轎車車身結(jié)構(gòu)件分析與設(shè)計(jì)技術(shù)

鄧騫

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510000）

轎車車身結(jié)構(gòu)件分析與設(shè)計(jì)技術(shù)

鄧騫

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510000）

車身是轎車的關(guān)鍵總成，它的結(jié)構(gòu)件影響了整車的性能，決定了整車的力學(xué)特性。基于汽車的各種性能，對(duì)轎車車身結(jié)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)是目前汽車技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。主要對(duì)轎車車身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了分析，系統(tǒng)地探索了轎車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。研究發(fā)現(xiàn)，在某三廂轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用該設(shè)計(jì)方法是可行的，具有較好的性能。

結(jié)構(gòu)件；車身性能；三廂轎車；構(gòu)件設(shè)計(jì)

轎車車身是轎車的重要組成部分，車身結(jié)構(gòu)件的合理與美觀直接影響了整車的質(zhì)量，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了整車的安全性、舒適性、美觀性以及由車身外形與空氣動(dòng)力性能決定的操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等。因此，轎車車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)在汽車制造工業(yè)中的重要性不言而喻。但轎車車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此，開(kāi)展了轎車車身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)研究。

1 車身性能要求

轎車車身車體結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由車身底板總成、側(cè)圍總成、頂蓋總成、后圍總成、后隔板總成等幾部分構(gòu)成的。

圖1 轎車車身車體結(jié)構(gòu)

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足造型面、總布置、人機(jī)工程和安裝空間的前提下，還要滿足諸多性能目標(biāo)要求。這些性能包括車身整體剛性、車身NVH性能、車身局部剛性、車身強(qiáng)度、車身安全性、車身耐久性能、車身輕量化系數(shù)。

車身整體剛性關(guān)系到車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等；車身NVH性能關(guān)系到車身模態(tài)、安裝點(diǎn)動(dòng)剛度等；車身局部剛性關(guān)系到車門(mén)下沉剛性、氣囊ECU固定點(diǎn)響應(yīng)頻率等；車身強(qiáng)度關(guān)系到車身上安裝件固定點(diǎn)強(qiáng)度、頂蓋雪壓強(qiáng)度等；車身安全性關(guān)系到碰撞性能、座掎固定點(diǎn)強(qiáng)度、安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度、頂蓋抗壓強(qiáng)度等；車身輕量化系數(shù)關(guān)系到車身的輕量化程度；車身耐久性能、耐蝕性則影響著車身的使用年限。在車身性能中，除個(gè)別性能與車身覆蓋件相關(guān)外，大多數(shù)性能是與車身結(jié)構(gòu)件相關(guān)的。

2 車身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法

轎車車身作為承載式車身，是由眾多的梁相互連接構(gòu)成的框架式結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到載荷沖擊時(shí)，結(jié)構(gòu)合理的車身能使載荷沿著相互連接的梁向四周發(fā)散性傳遞，實(shí)現(xiàn)克服應(yīng)力集中的效果。

2.1 車身整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

將車身整體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分提取出來(lái)可細(xì)分為縱向梁結(jié)構(gòu)、橫向梁結(jié)構(gòu)、立柱結(jié)構(gòu)及環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)等。

2.1.1 縱向梁結(jié)構(gòu)

車身結(jié)構(gòu)中的縱向梁是車身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它決定著車身的正面耐撞性和彎曲剛度水平。車身前縱梁、邊縱梁、頂蓋邊梁及前托架等構(gòu)成了車身的縱向梁。

2.1.2 橫向梁結(jié)構(gòu)

車身橫向梁主要位于車身底板位置和車身頂蓋位置，是車身整體結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分，也影響著車身的側(cè)面耐撞性。

2.1.3 立柱結(jié)構(gòu)

車身立柱主要位于車身側(cè)圍處，側(cè)圍A，B，C柱都是車身立柱的組成部分，車身前后端也有立柱結(jié)構(gòu)。車身立柱連接車身頂蓋與車身底板，除了支撐車體外，對(duì)抗擊車身側(cè)面碰撞也起到了重要作用。

2.1.4 環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)

縱向梁、橫向梁、立柱都是車身結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，共同組成框架式車身結(jié)構(gòu)。對(duì)車身中的縱向梁、橫向梁、立柱的位置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，形成多個(gè)環(huán)環(huán)相連的結(jié)構(gòu)。只有這樣，才能真正發(fā)揮出承載式車身的性能。車身結(jié)構(gòu)中橫斷面、縱斷面、水平面方向的環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)共17個(gè)環(huán)，對(duì)提升車身的扭轉(zhuǎn)剛度、安全性發(fā)揮著重要作用。實(shí)踐證明，閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)對(duì)抗扭的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非閉合結(jié)構(gòu)。

2.2 車身局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路

2.2.1 斷面結(jié)構(gòu)

