轿车身上的三大立柱.ppt

轿车身上的三大立柱 由各种各样的骨架件和板件通过焊接拼装而成的轿车车身 也就是行业俗称的 白车身 它的各个部分都有相关的名称 不论在汽车制造厂 修理厂或者配件商店 人们一听到某个名称就知道它是属于车上的哪一部分 安装在什么位置上 三厢式轿车车身结构图主要零部件 1 发动机盖2 前档泥板3 前围上盖板4 前围板5 车顶盖6 前柱7 上边梁8 顶盖侧板9 后围上盖板10 行李箱盖11 后柱12 后围板13 后翼子板14 中柱15 车门16 下边梁17 底板18 前翼子板19 前纵梁20 前横梁21 前裙板22 散热器框架23 发动机盖前支撑板 车身的骨架件和板件多用钢板冲压而成 车身专用钢板具有深拉延时不易产生裂纹的特点 根据车身不同的位置 一些要防止生锈的部位使用锌钢板 例如翼子板 车顶盖等 一些承受应力较大的部位使用高强度钢板 例如散热器支承横梁 上边梁等 轿车车身结构中常用钢板的厚度为0 6 3毫米 大多数零件用材厚度是0 8 1 0毫米 在轿车车身构造中 有些重要零件的位置涉及到车辆的整体布置 安全及驾乘舒适性问题 例如立柱 一般轿车车身有三个立柱 从前往后依次为前柱 A柱 中柱 B柱 后柱 C柱 对于轿车而言 立柱除了支撑作用 也起到门框的作用 设计师考虑前柱几何形状方案时还必须要考虑到前柱遮挡驾驶者视线的角度问题 一般情况下 驾驶者通过前柱处的视线 双目重叠角总计为5 6度 从驾驶者的舒适性看 重叠角越小越好 但这涉及到前柱的刚度 既要有一定的几何尺寸保持前柱的高刚度 又要减少驾驶者的视线遮挡影响 是一个矛盾的问题 设计者必须尽量使两者平衡以取得最佳效果 在2001年北美国际车展上瑞典沃尔沃推出最新概念车SCC 就将前柱改为通透形式 镶嵌透明玻璃让驾驶者可以透过柱体观察外界 令视野盲点减少到最低程度 中柱不但支撑车顶盖 还要承受前 后车门的支承力 在中柱上还要装置一些附加零部件 例如前排座位的安全带 有时还要穿电线线束 因此中柱大都有外凸半径 以保证有较好的力传递性能 现代轿车的中柱截面形状是比较复杂的 它由多件冲压钢板焊接而成 随着汽车制造技术的发展 不用焊接而直接采用液压成型的封闭式截面中柱巳经问世 它的刚度大大提高而重量大幅减小 有利于现代轿车的轻量化 不过 有些设计师却从乘客上下车的便利性考虑 索性取消中柱 最典型的是法国雪铁龙C3轿车 车身左右两侧的中柱都被取消 前后门对开 乘员完全无障碍上下车 当然 取消中柱就要相应增强前 后柱 其车身结构必须要用新的形式 材料选用也有所不同 后柱与前柱 中柱不同的一点就是不存在视线遮挡及上下车障碍等问题 因此构造尺寸大些也无妨 关键是后柱与车身的密封性要可靠 刚度是汽车车身设计的指标 刚度是指在施加不致于毁坏车身的普通外力时车身不容易变形的能力 也就是指恢复原形的弹性变形能力 汽车在行驶过程中受到各种外力影响会产生变形 变形程度小就是刚度好 一般情况刚度好强度也好 刚度差的汽车 行驶在不平路面上就容易发出嘎吱嘎吱的响声 立柱的刚度很大程度上决定了车身的整体刚度 因此在整个车身结构中 立柱是关键件 它要有很高的刚度 汽车安全的核心 车身 图 汽车的安全主要由两个方面组成 主动安全和被动安全 主动安全可以概括为 车辆躲避碰撞发生的能力 这与车辆本身的操控性 行驶稳定性等相关 