汽车车身结构设计与结构分析学习.doc

2004.11.17 from：汽车超级读本0.汽车的基本构造汽车一般由发动机、底盘、车身和电气设备等四个基本部分组成。汽车发动机：发动机是汽车的动力装置。由机体，曲柄连杆机构，配气机构，冷却系，润滑系，燃料系和点火系(柴油机没有点火系)等组成。按燃料分发动机有汽油和柴油发动机两 种；按工作方式分有二冲程和四冲程两种，一般发动机为四冲程发动机。四冲程发动机的工作过程： 四冲程发动机是活塞往复四个行程完成一个工作循环，包括进气、压缩、作功、排气四个过程。四行程柴油机和汽油机一样经历进气、压缩、作功、排气的过程。但与汽油机的不同之处在于：汽油机是点燃，柴油机是压燃。冷却系：一般由水箱、水泵、散热器、风扇、节温器、水温表和放水开关组成。汽车发动机采用两种冷却方式，即空气冷却和水冷却。一般汽车发动机多采用水冷却。润滑系：发动机润滑系由机油泵、集滤器、机油滤清器、油道、限压阀、机油表、感压塞及油尺等组成。燃料系：汽油机燃料系由汽油箱、汽油表、汽油管、汽油滤清器、汽油泵、化油器、空气滤清器、进排气歧管等组成。化油器：是将汽油与空气以一定的比例混合为一种雾化气体的装置，这种雾化气体叫可燃混合气，及时适量供入气缸。汽车的底盘：传动系：主要是由离合器、变速器、万向节、传动轴和驱动桥等组成。离合器：其作用是使发动机的动力与传动装置平稳地接合或暂时地分离，以便于驾驶员进行汽车的起步、停车、换档等操作。变速器：由变速器壳、变速器盖、第一轴、第二轴、中间轴、倒档轴、齿轮、轴承、操纵机构等机件构成，用于汽车变速、变输出扭矩。行驶系：由车架、车桥、悬架和车轮等部分组成。它的基本功用是支持全车质量并保证汽车的行驶。 钢板弹簧与减震器：钢板弹簧的作用是使车架和车身与车轮或车桥之间保持弹性联系。减震器的作用是当汽车受到震动冲击时使震动得到缓和。减震器与钢板弹簧并联使用。 转向系：由方向盘、转向器、转向节、转向节臂、横拉杆、直拉杆等组成，作用是转向。前轮定位：为了使汽车保持稳定直线行驶，转向轻便，减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损，前轮、转向主销、前轴三者之间的安装具有一定的相对位置，这就叫“前轮定位”。 它包括主销后倾、产销内倾、前轮前束。前束值是指两前轮的前边缘距离小于后边缘距离的差值。制动系：机动车的制动性能是指车辆在最短的时间内强制停车的效能。 手制动器的作用：手制动器是一种使汽车停放时不致溜滑，在特殊情况下，配合脚制动的装置。液压制动构造：液压制动装置由制动踏板、制动总泵、分泵、鼓式(车轮)制动器和油管等机件组成。气压制动装置：由制动踏板、空气压缩机、气压表、制动阀、制动气室、鼓式(车轮)制动 器和气管等机件组成。 电气设备：汽车电气设备主要由蓄电池、发电机、调节器、起动机、点火系、仪表、照明装置、音响装置、雨刷器等组成。蓄电池：蓄电池的作用是供给起动机用电，在发动机起动或低速运转时向发动机点火系及其他用电设备供电。当发动机高速运转时发电机发电充足，蓄电池可以储存多余的电能。蓄电池上每个单电池都有正、负极柱。其识别方法为：正极柱上刻有“+”号，呈深褐色；负极 柱上刻有“-”号，呈淡灰色。起动机： 其作用是将电能转变成机械能，带动曲轴旋转，起动发动机。起动机使用时，应注意每次起动时间不得超过5秒，每次使用间隔不小于10-15秒，连续使用不得超过3次。若连续起动时间过长，将造成蓄电池大量放电和起动机线圈过热冒烟，极易损坏机件。 1. 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。