14；200km 时，减少 l8。如此，方向盘发飘，驱动力大幅度 下降，经过长期与涡流斗争而获得的流线型高速汽车，反而陷入了不能充分发挥动力和行 驶不稳的困境。 解决这个问题首先想到的是在车身上装一个翼，它似一个倒机翼，而且前倾。这样在 行驶中会得到和升力同样性质的力，只是方向向下，利用这个力来战胜车身上的升力，从 燕山大学本科生毕业设计 8 而保证高速安全。但由于自重大，安装困难，空气阻力大而没有被采用。后来，人们想到， 将车身整体向前下方倾斜以有效地克服升力。于是出现了能很好地抑制升力的楔型车身。 这一时期的车型的特点是把散热器罩做成横宽形，上下很窄，发动机罩向前倾斜，加 高发动机舱的高度。典型的是乔治雅罗年设计的“黑桃皇后”牌轿车，车窗阔大，外形清 爽、利落、脱俗，令人赞赏。直到今天，楔形车身仍是汽车外形的潮流，现代车身将船型、 鱼型揉合成楔形，线条更趋于圆滑。 至此，汽车外形完成了它的由箱型到甲虫型到船型，再到鱼型、最后到楔型的演变。 这五个时期，开拓了汽车造型的五个新时代，是汽车的性能与各个时期的技术水平相适应 而产生的必然结果。 2.1.2 车身的特点 车身的基本设计思想和基本构造到本世纪中期都已确定或发明出来，其后的任务则是 努力提高轿车的性能，协调汽车与人类社会的关系。 （1）汽车车身是综合设计的产物 安全、舒适、经济、美观、无污染、可靠性和高效 率等要求对汽车来说是缺一不可的。这就决定了外形设计并非孤立的造型，而是一种要体 现各种要求的综合设计。技术作为外形设计的基础，技术越纯熟，造型越自由。正如大型 自由曲面夹层玻璃的成型上艺，为车身统一的整体造型创造了条件。在今天，汽车技术迅 猛发展，新材料、新工艺和新能源的不断开发及利用，使得在汽车外形设计上有了自由创 造的可能。如电瓶车、太阳能汽车，去掉了发动机这一大部件，车身布置一下省去了一大 矛盾，前围的设计可以随心所欲，设计师的创造力得以充分发挥。并且，设计程序不断革 新和完善，新设计层出不穷。 （2）追求各向异性造型 所谓各向异性造型，就是在汽车的外形上下方向上增加凹凸 的变化(凹槽、折面或类似柱面的自由曲面)；纵向长度上则有平滑的流向，造型流畅、光 滑、丰满、纤细，给人以低矮、亲切及柔和的视觉美，这也正是设计师在高科技杜会中对 高情感、个性化为追求，对技术的人性化、非情感化和标准化大生产带来的“千篇一律”性 进行补偿的追求。 （3）风格多样化 从早期的大平正方型到流线型，再到现在加紧凑轻量的楔型，乃至 自由曲面型和各种富有人情味的仿生型再现了人们追求情感化，追逐新潮和风格多样 的要求。 从楔型到风格多样化，外表更加光滑，风窗布置继续增大，风阻系数将更低、而且外 表的透明感、柔和感更加宜人悦目，汽车的外形和色彩与周围的建筑和风景更加融洽。预 计在世纪中期或后期，还将出现几何形风格的外形。它可根据个人用途、爱好、习惯等进 行自由拆装，长短宽窄随意变换。 轿车车身造型是一种创造性的工作，但它与空气动力学、人体工程学和材料工程学等 技术的发展又有着密切的关系。从历届世界汽车博览会上不断推出的外观新颖的轿车、新 第 2 章 车身设计基础 9 概念车、未来汽车等，都可以看出工程学的研究发展在车型中应用的痕迹。如随着汽车玻 璃材料的发展，一种能够控制热量射入车内的“阳光控制”技术，使得具有大面积玻璃以及 倾角很大的挡风玻璃，符合空气动力要求的轿车外形得以实现。从未来的概念轿车来看， 无不具有一个几乎全用玻璃制成的像温室一样的座舱。 2.1.3 车身的类型 汽车车身结构从形式上说， 主要分为非承载式和承载式两种。 