启飞汽车

　　车身外型设计的两对矛盾 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。 车身设计关键技术 根据专家研究，设计不仅决定了产品的成本(产品成本的70%由设计决定)，也决定了产品的性能和质量。在进行整车开发和车身设计时，利用并行工程技术，着重研究整车碰撞标准、碰撞传力途径、车身轻量化、车身模态及刚度等关键技术来保证设计开发的质量。

　　目前，国际上各大汽车公司新推出的车型尺寸不断地往大里发展，以便在同级车里更有竞争力，这对车身的重量、刚度、安全性能产生了较大幅度的影响，给车身的设计增大了不少难度。

　　1 整车碰撞标准研究 车身设计首先要设定车辆的安全目标，随着自主品牌在国内市场的不断崛起和向国际市场的 不断渗透，充分了解目标市场的安全目标是非常重要的。对中国安全法规、中国新车评估程序(CNACP)、欧洲新车评估程序(ENACP)、韩国新车评估程序(KNACP)作一简单对比，见图1。可以看出各国的新车评估程序都有其相似之处，并且明显比法规的要求严格了很多。

　　新车评估程序(NACP)的主要操作方式是通过一系列公开发布的车辆碰撞试验结果，提供给消费者一个基于车辆正碰和侧碰等深层次碰撞研究基础上得到的精确车辆安全性能信息。这些公开的碰撞试验结果将对消费者在购买车辆时起到很重要的决定作用。

　　各国汽车安全法规对比 2 碰撞传力途径 ) 合理且有效地设计碰撞传力途径是影响最终车身获得安全星级的关键因素。

　　2.1 正碰传力途径 当车身遭受正面撞击时，前部的吸能缓冲区利用强韧的吸能材料尽可能多地通过变形吸收因 撞击产生的巨大能量，同时利用结构上的受力连续，未被吸收的冲击能量被分散到整个车身，使驾驶舱的框架受力相对均匀，保持其完整性或仅发生微小的形状变化，并以褶皱、加强筋等形状预先设置出材料的变形趋势，设计避开可能发生对乘员不利的危险变形，减少正面碰撞导致对驾驶舱的侵入和保持相对较低的碰撞减速度，以此保证乘员的安全。

　　一般将车身的前端分成3个吸能区，由保险杠缓冲梁和吸能盒组成，将接收到的碰撞能量进行左右分流和初步吸收，并通过它们将能量往区域2传递。缓冲梁一般设计成带有上下各4层褶皱的闭口截面梁，加上左右与发动机舱纵梁连接的3层褶皱吸能盒，在保证抗弯扭能力的同时，获得比较出色的吸能能力。

　　区域2，由发动机舱上下纵梁组成，有些车辆还增加底盘的副车架，一起形成车辆碰撞过程中最主要的吸能结构。

　　发动机舱下纵梁采用的是闭式的类矩形截面，超过2mm的加强板配合蛇形的弯曲形状使下纵梁的抗弯扭能力大辐度提高。利用发动机舱下纵梁出众的承载能力，三点安装的动力总成中左右纵梁占了两席，且为了避免一旦发生碰撞时动力总成窜入车体内部对前排乘员可能造成的危险，左右前纵梁靠近前围板的根部留有预设的凹槽结构，万一发生严重撞击，纵梁在重压下沿着该结构的变形趋势和发动机一起下沉，杜绝发动机窜入驾驶舱的可能。

　　发动机舱上纵梁由前悬塔状形罩板等零件组成，分担了部分从前部传来的碰撞力的吸收和向 A柱和前围及其加强梁的分散力的作用，无论是正面冲击载荷或是底盘传来的路况载荷都能在这一区域相对均匀地传递至整个车身，避免集中变形造成人员伤亡或大大降低乘坐舒适性的最坏结果。区域3为驾驶舱。其最主要目标是保证框架的强度和刚度，以求得最小驾驶舱变形，保证乘员的安全空间。

　　前围板及其加强板将受到的载荷迅速向两侧分散，通过S形的加强延伸板将前纵梁与地板 纵梁牢牢地焊为一体，一直贯穿整个底板直至车尾，实现了载荷的迅速分散。另外，厚实坚硬的仪表板安装横梁也将碰撞载荷分解到两侧的A柱，保证了乘员的安全。 A柱将传来的载荷沿A柱门框、门窗台加强板、门防撞梁和下部门槛及地板加强板向B柱 方向分散，确保框架的稳定性。

　　2.2 侧碰传力途径 优化的门槛加强板正好定位在碰撞的高应力区，B柱加强板(门框一圈所有零件)和座椅横 梁形成一个连续的设计，在门槛和中央通道间创建一个有效的侧碰屏障并使侧碰后门很容易打开，侧碰时门板的传力途径 当车辆受到侧面撞击时，撞击力除了通过地板横梁和顶盖横梁传递出去外，还通过车门防撞梁将力分解到A柱和D柱。除了提高车门防撞梁的屈服强度外，如何让撞击力通过车门防撞梁传递出去也是一个重要的研究方向。一般来说，让车门防撞梁和门框合理重叠是一个有效途径。另外，通过优化车门外板窗台加强板的结构也能起到辅助传力的作用。

　　2.3 后碰传力途径一般100%的正面后碰，能量首先通过后保险杠缓冲梁进行有效能量吸收，然后将剩余能量均匀分解并传递到车身后部左右纵梁。后部结构设计对保持框架稳定性和防止框架变形侵入损坏油箱起到至关重要的作用。

　　目前后碰的研究重点已由100%正面后碰提升到了后面偏置碰撞，根据北美FMVSS法规的最新要求，100%正面后碰不仅变为移动屏障70%偏置碰撞，碰撞速度更由以前的56km/h提高到80km/h，这样对我国新车出口提出了更高的设计要求。