（见图）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0.63毫米，大多数零件用材厚度是0.81.0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56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（见本网“车海拾贝”沃尔沃SCC）。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。2.汽车外形设计的两对矛盾现代汽车追求舒适、动力和安全性能好，这些要求在车身外型的设计中构成了矛盾。首先，乘驾舒适需要足够的车内空间，而要得到宽敞的空间就要增加汽车外型的尺寸。汽车的外型尺寸，尤其是横截面尺寸的增加，势必增加汽车的迎风面积，直接影响汽车的风阻系数。这样，舒适性与动力性就构成了一对矛盾。这对矛盾在汽车的速度比较低的时候影响不大，早期的汽车基本上是箱式的，汽车的外型完全根据内部的需要来设计。随着汽车技术的发展，汽车的速度越来越高，风阻的矛盾就越来越突出。研究表明，随着速度的增加，路面阻力增加很小而风阻增加却很大。一般的箱式车，车速在每小时30公里以下时，消耗在路面阻力上的功率大于克服风阻所消耗的功率。而在这个速度以上，消耗在风阻上的功率就急剧增加。到了每小时70公里左右的速度，克服风阻所需要的功率就会超过路面阻力。如果速度超过每小时100公里，绝大部分的功率就消耗在克服风阻上了。风阻的主要因素有两大方面，一是迎风面积，二是涡流。减少迎风面积的主要措施是减低车厢的高度。减少车厢的宽度虽然也能减少横截面的面积，但一般情况下效果不如减少高度显著。为了保留足够的内部空间，保证有舒适的乘坐空间，汽车的截面是不可以随意减少的。为了进一步减低风阻，就要从减少汽车行驶中产生的涡流入手。我们在大街上常常看到一些大货车驶过后，马路上的尘土、纸屑打着转满天飞，这就是汽车行驶搅动空气形成的涡流。汽车的前挡风玻璃、车顶、车侧、车后都可以产生涡流。研究涡流最有效的手段是风洞试验，汽车模型静止于隧道型空间中，车身周围是高速流动的空气，这样来模拟汽车高速行驶的条件。通过安装在车身各部分的传感装置测量空气的运动。从而了解涡流的运动情况。研究表明，具有流线型车身的汽车抗涡流的性能最好。流线型车身的纵截面与飞机机翼的的形状相似，高速运动时会产生升力，对行驶稳定性产生负面作用。这就产生了第二对矛盾，即动力性与安全性的矛盾。为了增加稳定性，现代汽车车身造型在流线型的基础上不断改进，车身重心前移、前低后高、增加尾部纵截面的相对面积、增加搅流板等等。舒适性与动力性、动力性与稳定性，如何解决这两对矛盾构成车身设计历史的主流话题。汽车的车身从箱型、甲壳虫型发展到船型、楔型和现在的滴水型，以及在这些形状基础上的许多变种，其内在的驱动力就是这两对矛盾的平衡过程。汽车车身的设计工作流程，也从单纯的由内向外发展到由外向内、内外结合的方式。3.汽车用钢板汽车车身外壳绝大部分是金属材料，主要用钢板。现代汽车的钢板用什么方式防锈？为什么有些轿车声称车身防锈蚀年限达10年以上？镀锌薄钢板广泛应用在汽车上，这是因为它有良好的抗腐蚀能力。早年人们在试验中发现，将铁和锌放人盐水中，二者无任何导线联结时，铁和锌都会生锈，铁生红锈，锌生“白锈”；若在二者间用导线联结起来，则铁不会生锈而锌生“白锈”，这样锌就保护了铁，这种现象叫牺牲阳极保护。工程师正是将这种现象运用到实际生产中，生产了镀锌钢板。 经研究，在镀锌量350克平方米（单面）时，镀锌钢板在屋外的寿命（生红锈），田园地带约为15一18年，工业地带大约3一5年，这比普通钢板长几倍甚至十几倍。从20世纪70年代开始轿车车身钢板采用镀锌薄钢板，装配时镀锌面置于汽车内侧，提高车身耐蚀性能，非镀锌面置于汽车外侧，喷涂油漆。随着汽车对耐腐蚀性能的要求不断提高，镀锌钢板不断增加镀锌层重量，还出现了双层镀锌钢板。