汽车车身结构与设计第一章 第一节

1、汽车车身结构与设计山东农业大学机电学院汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计第一章 车身概论第二章 车身设计方法第三章 车身总布置设计第四章 汽车造型设计第五章 汽车的空气动力性能第六章 车体结构分析与设计第七章 车身部件结构设计第八章 车身有限元计算山东农业大学机电学院山东农业大学机电学院本章内容：本章内容：n车身的特点车身的特点n车身及其名词术语车身及其名词术语n车身的承载类型和构造车身的承载类型和构造n“四化四化”问题问题汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计 第一章第一章 车身概论车身概论汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计一、车身特点n形状不规则：造型、设计、工艺、材料等与其它总成不同。

2、n既是机械部件，又是临时住所：舒适性、居住性、方便性。n涉及多学科、多领域：机械、材料、艺术、市场、管理、法规等。n体现工业技术水平(综合实力）：多门基础学科、应用技术、加工技术。 第一节第一节 车身的特点车身的特点 汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计二、车身设计的特点n车身设计是新车型开发的主要内容。n车身造型设计是车身设计的关键环节。n人机工程学在车身设计中占有极重要的位置。n车身外形应重点体现空气动力学特征。n轻量化、安全性和高刚性是车身结构设计的主题。n新材料、新工艺的应用不断促进车身设计的发展。n市场要素是车身设计中选型的前提。n车身设计必须遵守有关标准和法规的要求。 汽车车身结构

3、与设计汽车车身结构与设计 三、车身形体1.形体的分类n轿车：形体完整；线条连贯流畅；外形和内饰要求高。 广泛采用四门轿车：设有两排座椅，乘坐45人。 单箱式、两箱式和三箱式 汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n客车：曲面较平坦，大弧面小圆角过渡。 小、中型客车：又称面包车，一般座位数在822之间。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计 大客车：广泛采用平头式。地板较高，下方设有行李舱，一般设有2个车门，在客车的前后端。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n货车：造型重点在驾驶室，驾驶室前部造型是重中之重。 平头式货车：整车利用率高，视野好，安全性较差。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n货车

4、：造型重点在驾驶室，驾驶室前部造型是重中之重。 长头式货车：设有发动机舱，整车利用率较低，视野差。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计2.形体的演变n马车型汽车 1885年1905年 以机械工程为主 1885年，德国，卡尔.本茨，第一辆三轮汽车，发动机0.88马力，后置后驱动。 1886年，德国，高特立勃.戴姆勒，第一辆四轮汽车，发动机后置后驱动，方向杆转向，时速10km/h。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n马车型汽车 1885年1905年 以机械工程为主 法国，汽车得到蓬勃发展，法国人研究成功了齿轮变速器、差速器、膜片式离合器、充气轮胎、后桥半独立悬架等。 德国，研制了化油器；英国，石

5、棉制动片和方向盘。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n1903年，美国，福特A型车初步解决了迎面风问题。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n1905年，美国，福特B型车，将发动机移到汽车前部，类似敞蓬汽车，同年，福特C型车加装风挡玻璃。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n1908年，美国，生产了著名的福特T型车，可乘坐4人，四缸发动机，40马力，时速80km/h,简易车蓬。T型车结构紧凑，坚固耐用，可避风雨，性能良好，价格便宜，深受欢迎。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n1913年，美国，福特公司，创建了最早的流水作业汽车生产装配线。批量大，价格低廉，T型汽车进入了家庭。汽车车身结构

6、与设计汽车车身结构与设计n箱型汽车 1915年1934年 流水线作业 规模化生产 1915年，美国，福特公司，生产出新型T型车，车室部分方正，装有门窗。年产量为30万辆，约占美国的汽车总产量的7080，当时欧洲各国汽车的总产量约占美国的5。“福特”成了当时汽车的代名词,标志着一个新的工业时代到来。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n1928年，美国，通用汽车公司，雪佛兰部，制造出汽车外形豪华装饰件的汽车，受到了用户的欢迎。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n箱型汽车 1915年1934年 流水线作业 规模化生产 随着汽车的普及，出现了车速提高的问题。 解决途径：增大功率和减小空气阻力。 减

