(胡宁. 轿车车身结构设计分析. 汽车研究与开发,1996,(5).)

    轿车车身结构设计是以车身造型设计为基础进行车身强度设计和功能设计,以期最终找到合理的车身结构型式的设计过程的统称,其设计质量的优劣关系到车身内外造型能否顺利实现和车身各种功能是否能正常发挥。所以说,它是完成整个车身开发设计的关键环节。

    结构设计必须兼顾造型设计的要求,同时应充分考虑诸如结构强度、防尘隔噪性能、以及制造工艺等多种设计要求。优良的结构设计可以充分保证汽车整车质量的减小,进而达到改善整车性能、降低制造成本的目的。

    完成车身结构设计首先需要明确车身整体的承载形式,并对其作出载荷分析,以便能使载荷在整个车身上分配合理。在此基础上,进一步作出局部载荷分析,确定各梁的结构形式和联接方式。因通常轿车存在使用目的和级别上的不同,故常常会产生具体结构上的差异,最终导致它们在功能和价格上的差别。总之,车身结构设计是一个涉及到多方面因素的综合工程设计问题,常成为车身设计开发中的难点。

    一、轿车车身的整体结构设计

    车身结构设计首先应以结构轻量化为准则,力求做到强度分配在车身整体上的合理性。为此,必须首先确定车身的主要载荷形式,其次了解载荷传递方式,进而选择合理的计算方法。根据汽车的实际使用特点,一般将弯曲、扭转和碰撞作为设计时车身所受三种典型载荷工况。

    由于轿车车身在整体上可以看作是一个由薄壁梁和薄板组成的框架结构,当假设作用力均作用在结构的节点上,且左右对称分布时,经过对节点受力作适当简化后,可建立车身承受弯曲载荷和扭转载荷的力学模型。利用该模型,采用一般的力学方法即可计算获得车身整体的载荷分布及变形图。若计算发现局部存在过大变形或过大载荷,应适当改变该处梁的断面形式,即通过改变断面系数来调整变形量和应力的大小。

   碰撞载荷是汽车车身在使用过程中遇到的极端载荷情况。为了有效地保护成员的安全,车身结构在整车上应符合两端软中间硬的原则,以保证纵向碰撞发生时,车身前部或后部吸收80%以上的碰撞能量。为此,可以通过合理分配力流和增加局部吸收碰撞能量的能力达到此目的。由于纵向碰撞发生时,能量的70%需由车身纵梁吸收,因此纵梁的作用尤为重要。碰撞时可依靠局部变形吸收能量,从而减少中部成员舱变形的可能性。局部变形可以依靠梁的局部弯曲或局部发生皱折实现。利用现代技术对中空管状梁内施以填充材料,还可以大大提高其吸收能量的能力。设计中,一般应在车身前部和后部预留50~80cm的空间供变形用。此外,因碰撞能量的30%要靠轮罩吸收,故需充分注意它与地板和纵梁的联接。

    二、局部梁结构设计

    梁结构设计除了考虑强度上的要求外,还应满足功能上的要求。由于轿车存在级别上的差异,对功能的要求也不尽相同,如宝马(BMW)3系列和7系列轿车A门柱断面结构。由于A门柱不但要将来自悬架的垂直力和前方纵向的碰撞力传向车顶和门槛梁,且在侧碰撞时,还将与B、C门柱一起构成抵抗侧向力的主要屏障,因此,在更高级别的7系列车型的A门柱梁中设置了内衬板结构,从而可使该梁的强度大大提高提高。此外,因为两车在级别上的差异,7系列车门比3系列车门多增加了一道密封圈,使其隔噪隔尘能力大为提高,所以,A门柱在结构上也需采取相应的措施。

    侧碰撞发生时,碰撞能量的大部分必须由B门柱承担,但通常该梁抵抗横向力的能力十分有限。为了在结构上保证侧碰撞时汽车的安全性,除了尽可能增大其截面积和采用腹板结构加强它与门槛的联接强度外,还应将车身侧围结构作整体考虑,即借助车门、车锁、门槛梁以及A、C门柱的相互联系,有效地将能量吸收区域扩展到车顶和地板。

    地板总成的关键部件是门槛梁和分置在其间的横梁。横梁可以起到防止地板折叠的作用。一般侧向要预留200~300mm的空间,供侧向的皱折变形之用。为了提高提高门槛抗弯强度,应尽量加大其断面尺寸。此外,也可以在门槛梁内增设衬板结构。

    车门内设置横梁已成为目前提高车身抗侧撞安全性的手段之一,如能将横梁设置在车身侧向受撞击的高度上,效果会更加明显。

    为了提高车身整体强度,梁的联接方式十分重要,应该避免采用那些缺乏传递某一方向的力或绕某一轴的力矩能力的联接结构,才能减少因联接不当造成的局部强度减弱。

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