　　为了满足新的更高要求，一般要从以下两点来重点考虑：首先，尽量多考虑将后保险杠缓冲 梁从冲击侧承受来的能量往非碰撞侧传递;其次，对后部框架的稳定性进行进一步加强。

　　具体在结构设计时除了考虑增大后保险杠缓冲梁和后纵梁连接面外，还要加强后围板防止产生侧向撕裂。最主要的一点是后纵梁也需要合理设置类似于正碰能量吸收结构。优化结构设计后的后纵梁产生的抵抗力有显著的提高

　　优化设计后的后纵果碰撞结果 3 车身轻量化 新车型在尺寸不断增大的情况下，整车的重量不允许大幅度增加，所以车身轻量化一直是国内主机厂的重点课题，但目前国内主机厂绝大部分主要采用板材减薄等方法，而一味的靠减薄来减重往往会忽略对车身性能的影响。 国际上则倾向于采用轻量化系数L来评价减重效果。

　　A为前后轮距和轴距所形成的四边形在水平面上的投影面积;CT为带固定窗的白车身静态扭转刚度;mBIW为不带门盖的油漆车身重量。我们的目标就是在保证车身刚度性能不变或提升的前提下，力求车身重量的减轻。L值越小越好。 车身减重主要是合理利用新材料、新技术和新设计来实现的，以下简要介绍主要的减重策略。 鉴于目前的轻量化和提高碰撞等级的要求，同时高强钢和普通钢的价格差距在缩小到合理范围内，而性能可以显著提高，现在车身设计中普遍采用高强钢。选择高强钢，可以减少零件数量、降低料厚和缩小结构盒状断面尺寸来达到减重的效果，并保证成本变化不大。图5是某国际新车型的下部车身钢材应用实际，可见一般钢材只占到了3成不到的比重。

　　某国际新车型下部车身钢材应用 另外，铝材、镁合金、工程塑料的大量采用对车身的减重也起到了很大的帮助。例如铝的发动机罩、镁合金的仪表板横梁或座椅支架、塑料的翼子板或举升门等，对整车重量的减小都有着很大的帮助。

　　同时也可以通过大量采用激光焊接不等厚零件、辊压成型件、合理减少焊接接头及其长度以及采用新的结构设计来达到减重的效果，在这方面的系统性研究很少。下面结合车身设计的实际情况，简要阐述通过车身结构优化提高车身刚度的方法和途径。

　　构成乘客舱的结构件尤其是A柱、B柱、C柱、门槛、前后风窗下横梁、顶盖前后横梁、侧围上边梁等部位的封闭式断面形状对车身整体刚度起到至关重要的作用。通常认为这些封闭式断面的截面面积或主惯性矩越大对白车身刚度越有利。但分析数据表明，刚度值随断面力学特性的变化可能反向变化，即刚度与断面主惯性矩或面积可能成反比。同时由于车身轻量化要求，也不可能一味地加大主断面。大量实例证明，通过CAE模拟刚度分析和实际刚度测试误差很小，结果是完全可以信赖的。因此，采用同步工程，借助于CAE模拟车身刚度分析和主断面相关零件的敏感度分析，找到最合适的主断面是车身设计的重点课题。一般车身结构重点研究的断面有30～50个，很多公司可以通过断面库很快选取合适的主断面，然后进行小的优化设计就可以保证车身刚度并达到好的设计效果，避免大量的重复计算和优化。

　　在确定好车身的主端面后，基本确定了车身的整体刚度，接下来就需要对辅助断面形状、接头形式、零件形状等方面进行优化以提高局部刚度。辅助断面形状、接头形式和零件形状的优化一般也可以通过CAE模拟来实现。通过改进结构设计减重的实例，以及改进辅助断面形状以提高局部刚度的实例，该实例同时达到了提高刚度和减重的双重作用，也再次证明了结构优化的重要性。

　　接头形式的优化包括优化接头的形状和连接方式等。零件形状的优化指的是在合适部位通过增加加强筋、翻边或其它一些特征来提高刚度，从而尽量减少加强板的采用。有时，在条件 受限的情况下，不改变接头形状，在接头处预埋高强度结构发泡材料，或不改变零件形状，在零件上增加非金属增强垫，也能起到提高车身刚度的作用。

　　在车身结构设计时，提高车身刚度还有多种方式：采用合理的分块，在车身结构上尽量避免 由很多小零件焊接而成的框架，例如目前采用较广的整体式侧围、门框等;不用焊接而直接采用液压成型的封闭式截面结构，例如B柱内加强板;在车身结构薄弱部位合理采用车身结构胶粘接加强，例如由于尖角造型造成后侧围与后尾灯支架焊接困难部位等。

　　4.2 车身模态 一般来说，车身静态刚度越高，动态刚度也越高，也就意味着车身静态刚度提高的同时也提高了车身模态。车身模态一般考虑前10阶，其中一阶模态是主要评价指标。对于轿车车身来说，一阶模态一般在20～80Hz，一阶模态越高，意味着车身动态性能越好，这是因为高频率模态不仅避开了人体比较敏感的低频震动，也可以保证整车具有动感的驾驶性，精准的操控性，最小的噪声振动频震影响：所以在保证整车模态较高的同时，也要保证底盘、发动机和变速器等关键零部件在车身连接点上具有较好的局部模态。

　　最后，除了研究上述整车碰撞标准、碰撞传力途径、车身轻量化、车身模态及刚度等关键技术以外，还要关注整车平台共用性、尺寸工程、CAE模拟、试验甚至生产中的冲压、焊接、装配乃至物料配送工序，不仅能有效提高车身自主技术开发水平，同时也可以达到成本、质量和性能的综合最优。

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