斷面指的是車身中梁的斷面，載荷傳遞路徑的斷面，通常為封閉的結(jié)構(gòu)。在截面尺寸的構(gòu)建上，截面越接近圓形，其抗扭能力越髙。在矩形截面中，正方形抗扭能力最高，當(dāng)兩邊長(zhǎng)度之比小于1∶2時(shí)，其抗扭能力明顯下降，抗彎折能力也與之類似。車身常用的“幾字”形斷面如圖2中的（a）和（b）。從提升防腐能力的角度考慮，一般要求車身內(nèi)腔板與板之間間隙為5 mm。

圖2 “幾字”形梁斷面

2.2.2 連接結(jié)構(gòu)

連接結(jié)構(gòu)即車身中的接頭結(jié)構(gòu)，為了避免車身接頭處出現(xiàn)應(yīng)力集中，需加強(qiáng)接頭處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般通過(guò)增加接頭處截面積和增加接頭處疊料厚度加強(qiáng)。

2.2.3 安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)

車身上安裝點(diǎn)大致可以分為2類：①靜態(tài)的固定點(diǎn)。比如座椅安裝點(diǎn)、安全帶安裝點(diǎn)、四門(mén)兩蓋安裝點(diǎn)、加油口蓋安裝點(diǎn)、油箱安裝點(diǎn)、散熱器安裝點(diǎn)、電器件安裝點(diǎn)及內(nèi)外飾件安裝點(diǎn)等，這類固定點(diǎn)其安裝件是不發(fā)生運(yùn)動(dòng)的，是不產(chǎn)生激勵(lì)的。②動(dòng)態(tài)的能產(chǎn)生激勵(lì)的固定點(diǎn)。比如動(dòng)力總成安裝點(diǎn)、排氣管安裝點(diǎn)、前后懸架安裝點(diǎn)等。

靜態(tài)的固定點(diǎn)一般只考核其強(qiáng)度；動(dòng)態(tài)的固定點(diǎn)除了考核強(qiáng)度之外，還需要考核其動(dòng)剛度性能。為了提升固定點(diǎn)的強(qiáng)度和動(dòng)剛度，一般車身上重要件的安裝點(diǎn)都要“依梁而居”設(shè)計(jì)，這樣既可以避免設(shè)計(jì)出復(fù)雜的固定支架結(jié)構(gòu)，又可以省材減重。

3 某車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

綜上所述，車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方法的論述設(shè)計(jì)某轎車車身，在追求高剛性、高強(qiáng)度、高安全性的同時(shí)，注重車身零部件的功能集成性設(shè)計(jì)，注重車身的輕量化。此外，在車身零件具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分塊設(shè)計(jì)上，結(jié)合沖壓工藝、焊接工藝、安裝工藝和防腐性能開(kāi)展工作，力爭(zhēng)設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的車身結(jié)構(gòu)。其中，車身中支柱（B柱）為頂端搭接結(jié)構(gòu)。為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，在B柱中間加強(qiáng)板與頂蓋邊梁中間、加強(qiáng)板之間、B柱里板與頂蓋邊梁里板之間都設(shè)置了較大的重疊面積。

對(duì)于頂蓋后橫梁與側(cè)圍連接處的結(jié)構(gòu)，為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，通過(guò)增設(shè)加強(qiáng)板增大了接觸面積，布局了5個(gè)焊點(diǎn)連接。為了提升安裝點(diǎn)處的強(qiáng)度，將后排安全帶下固定點(diǎn)燃油箱固定點(diǎn)都設(shè)置與后地板中橫梁相連。

4 某車身性能計(jì)算分析

4.1 總體性能

車身性能的仿真分析見(jiàn)表1.與同級(jí)車相比，性能較優(yōu)。

表1 某車型車身性能

4.2 仿真分析舉例

正面碰撞前圍擋板侵入量最大值僅為126.7 mm，腿部空間較大；側(cè)面碰撞過(guò)程中B柱最大侵入量為136.89 mm，生存空間約為209.3 mm，對(duì)駕駛?cè)擞休^好的保護(hù)作用。后排安全帶下固定點(diǎn)強(qiáng)度分析結(jié)果為：后地板塑性變形19.8%，后地板加強(qiáng)板塑性變形16.6%，后承載式地板塑性變形6.9%，都處于較小的范圍內(nèi)，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，分析云圖如圖3所示。

圖3 后排安全帶下固定點(diǎn)強(qiáng)度分析

燃油箱固定點(diǎn)強(qiáng)度分析結(jié)果為：最大應(yīng)力出現(xiàn)在前安裝點(diǎn)處，約為107 MPa，滿足材料強(qiáng)度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，轎車車身是個(gè)具有雙重功能的工藝美術(shù)品，雖然我國(guó)汽車制造業(yè)已經(jīng)取得了不俗的成就，然而轎車車身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)還有待優(yōu)化。本研究對(duì)車身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)性能的提高具有一定的參考價(jià)值，可為其它相關(guān)研究積累一定的可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

［1］楊井哲.車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.

［2］陳洪亮.轎車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)特征及輕量化設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

U463.82

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.060

2095－6835（2017）20－0060－02

〔編輯：張思楠〕