但由于增加镀锌重量也会使电镀锌的电能消耗大幅增加，导致材料成本的上升，因此20世纪70年代末又出现一种采用热浸镀锌工艺生产的镀锌钢板，称为热镀锌钢板。这种镀锌钢板用连续热镀锌工艺：冷轧板（注*）加热冷却至镀锌温度镀锌冷却矫直。为了满足汽车对镀锌钢板的各种要求，一些生产厂家在镀锌生产线上对镀锌钢板进行扩散退火等特殊处理，以使钢板表面形成一种“锌铁”合金镀层，其特点是涂漆后的焊接性和耐腐蚀性比纯锌镀层板要好。以后还出现了诸如“锌铝硅”、“锌铝铼”等合金化热镀锌钢板，使得热镀锌钢板的耐腐蚀性成倍提高，与油漆间的结合性能长期稳定。目前轿车已经广泛使用镀锌钢板，采用的镀锌钢板厚度从0.5至3.0毫米，其中车身复盖件多用0.6至0.8毫米的镀锌钢板。德国奥迪轿车的车身部件绝大部分采用镀锌钢板（部分用铝合金板），美国别克轿车采用的钢板80%以上是双面热镀锌钢板，上海帕萨特车身的外复盖件采用电镀锌工艺，内复盖件内部采用热镀锌工艺，可以使车身防锈蚀保质期长达11年。材料是影响汽车质量的重要因素。在现代汽车中，车身材料占全车材料的很大部分。为了提高汽车行驶的经济性，减轻汽车重量是世界各大车厂的目标，近年来汽车上越来越多使用了铝或塑料等非钢铁材料做车身部件，例如奥迪A2全铝制车身，日产SUV“奇骏”用塑料做前翼子板，更多的乘用车保险杠用塑料制成。在日益广泛使用非钢铁材料做车身部件的形势下，高度依赖汽车制造业的钢铁企业将面临直接的威胁。因此，研制和发展轻质、高强度的汽车钢板成为多年来钢铁企业的一个热点。目前汽车生产中，使用得最多的是普通低碳钢板。低碳钢板具有很好的塑性加工性能，强度和刚度也能满足汽车车身的要求，同时能满足车身拼焊的要求，因此在汽车车身上应用很广。为了满足汽车制造业追求轻量化的要求，钢铁企业推出高强度汽车钢材系列钢板。这种高强度钢板是在低碳钢板的基础上采用强化方法得到的，抗拉强度得到大幅增强。利用高强度特性，可以在厚度减薄的情况下依然保持汽车车身的机械性能要求，从而减轻了汽车重量。例如BH钢板是在低强度的条件下，经过冲压成形之后，进行烤漆加工热处理，以提高其抗拉强度。对比之下，以往生产的强度在440MPa的钢板，在采用这种加工技术以后强度可增加到500MPa。原来用厚度1毫米钢板做侧面板，用高强度钢板只需厚度0.8毫米。采用高强度钢板还可以有效地提高汽车车身的抗冲击性能，防止在行驶中由于路面的砂石飞溅碰撞产生凹痕，延长了汽车的使用寿命。车用高强度钢板应具有高强度和延塑性好的特点。目前高强度钢有BH钢（烤漆硬化钢板）、双相DP钢、相变诱导塑性钢（TRIP）、微合金M钢、高强度无间隙固熔IF钢等。它们一般用于需高强度、高抗碰撞吸收能、成形要求严格的零件，例如轮圈、加强构件、保险杠、防撞杠，随着性能及成型技术的进步，高强度钢板被用于汽车的内外板件，例如车顶板、车门内外板、发动机舱盖、行李舱盖等上。现在许多中高档轿车都采用高强度钢板。高强度钢板经过发达国家20多年的开发与生产，大都巳有标准化和常规生产的系列产品，并广泛用于许多汽车的构件制作中。日本汽车高强度钢板的平均使用率在1993年为25，2000年为36。美国钢铁协会AISI组织世界13家钢铁公司研究开发“超轻车身研究”（ULSAB），于1998年3月在美国密执安展出了高强度钢车身，车身使用的高强度钢大约为86，其平均重量比普通钢结构车身减轻了25，这对汽车制造厂家很有吸引力。1999年1月，全世界34家大钢铁企业又共同出资启动了高强度钢车身的研发项目ULSAB-AVC，通过使用高质量钢材和新制造技术，减轻汽车重量，提高经济性，以满足2004年更为严格的碰撞标准和2005年实施的欧洲号排放标准。从这里可以看出，发展车用高强度钢板巳经不是单纯车身材料更新的问题，它还涉及到能否令汽车达到新的环保和安全标准的问题。高强度钢板的发展与应用跟成型、涂装和焊接等有关技术是密切相关。