7、小空气阻力，减小迎风面积，降低整车高度。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n增大发动机功率，增加气缸数目，视野性和舒适性差。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n甲壳虫型汽车 1934年1949年 引入了空气动力学理论 1934年，美国得雷依教授提出汽车风洞试验之后，多人对汽车车身空气阻力进行研究。当年，研究成果应用于克莱斯勒汽车公司气球牌小客车上，该车侧面采用了流线型，将发动机、前翼子板和大灯一体布置。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n 1937年，德国大众汽车公司，波尔舍博士设计的大众牌（Volkswagen）轿车，自问世以来，以同一型号，每年生产百万辆，遍布世界各地。该车是地道的甲

8、壳虫型，发动机后置后轮驱动，室内地板平坦，车身整体冲压，工艺性好。享有“世界甲虫之王”的美誉。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n甲壳虫型汽车的缺点： 乘员活动空间狭小，后排乘员几乎没有头顶空间，实用速度6070km/h时，减小空气阻力的效果不明显； 横风不稳定，车速大于100km/h时，遇上较强的侧风风力，汽车会偏离行驶路线。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n船型汽车 引入人机工程学技术 1949年，福特公司重整旗鼓，推出了新车型福特V8汽车。体现以人为主体的设计思想，首次将人机工程学的知识应用于汽车设计中，将乘客舱置于前后轮之间，称为“船型汽车”。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计

9、n 船型汽车的特点是乘车宽度就是汽车的宽度，发动机罩与前翼子板形成一体，后翼子板与行李舱成为一体，车身侧面从前至后成为一个光滑的面，乘坐空间大，侧面形状阻力小，横风稳定，至今广泛采用。在车速较高时，阶梯状的背部会产生较强的空气涡流，产生较大的空气阻力。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n鱼型汽车 解决升力问题 鱼型汽车基本上保留了船型汽车的优点，车的背部采用了快背式造型，涡流阻力较小。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n鱼型汽车存在自身的缺点：后窗玻璃倾斜太大，结构强度下降；夏季日光照射面积大，室内温度高；高速时产生阻力，车轮附着力减小，遇到横风，车体摆动，极易发生危险。汽车车身结构与设计

10、汽车车身结构与设计3.现代汽车车身发展趋势n车身设计及制造的数字化 （1）虚拟造型技术(CAS)； （2）计算机辅助设计(CAD)； （3）计算机辅助分析(CAE)； （4）计算机辅助制造(CAM)： 流体分析CFD； 车身静态刚度、强度和疲劳寿命分析； 整车及零部件的模态分析； 汽车安全性及碰撞分析； NHV(Noise Vibration Harshness)分析 ； 塑性成型模拟技术； （5）虚拟现实技术； （6）人机工程模拟技术。 汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n新型工程材料的应用及车身的轻量化汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n更趋向于人性化和空间的有效利用汽车车身结构与设计

11、汽车车身结构与设计n利用空气动力学理论，使整体形状最佳化汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n采用连续流畅、圆滑多变的曲面n采用平滑化设计汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n车身结构的变革： 取消中柱，前后车门改为对开； 车内地板低平化； 四轮尽量地布置在四个角汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n丰富多彩的电动汽车汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n车内操纵机构的简练和自动化汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n大客车向轻量化和曲面圆滑方向发展汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n将货车驾驶室和货箱的造型统一汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计4.未来汽车车身发展趋势汽车车身结构与设计汽

12、车车身结构与设计汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计四、车身材料n传统钢结构车身设计制造，材料和设备费用是成本的主要部分，而设计费用的投入仅占5%；但是设计对产品起决定性的作用.n良好的设计不仅体现在产品的性能上，而且还体现于良好的加工工艺和制造成本.n世界能源短缺，环境保护，轻量化成为关注的焦点n轻量化，主要从两方面着手研究1.结构轻量化2.材料轻量化 材料轻量化：采用轻金属材料和非金属材料，是最直接、最有效的轻量化措施。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计1.钢板n冷冲压钢板等。n汽车车身制造的主要材料，占总质量的50

13、%。n主要用于外覆盖件和结构件,厚度为0.6-2.0mm。n车门、顶盖、底板等复盖件用薄钢板均是冷轧板，大梁、横梁、保险杠等均是热轧钢。 （一）普通低碳钢板n1钢板的成形性能q冷冲压钢板是以金属的塑性变形为基础的加工方法。伸长率是衡量塑性变形能力的指标。q冷轧钢板：比热轧钢板冲压加工性能好，表面美观。在汽车上 应 用 较 多 , 广 泛 采 用0.61.0mm板厚。q热轧钢板：是在t800时轧制而成的，加工性不如冷轧钢板，厚度一般为1.66.0mm之间。板厚为1.21.4mm的热轧钢板主要用于车身下部构件、内护板、车门内板等，大于1.6mm以上的用于结构加强板和铰链等。（二）高强度钢板及车身q