非承载式车身和承载式车身按照有无刚性车架划分，什么叫车架，是首先要弄清楚的 问题。车架就是支承车身的基础构件，一般称为底盘大梁架。发动机、变速器、转向器及 车身部分都固定其上，它除了承受静载荷外还要承受汽车行驶时产生的动载荷，因此车架 必须要有足够的强度和刚度，以保证汽车在正常使用时受到各种应力下不会破坏和变形。 （1）非承载式车身的汽车有刚性车架。车身本体悬置于车架上，用弹元件联接。车 架的振动通过弹性元件传到车身上，大部分振动被减弱或消除，发生碰撞时车架能吸收大 部分冲击力，在坏路行驶时对车身起到保护作用，因此车厢变形小，平稳性和安全性好， 而且厢内噪音低。但这种非承载式车身比较笨重，质量大，汽车质心高，高速行驶稳定性 较差。 （2）承载式车身的汽车没有刚性车架，只是加强了车头，侧围，车尾，底板等部位， 车身和底架共同组成了车身本体的刚性空间结构。这种承载式车身除了其固有的乘载功能 外，还要直接承受各种负荷。这种形式的车身具有较大的抗弯曲和抗扭转的刚度，质量小， 高度低，汽车质心低，装配简单，高速行驶稳定性较好。但由于道路负载会通过悬架装置 直接传给车身本体，因此噪音和振动较大 （3）还有一种介于非承载式车身和承载式车身之间的车身结构，被称为半承载式车 身。它的车身本体与底架用焊接或螺栓刚性连接，加强了部分车身底架而起到一部分车架 的作用。 非承载式车身和承载式车身都有优缺点，使用在不同用途的汽车上。一般而言，非承 载式车身用在货车、客车和越野车上，承载式车身一般用在轿车上，现在一些客车也采用 这种形式。 车架有边梁式、中梁式等形式，其中边梁式是采用最广泛的一种车架。 边梁式车架由两根长纵梁及若干根短横梁铆接或焊接成形，纵梁主要承负弯曲载荷， 一般采用具有较大抗弯强度的槽形钢梁。也有采用钢管，但多用于轻型车架上。一般纵梁 中部受力最大，因此设计者一般将纵粱中部的截面高度加大，两端的截面高度逐渐减少， 这样一来可使应力分布均匀，同时也减轻了重量。 横梁有槽形、管形或口形，以保证车架的扭转刚度和抗弯强度。横梁还用以安装发动 机、变速器、车身和燃油箱等。为适应不同的车型，横梁布置有多种型式，如为了提高车 架的扭转刚度采用 X 型布置的横梁。边梁式结构简单，工艺要求低，制造容易，使用广 燕山大学本科生毕业设计 10 泛。但由于粗壮的大梁纵贯全车，影响整车布置和空间利用率，大梁的横截面高度使车厢 离地距离加大，乘客上下车不方便，另外重量也大，整车行驶经济性变差。这些缺点对小 客车、轿车是缺点，对于越野车可能就是优点，因为越野车要求有很强的通过性，行驶崎 岖路面时要有一定大的离地间隙，而非常颠簸的道路会令车体大幅扭动，只有带刚性车架 的承载式车身结构才能抵御这种冲击力。因此越野车上普遍采用非承载式车身。 2.2 车身总布置设计 车身总布置设计是在整车总布置的基础上进行的。整车总布置提供了汽车的总长、总 宽、总高、轴距、轮距等控制尺寸，轴荷分配范围以及动力总成、前后桥、传动轴与车轮 等的轮廓尺寸及位置。据此再参考同类车型有关数据作为借鉴，即可初步确定前悬和后悬 的长度，后风窗位置和角度、发动机罩高度、地板平面高度、前围板位置、座椅布置、内 部空间控制尺寸、方向盘位置角度与操纵机构和踏板的相互位置等。 2.2.1 车身总布置设计的原则 如前所述、车身布置的第一阶段与车身概念设汁同时进行，该阶段的主要任务是考虑 整车型式和车身与整车总布置的关系，而后根据各总成型式和整车总布置的要求确定车身 的形式；对于轿车，主要是确定乘员人数、座椅数、车身造型风格、车身级别等。