鄧騫
(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院,廣東 廣州 510000)
轎車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)件分析與設(shè)計(jì)技術(shù)
鄧騫
(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院,廣東 廣州 510000)
車(chē)身是轎車(chē)的關(guān)鍵總成,它的結(jié)構(gòu)件影響了整車(chē)的性能,決定了整車(chē)的力學(xué)特性?;谄?chē)的各種性能,對(duì)轎車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)是目前汽車(chē)技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。主要對(duì)轎車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。研究發(fā)現(xiàn),在某三廂轎車(chē)車(chē)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(chē)身性能;三廂轎車(chē);構(gòu)件設(shè)計(jì)
轎車(chē)車(chē)身是轎車(chē)的重要組成部分,車(chē)身結(jié)構(gòu)件的合理與美觀直接影響了整車(chē)的質(zhì)量,車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了整車(chē)的安全性、舒適性、美觀性以及由車(chē)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(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)在汽車(chē)制造工業(yè)中的重要性不言而喻。但轎車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)研究。
轎車(chē)車(chē)身車(chē)體結(jié)構(gòu)如圖1所示,是由車(chē)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(chē)車(chē)身車(chē)體結(jié)構(gòu)
車(chē)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(chē)身整體剛性、車(chē)身NVH性能、車(chē)身局部剛性、車(chē)身強(qiáng)度、車(chē)身安全性、車(chē)身耐久性能、車(chē)身輕量化系數(shù)。
車(chē)身整體剛性關(guān)系到車(chē)身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等;車(chē)身NVH性能關(guān)系到車(chē)身模態(tài)、安裝點(diǎn)動(dòng)剛度等;車(chē)身局部剛性關(guān)系到車(chē)門(mén)下沉剛性、氣囊ECU固定點(diǎn)響應(yīng)頻率等;車(chē)身強(qiáng)度關(guān)系到車(chē)身上安裝件固定點(diǎn)強(qiáng)度、頂蓋雪壓強(qiáng)度等;車(chē)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(chē)身輕量化系數(shù)關(guān)系到車(chē)身的輕量化程度;車(chē)身耐久性能、耐蝕性則影響著車(chē)身的使用年限。在車(chē)身性能中,除個(gè)別性能與車(chē)身覆蓋件相關(guān)外,大多數(shù)性能是與車(chē)身結(jié)構(gòu)件相關(guān)的。
轎車(chē)車(chē)身作為承載式車(chē)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(chē)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。
將車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)中的縱向梁是車(chē)身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,它決定著車(chē)身的正面耐撞性和彎曲剛度水平。車(chē)身前縱梁、邊縱梁、頂蓋邊梁及前托架等構(gòu)成了車(chē)身的縱向梁。
2.1.2 橫向梁結(jié)構(gòu)
車(chē)身橫向梁主要位于車(chē)身底板位置和車(chē)身頂蓋位置,是車(chē)身整體結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分,也影響著車(chē)身的側(cè)面耐撞性。
2.1.3 立柱結(jié)構(gòu)
車(chē)身立柱主要位于車(chē)身側(cè)圍處,側(cè)圍A,B,C柱都是車(chē)身立柱的組成部分,車(chē)身前后端也有立柱結(jié)構(gòu)。車(chē)身立柱連接車(chē)身頂蓋與車(chē)身底板,除了支撐車(chē)體外,對(duì)抗擊車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,共同組成框架式車(chē)身結(jié)構(gòu)。對(duì)車(chē)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(chē)身的性能。車(chē)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(chē)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)。
2.2.1 斷面結(jié)構(gòu)
斷面指的是車(chē)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(lèi)似。車(chē)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(chē)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(chē)身中的接頭結(jié)構(gòu),為了避免車(chē)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(chē)身上安裝點(diǎn)大致可以分為2類(lèi):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(lèi)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(chē)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。
綜上所述,車(chē)身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方法的論述設(shè)計(jì)某轎車(chē)車(chē)身,在追求高剛性、高強(qiáng)度、高安全性的同時(shí),注重車(chē)身零部件的功能集成性設(shè)計(jì),注重車(chē)身的輕量化。此外,在車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)。其中,車(chē)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。
車(chē)身性能的仿真分析見(jiàn)表1.與同級(jí)車(chē)相比,性能較優(yōu)。
表1 某車(chē)型車(chē)身性能
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。
總的來(lái)說(shuō),轎車(chē)車(chē)身是個(gè)具有雙重功能的工藝美術(shù)品,雖然我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)已經(jīng)取得了不俗的成就,然而轎車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)還有待優(yōu)化。本研究對(duì)車(chē)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(chē)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)。
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[2]陳洪亮.轎車(chē)車(chē)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〕