14、是在普通碳素钢的基础上加入少量的合金元素制成。q生产成本与普通碳素钢板相近，但其抗拉强度比普通钢板高得多，用以制造车身构件，可以明显减轻重量和造价。n优点1）可减轻零件的重量；2）加工硬化率高，可吸收更多的冲击能量，用于前后纵梁等处可提高汽车的安全性；3）用于车身外部件，具有烘烤硬化性，可增强零件，提高外表面件的抗凹陷性能。n主要限制：随着钢板强度级别的提高，钢板的成形性变差随着钢板强度级别的提高，钢板的成形性变差（三）表面镀锌钢板n锌具有适应性很强的耐腐蚀性能n随着轿车工业的发展，镀锌钢板用量逐年增加n多用于容易腐蚀的车身零件，如挡泥板（轮罩），地板等车身底部及车顶，车门板。有些轿车车身几乎

15、全部重要冲压件都采用镀锌钢板汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计 n主要发展趋势： 减薄板厚的高强度钢板，既符合安全法规又可实现轻量化： 含磷高强度冷轧钢板：主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件； 烘烤硬化冷轧钢板：是车身外板轻量化设计首选材料之一； 冷轧双向钢板：主要用于形状复杂、高强度承力零部件，如车门加强板、保险杠等； 超低碳高强度冷轧钢板：在低碳钢内加微量元素如铌（Nb）或者钛（Ti），可提高钢板的拉伸强度，能够深拉延，变形性好，钢板厚度可小到0.5毫米以下。 在这些薄钢板上通过电镀、涂复锌合金后再涂复一层塑料，既有钢的高强度又有锌、塑料等材料的耐

16、腐蚀性，总质量又等同于铝合金，这种高强度钢板已应用在现代轿车上。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计2.轻量化迭层钢板 迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.20.3mm，塑料层的厚度占总厚度的2565。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57。 隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底 板等部件。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计3.铝合金 铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点。 德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减

17、轻了43，使平均油耗降至每百公里3升的水平。 全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。 由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计4.镁合金n在镁材中添加一些其它的金属元素，例如铝、锌或者铝、锰等，变成了一种具有较高强度和刚度，具有良好铸造性能和减振性能的轻质合金材料。n目前镁合金一般用于车上的座椅骨架、仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳等等零件，其中转向盘和转向柱、轮圈是

18、应用镁合金较多的零件。 n镁合金密度只有1.7，是铝的2/3，钢的1/4，客易加工，废品率低，具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可以降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动。但从成本上看它仍然偏高于铝合金。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计5.塑料n塑料是一种高分子材料，常用工程塑料包括: 热塑性工程塑料（PE、PP、PVC、ABS、PS、PA、POM、PC等）； 热固性工程塑料（酚醛树脂PF、氨基树脂UF、环氧树脂EP等）。n由内外装饰件向车身复盖件和结构件方面发展。例如前照面、保险杠、发动机罩、行李箱盖、顶盖、翼子板、车门内护板和某些车身骨架构件等。汽车车身结构与设计汽车车

19、身结构与设计 n一般塑料的比重在0.91.5之间，纤维增强复合材料比重也不会超2.0。n整车用量已从60年代初的10公斤左右上升到目前的二百多公斤。 n成型容易，使形状复杂的部件加工简单化。n弹性变形特性能吸收大量的碰撞能量，对强烈撞击有较大的缓冲作用，对车辆和乘员起到保护作用。n制成的复合材料具有很高的机械强度，可以代替钢板制作车身复盖件或结构件，减轻汽车的重量。n耐腐蚀性强，局部受损不会腐蚀。n塑料的弱点是：大规模的模塑加工，投资大，成本高昂。 另一个更关键的问题就是环境保护：材料能不能够回收？汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计6.橡胶n可用于减振、减轻碰撞、密封等零部件。 n常用橡胶包