在车身 总布置的整个过程中，需遵循的原则是: (1)由于轿车是供人乘坐的，主要要满足人的乘坐要求，即满足乘坐舒适性、居住性、 操纵轻便性、温度调节性、视野性、上下车方便性及安全性等方面的要求。 (2)从整车的经济性和行驶稳定性出发，要有良好空气动力性。 (3)具有对底盘各总成、发动机及电气设备的良好的接近方便性，维修保养方便性。 (4)从降低制造成木、提高整车的动力性、经济性考虑，要尽量减轻车身质量，并具有 良好的冲压、焊接、装配及涂装工艺性。 (5)按照汽车的级别、用途及法规选择各种车身附件，确定必装件与选装件。 (6)在满足性能要求的的提下，尽量减小车身的外形尺寸。在外形尺寸一定的情况下， 尽量扩大车内空间，尤其是要尽量增大宽度方向的尺寸。 (7)充分考虑车身与整车各总成的协调，确保良好的密封防振等性能。 (8)必须满足国际、国内有关的各种法规和标准要求。 (9)充分考虑车型的系列化、通用化。 2.2.2 车身总布置设计的内容 轿车车身总布置设计是对车辆发动机、传动系等总成、机构，电器设备；内饰总成和 部件(仪表板、座椅、操纵机构等)的所在位置，以及车身室内空间大小和车身主要参数， 在满足车身造型的要求下，进行设计和确定的过程。其目的是要使车辆在共自重的等级下 具有最大的室内空间，也就是要在有限的车身外形尺寸内布置所有的总成、机构，并获得 第 2 章 车身设计基础 11 最大的室内居住性活动空间。具体内容如下： (1)确定车身内、外尺寸。 (2)确定乘坐与操纵空间。 (3)校核各项性能及法规要求的尺寸数据。例如风窗的刮扫面积，座椅的调节量，仪表 板防眩目效果等； (4)对有车架的非承载式车身，确定悬置型式及位置。 (5)依据车轮跳动图确定翼子板及挡泥板等零部件的极限位置与结构。 总之，在进行各项具体布置时，都离不开车身总布置原则，更离不开与造型设计师整 车从布置设计人员的协调，同时还应考虑符合人机工程学的要求。全部尺寸参数是相互制 约整体协调的统一体。需要周密地考虑，反复地协商，也需要丰富的经验。车身总布置的 好坏，很大程度决定着车身设计的成败。图 2-9 所示为确定左身总布置方案时应考虑的各 方面团素，即各总成尺寸，布置位置和人体布置要求。 图 2-9 车身总布置设计所考虑的因素 2.2.3 车身总布置设计的性能要求 2.2.3.1 乘坐舒适性 舒适性包括的内容极其广泛，评价它需用工程学、物理学、心理学及生理学等多方面 学科知识，但最终评价还是靠人的感觉。影响舒适性的因素可分为外部和内部两种。外部 因素如振动、噪声、气味、视觉、周围环境及路面状况等；内部因素指人的身体条件、精 神状况及经历等。 一般格乘坐舒适性归纳为三个方面，即居住性、振动的舒适性和空气调节。 (1)居住性 居住性是指人居住的乘室是否合人意，是舒适性的静态特性。影响居住性 的因素有尺寸、形状和质感等物理原因，以及色彩、光线和装饰效果等心理因素。 (2)振动的舒适性 对汽车而言，决定其舒适性的主要因素是振动。多年来对人的振动 感觉和人对振动的反应进行了多方面的研究，现在我们知道，在 410Hz 的频率区域内， 人对振动的反应最敏感。进一步的研究发现，人体各部位对频率的敏感区域各不相同。如 手臂的振动敏感区域为 816Hz，在这个频率范围内对驾驶员的操作有影响。手臂对高频 振动可感受到 12kHz 的振动，对 2Hz 以下的振动极不敏感。 人的整体对纵向振动最敏感的频率区域是人体内脏的振动频率区域。当纵向振动频率 燕山大学本科生毕业设计 12 低于 4Hz 或高于 8Hz 时，人体对振动的感觉均不敏感。