冲压成型是汽车制造中最主要的成形方式，车身构件、门板、翼子板等等都是通过冲压成型制造出来，有些构件具有相当复杂的形状。例如高强度无间隙固熔IF钢具有极为良好的深冲和拉延能力，用来冲压制造各种复杂形状的汽车冲压件，它内部的铁素体不存在任何间隙固熔的碳和氮原子，这样钢材在冷轧和连续退火后可获得低屈强比和高延伸率，也就是说有极高的“韧性”，不会轻易断裂，能够承受各种模具的冲压变形。近年流行一种“拼焊”技术，就是将不同厚度和不同性能的钢板剪裁后拼焊起来的一种钢板，这种拼焊钢板可以冲压加工。采用拼焊钢板可以按照汽车的不同部位对应于不同的板材，更好地发挥其作用，例如在负荷大的地方采用较厚的高强度钢板，而在其他部位则使用较薄的高强度钢板。拼焊钢板的应用，简化了生产工艺、改善了构件性能和减轻了重量。汽车构件上采用 “拼焊”的部件常有侧面框架、车门内板、车身底板、侧面横档、档风玻璃窗框、中立柱等。因此，对高强度钢板的焊接也有高要求。涂装是汽车制造过程中的重要工序，包括镀锌钢板。目前中高档轿车白车身一般使用镀锌板，镀锌板能够保证汽车车身使用10年不会腐锈。但是钢厂生产的汽车钢板在轧制过程中的表面粗糙度和清洁度将直接影响到镀锌的锌层附着力。同时，钢板的板厚精度控制也将影响现代化汽车生产线的工作准确性，因为现代化的汽车生产线是用机器人点焊，板厚误差大将导致虚焊。所以，现代化的汽车制造对钢板的要求是十分严格的，例如对宽1.5米长3000米的厚0.8毫米钢板，厚度公差不能超出20微米。注*：汽车车厢蒙皮板、车门、顶盖、底板等复盖件用薄钢板均是冷轧板，大梁、横粱、保险杆等均是热轧钢。 4.轿车的悬架舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。从轿车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减振器指液力减振器，是为了加速衰减车身的振动，它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件，用来传递纵向力，侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。汽车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种：非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂，承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。独立悬架的结构分有烛式、麦弗逊式、连杆式等多种，其中烛式和麦克弗逊式形状相似，两者都是将螺旋弹簧与减振器组合在一起，但因结构不同又有重大区别。烛式采用车轮沿主销轴方向移动的悬架形式，形状似烛形而得名。特点是主销位置和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化，有利于汽车的操纵性和稳定性。麦克弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主销，转向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，这点与烛式悬架正好相反。这种悬架构造简单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性。所以，目前轿车使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架。关于麦弗逊悬架，车坛历史上还有这么一段记载。麦弗逊（Mcpherson）是美国伊利诺斯州人，1891年生。大学毕业后他曾在欧洲搞了多年的航空发动机，并于192