动安被全性则主要取决于车身结构以及车内束缚装置 如安全带 气囊 的效能 而其中车身结构在其中又占了主导地位 车驾决定整车刚性的主要框架结构汽车的车身主要框架结构在很多时候被称作车架 加上了诸如发动机盖 行李厢盖等等覆盖部件之后 就组成了我们通常意义的车身 很多时候 由于车身的这些覆盖件并不承受支撑力 对车身整体的刚性贡献不大 因此 在很多时候 车身和车架都是同一个意思 也就是指决定整车刚性的主要框架结构 车架的种类总的来说 汽车的车身可以分为两类 非承载式车身与承载式车身 非承载式车身主要是指具有梯形车架 LadderChassis 的车身 梯形车架也叫阵式车架 是最早出现的车架形式 顾名思义 梯形车架的样子就好像一条平躺着的梯子由两条纵向的主梁 结合许多大小粗细不同的副横梁所构成 有些情况还会加上斜梁作巩固 非承载式车身最大的特点便是结实耐用 具有很高的刚性 因此对抗正面碰撞的能力也很强 而且由于车架和车壳作非固定连接 因此 在大幅上下落差的崎岖路面环境下 车辆的扭曲都由坚固的梯形车架吸收 阻止了车壳的扭动 对于越野车来说是非常必要的设计 而且直到上世纪60年代 它仍然被大部分汽车所采用 不过 梯形车架也有缺点 这便是车身重 重心高 因此从50年代开始 轿车逐渐使用承载式车身来代替非承载式车身 40年代末50年代初出现的钢制一体式车架 Monocoque 便是承载式车身 所谓的一体式车架 即车体结构由折叠的槽化钢梁和压制的板金件焊接结合为一个整体刚性的车壳 板金件也共同承载车体结构负荷 目前的轿车和城市SUV都是采用这种车身结构 只有少数硬派越野车还在使用梯形车架 承载式车身结构图 轻量化与高强度钢材的应用谈到车体结构设计 汽车工程师们最高指导原则便是轻量化与高刚性 虽然一体式车架较原来的梯形车架已经在重量方面大大下降 但打从自从1970年代石油危机开始 几十年来 汽车一直持续在进行减重计划 再加上汽车相关的环保标准越来越严格 汽车工程师一直在寻找方法将汽车减重 以求得更佳的省油性并减少废气排放 经过过去这三十年减重的努力 一部典型轿车车重减少了大约250公斤 而耗油也减少了大约一半 而在车架重量不断降低的同时 其刚性却在不断的提高 这一方面得益于车架结构的设计越来越合理 另一方面也是因为高强度钢材的应用 虽然同为钢材 但强度却有高低之分 同样是钢材 但若含碳的成分 合金的成分 或者制造 热处理的方式不一样 承载负荷的强度变会差异非常大 像是中强度彳氐合金钢Medium strengthlow alloysteel MSLA 在熔化过程中加入了较多的磷和锰合金成分 常被用来作车体外壳 而高强度低合金钢High strengthlow alloysteel HSLA 则掺入了稀有金属钛和铌 强度可以达到中强度低合金钢的两倍 另外 加工的方式不同 也会导致钢材在成形过程中强度出现变化 像以高水压压制的钢材 在强度上就要优于高重量压模机压制的钢材 不过不管是什么钢 其本质或者说主要成分还都是铁 强度可以差好几倍 但密度却是基本相同 所以 同样的体积不管是什么钢 重量几乎完全一样 前面提到采用高强度的钢科 即便更细 更薄的结构也能达成相同的强度 因此材料就可以用少一些 重量也可以减少一些 而车身刚性却可以更高 除了在材质方面的进步外 汽车工程学在结构方面的进步也是相当惊人的 