但是，纵向低频振动易引起人发 生晕车现象，其敏感区域在 0.10.3Hz 内。人对横向振动最敏感的频率区域为 07. 3Hz。 (3)空气调节 空气调节的目的是保持室内空气新鲜，温度、湿度适宜，使乘员感到舒 适、愉快。空气调节的方式有自然通风、强制通风、暖气、冷气、湿度调节等多种方式， 通常是组合使用或视气候状况选用。 2.2.3.2 操纵稳定性 这里主要介绍操作空间和操作力以外的有关操纵方便性方面的注意事项： (1)各种操纵杆件应易于分辨，开关、按钮及拉钮易于接触，并有明显统一的标记，以 防止误操作。 (2)仪表显示清晰、明显，布置合理，不反光，不刺眼。在总布置设计中，定要校核 来自前部、侧部和后部的光线照射到仪表板后的反射光线是否全在眼椭圆之外。 (3)遮阳板与后视镜等附件应固定牢靠，调整方便。 (4)各类仪表、信号器及报警器等应集中布置，并有明显区别。 2.2.3.3 视野性 驾驶员有良好的视野性是保证汽车操纵方便和行驶安全的重要条件之一。对于乘员， 也应提供良好的视野观察车外景色。视野性取决于座椅的布置位置、高度以及座垫与靠背 的倾角，车窗尺才、形状和布置位置，立柱的结构和翼子板形状等。升高座椅和减小靠背 的倾角，布置座椅尽量靠近汽车前端，加大车窗尺寸，降低窗台高度，减小风窗玻璃的倾 角并尽量使之靠近驾驶员的眼睛，减薄立柱厚度并使其下端后移等措施，都可以在不同程 度上改善视野性。 但上述措施并不是都能实现的。因为驾驶员的座椅高度与车身室内高应有关；立柱下 端后移会减小座垫前端到立柱的距离，而影响上下车的方便性。所以，要视具体情况而综 合考虑。 以上是车身设计中主要考虑的几个基本性能，此外还要考虑行驶安全性，修理方便性 和空气动力性等。 2.3 车身和车架的联接技术 以新 Audi A6L 轿车为例说明。新 Audi A6L 轿车以其制造精良。技术先进。外形端庄 在国内商务豪华车市场上一直占据着较高的份额。新投入市场的新 Audi A6L 轿车是在原 A6 轿车的基础上，在车辆的应用技术和外观上进行了改进，提高了车辆的操控稳定性和 驾乘安全性，改善了整车的经济性和动力性。 Audi A6L 轿车领导潮流的两个最重要因素是结构设计和性能。其车身设计开发的一 个重要目标就是提高被动安全性并提高车身刚度，这也是改善振动特性的前提条件。在新 Audi A6L 轿车上采用的车身材料和连接技术地提高被动安全性并提高车身刚度有重要意 第 2 章 车身设计基础 13 义 (1)车身材料 新 Audi A6L 的车身除了使用传统的深拉延用钢板外，还使用下面这些 材料：高强度钢板、特种钢板、铝板。铝制挤压件、带有塑料加强筋的深拉延钢板件(复 合件) (2)板坯 板坯的厚度不同，材质也不同，这是为了满足受力大的大面积部件上的应力 分配实际情况。激光焊接的板坯(所谓的特制板坯)用于：前减振器支柱横梁、前部地板、 后侧内部侧面件、后纵梁、车门内板。 (3)总成件 流水槽：螺旋弹簧减振器支座附近的底盘连接处使用了特种钢，相关件的钢板厚度可 以从 25mm 降低到 14mm。经过优化的形状可以弥补相应位置因钢板变薄而造成的强 度下降。另外，流水槽使用了特制板坯，这样就可在撞车时吸收尽可能多的能量，同时还 可保证车辆正常行驶时所需的强度和刚度。横向刚度由采用一个附加的轧制件来保证。 车轮罩：为了能将车辆前部的撞击能量避免引入到乘员舱内，车轮罩附近使用了特种 钢部件。 B 柱：由于对 B 柱强度的要求提高，因此该处采用了不同材料的组合：前部侧面内部 件(高强度钢)、B 柱(双相钢板)、B 柱加强件 f 双相钢板)、后部侧面内部件，特制板坯、 高强度钢(t=135mm08 mm)。 (4)保险杠 前保险杠：新 Audi A6L 的保险杠是喷漆的，漆的颜色与车是一致的。 该保险杠由一个铝制横梁构成，该横梁通过新开发的专用安全支架用螺栓固定在纵梁 上 专用安全支架也称为剪力盒，它在车辆发生正面碰撞和稍呈对角方向的碰撞时，通过 剪切作用来吸收碰撞能量。在车速不超过 1 5kmh 的情况下，专用安全支架可以防止位 于其后的车辆焊接结构受到严重损坏。在发生对角方向的碰撞时，撞击的能量通过保险杠 的弯曲和变形来吸收。拖车钩的支柱集成在右侧的剪力盒内。拖车的力会从中央传到纵梁 上 后保险杠 后保险杠总成由外皮、扰流板、拖车钩盖板和锁止件组成，保险杠通过车身上的导向 件安装在车上。保险杠支架和保险杠支架的支承都是铝制的，是通过挤压成型法制造出来 的 与上一代车型相比，AudiA6L 车上的缝隙明显减少了。后车灯的下部有一个专用的调 整固定件， 它可以使得外皮和侧面件的初始间隙降至 0.8mm 车身骨架连接技术 尽管与上一代车型相比，各项要求都提高了，但车身的重量仍保持原样。车身开发的 另一个任务就是减少所需的车身种类。 燕山大学本科生毕业设计 14 新 Audi A6L 有四种车身外壳： 刚性后墙板、带有装货口、无滑动车顶、有滑动车顶 前轮驱动车和四轮驱动车的后部均为标准件。 新 Audi A6L 车的车身除了采用传统的接触点焊以外，还使用了下面的连接方法：点 焊粘接、冲压铆接、叠边压接(发动机舱盖和行李箱盖)、激光钎焊、激光焊接、金属焊条 隋性气体保护(M IG)钎焊。 点焊时使用一种高强度的粘合剂，这种连接方法重点用于与撞车有关的连接处和决定 车身刚性的连接处。铝制部件是通过冲压铆接和粘接的方式与镀锌钢板相连接的。车顶和 侧面框架是不容易够着的地方采用激光焊接来连接。所使用的激光焊头很小，因此它比点 焊钳要灵活得多。由于减小了法兰的宽度，还可以降低重量。 金属焊条 隋性气体保护(MIG)钎焊用于封闭的断面形状且只能从单侧够着的地方，如 纵梁和底板。这种铝一钢板连接用在车身的流水槽前板、门槛加强件(带有铝制挤压件)、 刚性后墙板和衣帽部件上。 图 2-10 车身材料示意图 第 2 章 车身设计基础 15 图 2-11 流水槽材料 图 2-12 B 柱材料 图2-13 前保险杠连接方式 图2-14 新Audi A6L全身车身 燕山大学本科生毕业设计 16 图 2-15 车身板坯示意图 图 2-15 车身板坯示意图 图 2-16 车轮罩 材料 图 2-17 前保险杠 图2-18 后保险杠 图2-18 车体边梁连接方式 2. 4 本章小结 本章主要介绍了车身的发展历程以及车身设计的一些基础知识。车身设计要考虑诸多 的因素，如人机工程、造型设计及空气动力学等，这就要求工程师需要掌握多方面的知识。 其中车身的总布置设计是车身设计的主要方面，要求车身的总布置设计满足乘坐舒适性、 操作稳定性和视野性等要求。 第 3 章 电动车车身设计 17 第 3 章 电动车车身设计 3.1 车身造型 汽车造型设计是根据汽车整体设计的多方面要求来塑造最理想的车身形状。汽车造型 设计是汽车外部和车厢内部造型设计的总和。它不是对汽车的简单装饰，而是运用艺术的 手法科学地表现汽车的功能、材料、工艺和结构特点。 汽车造型的目的是以其的美去吸引和打动观者，使其产生拥有这种车的欲望。汽车造 型设计虽然是车身设计的最初步骤，是整车设计最初阶段的一项综合构思，但却是决定产 品命运的关键。