20、括： 天然橡胶； 合成橡胶（SBR、BR、CR、IR、IIR、NBR、ERM、EPRM、ACM、AUEU等）。n轮胎：载重汽车以天然橡胶为主，轿车则以合成橡胶为主。n车用胶管包括水、气、燃油、润滑油、液压油等的输送管通常采用丁腈橡胶、氯丁橡胶等材料制造。n车用橡胶密封件多用丙烯酸酯橡胶、硅橡胶等材料制造。n门窗玻璃密封件多采用乙丙橡胶制造。7、车身用复合材料n车身上使用最多的复合材料是玻璃纤维增强材料（GFRP）和碳纤维增强材料（CFRP）n1） GFRP的主要特点及其应用q质量轻，比强度、比刚度高，耐腐蚀性能好q使用GFRP材料的零部件：车身外板零件、车内板件、门窗内装饰框、换挡操纵杆等n2

21、）纤维增强材料（CFRP）的特点及其应用nCFRP的主要原料与GFRP基本相同，只是增强材料为碳纤维而不是玻璃纤维。n与GFRP相比，CFRP密度低、抗拉强度高，耐蚀性、耐磨性好，有一定的减振和隔振性能。nCFRP材料广泛应用于汽车的各类板件、壳体件、各种支架、托架和许多重要的结构件。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计8.玻璃n按照工艺加工分成： A类夹层玻璃（认证标志代号LA）；B类夹层玻璃（认证标志代号LB ）； 区域钢化玻璃（认证标志代号 Z ）；钢化玻璃（认证标志代号 T ） ；其中A类夹层玻璃安全性能最高。n国家标准规定，前档风玻璃必须要使用A类、B类夹层玻璃或区域钢化玻璃，钢化玻

22、璃只能用于除前档风玻璃以外的位置，而有LA、LB、Z标志玻璃可以应用在汽车所有玻璃位置上。n目前广泛使用的“绿色玻璃”就是采用反射涂层工艺或改善玻璃的成分，只让阳光中的可见光进入车厢内，挡住紫外线和红外线。光和热会减少23%。n另外，一种可加温的汽车玻璃可将极细小的几乎看不见的电热丝作成波状放在夹层玻璃中的塑料粘膜上，起到防霜、防雾化、防结冰的作用。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计9.内饰材料n复合材料、纺织品更加美观、整体化和色彩丰富。n轿车内饰件的质量取决于材料。n目前，许多轿车的内饰件已经逐步使用PP(聚丙烯)材料，这是一种工程热塑材料，韧性好、强度大、隔热好、质地轻、耐腐蚀、富有弹

23、性和手感好，成本低，更重要的是PP材料是一种可以循环回收再用的塑料。 目前采用PP材料制造仪表板总成外壳已成主流，在欧洲每年生产仪表板要耗用12万吨热塑性材料，其中PP材料就占了5万吨。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计10.纳米技术n纳米技术可强化钢板结构，使车体更耐撞而达到安全的要求。n利用纳米涂料烤漆，可使车身外观色泽更为光亮，且更耐蚀、耐磨。 n可利用纳米粒子特有的抗菌、除污特性，达到室内清洁的要求。 汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计五、车身制造技术概述1.车身冲压件及冲压设备和模具 车身零件一般都经过落料、冲孔、拉深、弯曲、翻边、修整等工序而成形。冲压加工的生产率很高，并可制造

24、形状复杂而且精度较高的零件。 n采用0.6-1.2mm的钢板；n多套模具：冲剪模、拉延模和弯曲模等；n剪切生产线和冲压生产线。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计2.车身焊装及焊装设备n点焊：在车身制造中应用最广泛。点焊适于焊接薄钢板，焊点直径为56mm，焊点间隔50100mm。整个轿车车身，通常需要上千个焊点。 点焊具有时间短、效率高、局部加热快、板件变形小，焊接过程容易实现机械化和自动化等优点。 点焊设备：固定式电焊机、可移动悬挂式电焊机、多点焊机、电焊机械手和电焊机器人。n专用焊接线和柔性焊接线。n焊装夹具：又称焊胎，焊装夹具设计是 决定车身焊接质量的重要因素。n缝焊：又称滚压点焊，可获得密封优良的 焊缝，适用于车身顶盖周边等部位的焊接。汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计n激光焊接n优点q只需单面激光接触；q焊接质量紧实稠密，可提高结构强度和刚度；q如果用翻边时，可减小焊接翻边宽度；q增加设计灵活性；q热变形小；q高效率；q是无接触焊接，减小