我们也常能够听到 某某车型新设计的车架较上一代车身刚度提高了xx 报道 车身结构方面的进步较之材料刚度本身的进步可以说是有过之而无不及 它们共同的发展使得汽车的安全性以惊人的速度在进步 不过 车身结构本身是一个比较复杂的话题 我们以后会详细谈到 采用高强度的钢料 即便更细 更薄的结构也能达成相同的强度 所以材料就可以用的少一些 重量也可以减少一些 而车身刚性却可以更高 强度是否就是刚性 结构的强度和刚性字面上感觉起来似乎没什么不同 但实际上它们根本是两回事 强度 的英文是 strength 其概念是材料受到多大外力时会产生破坏 这是一个与材料本身材质相关而与结构无关的数据 在汽车结构上只有大约20 的结构件以强度为最重要考量 主要是车体结构上处理冲击负荷的部分 像是冲击梁 车体B柱补强等 通常我们希望在这些主要承受冲击的零部件采用高强度钢 而刚性英文是 stiffness 主要的概念是结构受到外力时产生变形量的大小 这是一个既与材料本身材质相关又与结构相关的数据 简单地说 受到同样外力变形量大 表示结构刚性差 变形量小 则表示结构刚性好 在衡量车架的刚性时 我们通常使用 扭转刚度 来标示车架的刚性 其定义为使车架扭曲一度所需要的力矩的大小 单位为Nm degree或者kgm degree 汽车车身造型的演变 从19世纪末到20世纪初期 汽车设计师把主要精力都用在了汽车的机械工程学的发展和革新上 到了20世纪前半期 汽车的基本构造已经全部发明出来后 汽车设计者们开始着手从汽车外部造型上进行改进 并相继引入了空气动力学 流体力学 人体工 程学以及工业造型设计 工业美学 等概念 力求让汽车能够从外形上满足各种年龄 各种阶层 甚至各种文化背景的人的不同需求 使汽车成为真正的科学与艺术相结合的最佳表现形象 最终达到最完善的境界 汽车造型师们把汽车装扮成人类的肌体例如 汽车的眼睛 前照灯 嘴 进风口 肺 空气滤清器 血管 油路 神经一电路 心脏一发动机 胃 油箱 脚 轮胎 肌肉 机械部分 力图将一个冷冰冰的机械注入以生命 使之具有非凡的艺术魅力 给人以美感 汽车车身形式在发展过程中主要经历了马车型汽车 箱型汽车 甲壳虫型汽车 船型汽车 鱼 一 马车型汽车我国古代早有 轿车 一词 是指用骡马拉的轿子 图1 9 当西方汽车大量进入中国时 正是封闭式方形汽车在西方流行之时 那时汽车的形状与我国古代的 轿车 相似 并与 轿车 一样让人感到荣耀 于是 人们就将当时的汽车称为轿车 最早出现的汽车 其车身造型基本上沿用了马车的形式 因此称为 无马的马车 英文名Sedan就是指欧洲贵族乘用的一种豪华马车 不仅装饰讲究 而且是封闭式的 可防风 雨和灰尘 并提高了安全度 18世纪这种车传到美国后 也只有纽约 费城等少数大城市中的富人才有资格享用 1908年福特推出T型车时 车身由原来的敞开式改为封闭式 其舒适性 安全性都有很大提高 福特将他的 封闭式汽车 Closedcar 称为Sedan 著名的福特T型车是马车型汽车的佼佼者 二 箱型汽车美国福特汽车公司在1915年生产出一种不同于马车型的汽车 其外形特点很像一只大箱子 并装有门和窗 人们称这类车为 箱型汽车 因这类车的造型酷似于欧洲贵妇人们用于结伴出游和其他一些场合的人抬 轿子 式轻便座椅 所以它在商品目录中被命名为 