汽车的造型已成为汽车产品竞争最有力的手段之一。 经过一周多的对实车的观察，以及实际情况我初步手绘出了该电动车的车身大概形状， 如下所示： 图 3-1 车身造型 1 车身造型是一件雕塑艺术品，造型应该体现出各种车型的风格和特点。例如大型豪华 轿车应稳重、气派；而中、小型汽车轿车则应端庄、秀丽；跑车则应时尚、现代；而微型 车则应简洁、大方。在面罩及轮罩的装饰上也应与各类车相协调。本课题就是为一款微型 电动车设计车身因此在在实际制作中既要考虑到车身结构对电动车车身性能的影响还要考 虑实际的加工水平。 3.2 电动车车身结构设计 根据以上的车身造型进入结构设计阶段。 3.2.1 汽车车身设计要求及原则 现代汽车车身独特的使用性能要求和使用环境，决定了电动车车设设计所必须满足的 要求和需要达到的目的。这些要求和目标主要有以下几个方面： （1） 车身结构强度必须能够承受在其整个使用寿命内可能达到的所有静力和动力载荷。 燕山大学本科生毕业设计 18 （2） 车身布置必须提供舒适的室内空间，良好的操纵性和乘坐方便性以及对大自然影响 的抵御能力。 （3） 车身必须具有良好的对车外噪声的隔音能力。 （4） 车身的外形和布置必须保证驾驶员和乘员有良好的视野。 （5） 车身材料必须是轻质的，以使整车重量降低。 （6） 车身外形必须具有低的空气阻力，以节省能源。 （7） 车身结构和装置措施必须保证在汽车发生事故时乘员提供保护。 （8） 车身结构材料必须来源丰富，成本低，所选择的材料必须能够实现高效率的制造和 装配。 （9） 车身结构设计和选材必须保证车身在整个使用期间满足对冷、热合腐蚀的抵抗能力 的要求。 （10）车身的材料必须具有再使用的性能。 （11）车身的制造成本应足够低。 总之，从决定车身设计的因素和车身设计必须满足的要求来看，在进行电动车车身设 计时必须遵循以下设计原则。 （1） 车身外形设计的美学原则和最佳空气动力特性原则。 （2） 车身内饰设计的人机工程学院则。 （3） 车身结构设计的轻量化原则。 （4） 车身设计的“通用化、系列化、标准化”原则。 （5） 车身设计符合有关的法则和标准。 （6） 车身开发设计的的继承性原则。 进入 21 世纪后，从世界各大汽车博览会推出的多款新概念车来看，造型更具个性化 和特色。 车身造型的未来发展趋势综合起来主要有以下几个方面： 1综合设计 2各向异性造型。 3风格多样化和个性化。 4空气动力学性能最优化。 一部汽车车身造型发展史，从某种意义上来说就是一部不断追求具有最佳空气动力学 造型的历史 （1） 最佳空气动力学性能的车身外形是通过计算机辅助设计和部分实验得出的。 （2） 车身所受的气动纵倾力矩和横摆力矩理论上为零。 （3） 车身所受的气动升力理论上为略小于零。 （4） 较少空气阻力虽然不再是主要目标，但空气阻力系数不应大于 0.2。 5人性化。 第 3 章 电动车车身设计 19 6虚拟化。 7全球化。 3.2.2 汽车车身空气动力学设计 汽车结构设计需要注意很多问题，其中空气动力性是不可忽视的。空气阻力 众所周 知，车速越快阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比。如果空气阻力占汽车行驶阻 力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。据测试，一辆以每小 时 100 公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力，减少 空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性，因此轿车的设计师是非常重视空气动力学。 车身空气动力性最佳化设计的内容有以下几个方面: （1） 光顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面层剥离和涡流的产生。 （2） 调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、车窗、后窗等造型的倾斜角度可以有效地减 少阻力和升力的发生。 （3） 减少凸起物，形成平滑表面，是改善空气动力性能的重要步骤。 （4） 设计空气动力附件，整理与引导气流，使改善和控制车身周围气流流型的有效措施。 下面就从影响车身形状参数的特定部位进行逐一举例说明。 1. 车身前端形状的最佳化: (1)前保险杠形状，是指前保险杠整个轮廓形状和断面形状。保险杠前方迎面很容易形成 气流的阻滞现象。阻滞区会形成压力，并使其后部为产生涡流。所以前保险杠的断面 形状，应是凸形断面，过渡部分圆滑化，保证气流可以顺利的分流并转折到后面，不 是气流产生阻滞现象。 (2)前保险杠的位置越接近车身本体，则越容易使车前部气流急剧转折，故应使保险杠尽 可能向前方伸出，以减少急剧转折的气流形成涡流而使阻力增加。同时，前保险杠应 向前方伸出多些有利于起防撞作用，对车的安全是有利因素。但前保险杠位置向前方 伸出，会使车长增加故伸出长度受到限制。所以应从整车综合的最终效益来权衡取舍 (3)前保险杠与车身本体间隙应尽量小，但在较旧的结构形式中为保证在行驶时不至于震 动而使保险杠碰撞或摩擦车身本体，而不得不在前保险杠与车身之间留有一定的间隙， 而这与空气动力学要求恰好相反。近代车身与前保险杠在结构上已形成刚性连接，并 在间隙处装有弹性塑料板件作为连接处的覆盖件，又可使阻力和升力减小。 (4)保险杠俯视形状两端与车身本体形状相匹配，消除棱角与装饰端头。使转折圆滑、流 畅，从而减小气流的分离，防止涡流产生。 2. 车头部分形状的最佳化 (1) 车前端的倾斜或直立与阻力系数密切相关。当倾角为负值（俗称车头向后仰）时，有 燕山大学本科生毕业设计 20 利于气流通过；而倾角为正值（俗称车头前倾）时，容易造成气流阻滞而导致使阻力 和升力增加。车身前端圆角如图 3-4 所示，圆角曲率半径越大则空气阻力越小，但这 与造型要求有时是矛盾的。实际上圆角曲率半径与倾角的适当配合可以保证造型与空 气动力状况共同取得最佳效果 图 3-2 车前端面倾角 （2）发动机罩面倾斜，即发动机罩面从前缘至前风窗逐渐向上倾斜。 （3）车前部底面倾斜。 3. 前窗倾角的最佳化 车窗是车身的重要组成部分，它包括汽车前后风窗和侧窗。 现代汽车的风窗，多数采用全景曲面玻璃或称大圆弧挡风玻璃。 按照形成曲面的母线形状的不同，曲面可以分为直线曲面（母线为直线）和曲线曲面 （母线为曲面） 。一般曲面采用直线曲面较多，圆滑造型的车型则采用曲线曲面，即双曲 面玻璃。 直线曲面又分为可展开的和不可展开的两种。可展开的直线曲面有柱面和锥面两种。 不可展开的直线曲面有柱状面和锥状面两种。 在采用单曲面风窗玻璃时，一般中间大部分区域采用柱面，两侧比较弯曲的区域采用 柱状面。这样可增加驾驶员的视野。 实验表明，前风窗倾斜（以前风窗下沿为基点）与水平线得夹角为 25 至 30 度，风阻 系数最低。 然而，前窗倾角对整车的阻力与升力均有影响，但在一定前窗倾角和与其匹配的车头 倾角情况下，阻力情况最佳时并不一定是升力情况也好。甚至在前窗倾角超过 30 度之后，