轿车 三 甲壳虫型汽车1934年 流体力学研究中心的雷依教授 采用模型汽车在风洞中试验的方法测量了各种车身的空气阻力 这是具有历史意义的试验 1934年 美国的克莱斯勒公司首先采用了流线型的车身外形设计 1937年 德国设计天才费尔南德 保时捷开始设计类似甲壳虫外形的汽车 甲壳虫不但能在地上爬行 也能在空中飞行 其形体阻力很小 保时捷博士最大限度地发挥了甲壳虫外形的长处 使 大众 汽车成为当时流线型汽车的代表作 从20世纪30年代流线型汽车开始普及到40年代末的20年间 是甲壳虫型汽车的 黄金时代 四 船型汽车1945年 福特汽车公司重点进行新车型的开发 经过几年的努力 终于在1949年推出了具有历史意义的新型V8型福特汽车 因为这种汽车的车身造型颇像一只小船 所以人们称它为 船型汽车 福特V8型汽车的成功之处不仅仅在于它在外形设计上有所突破 而且它还首先将人体工程学的理论引入到汽车的整体设计上 取得了令人较为满意的结果 所谓人体工程学 就是用科学的方法解析的形体和能力 设计与之相吻合的机械与器具 船型汽车不论从外形上还是从性能上来看都优于甲壳虫型汽车 并且还较好地解决了甲壳虫型汽车对横风不稳定的问题 现在 福特公司的那种具有行李箱的四门四窗的轿车 已被全世界确认为轿车的标准形式 五 鱼型汽车为了克服船型汽车的尾部过分向后伸出 在汽车高速行驶时会产生较强的空气涡流作用这一缺陷 人们又开发出像鱼的脊背的鱼型汽车 1952年 美国通用汽车公司的别克牌轿车开创了鱼型汽车的时代 如果仅仅从汽车背部形状来看 鱼型汽车和甲壳虫型汽车是很相似的 但如仔细观察 会发现鱼型汽车的背部和地面所成的角度比较小 尾部较长 围绕车身的气流也就较为平顺些 所以涡流阻力也相对较小 另一方面 鱼型汽车是由船型汽车演变而来的 所以基本上保留了船型汽车的长处 诸如车室宽大 视野开阔 车身侧面的形状阻力较小 造型更具有动感 乘坐舒适等 这些都远远地超过了甲壳虫型汽车的性能 另外 鱼型汽车还特别地增大了行李舱的容积 所以更适合于家庭外出旅行等使用 正因为如此 鱼型汽车才得以迅速地发展 但也同时存在着一些致命的弱点 一是由于鱼型车的后窗玻璃倾斜得过于厉害 致使玻璃的表面积增大了一至二倍 强度有所下降 产生 了结构上 的缺陷 二是当汽车高速行驶时汽车的升力较大 鉴于鱼型汽车的缺点 设计师在鱼型汽车的尾部安上了一个上翘的 鸭尾巴 以此来克服一部分空气的升力 这便是 鱼型鸭尾式 车型 六 楔形汽车 鱼型鸭尾式 车型虽然部分地克服了汽车高速行驶时空气的升力 但却未从根本上解决鱼型汽车的升力问题 在经过大量的探求和试验后 设计师最终找到了一种新车型 楔形 这种车型就是将车身整体向前下方倾斜 车身后部像刀切一样平直 这种造型能有效地克服升力 第一次按楔形设计的汽车是1963年的司蒂倍克 阿本提 这辆汽车在汽车外形设计专家中得到了极高的评价 1968年 通用公司的奥兹莫比尔 托罗纳多改进和发展了楔形汽车 1968年又为凯迪拉克高级轿车埃尔多所采用 楔形造型主要在赛车上得到广泛应用 因为赛车首先考虑流体力学 空气动力学 等问题对汽车的影响 车身可以完全按楔形制造 而把乘坐的舒适性作为次要问题考虑 如20世纪80年代的意大利法拉利跑车 就是典型的楔形造型 楔形造型对于目前所考虑到的高速汽车来说 无论是从其造