车身结构分析与设计

1 车身结构分析与设计 1 概述 在进行汽车车身结构设计之前，必须首先确定车身的承载型式。 当车身总体尺寸和形状，以及承载的结构型式确定后，即可着手进行细致的结构分析与设计。 一、车身结构设计的步骤 1．确定车身由哪些主要的和次要的构件组成，使其成为一个连续的完 整的系统； 2．确定主要杆件采取何种截面形式——闭式或开式； 3．确定：·如何构成这样的截面； ·截面与其它部件的配合关系； ·密封或外形的要求； ·壳体上内外装饰板或压条的固定方法； ·组成截面的各部分的制造方法及装配方法。 4．绘制由一个截面过渡到另一个截面的草图、各部件连接草图，以及 与此同时所形成的外覆盖件（骨架、蒙皮）草图； 5．将车身总成划分为几个分总成——地板、侧围、前后围、顶盖等， 绘制各分总成草图；——注意标明各总成的连接型式，以便与工艺 部分进行协商； 6．应力分析计算； 7．详细的结构设计（包括主图板设计），画出零件图。 在进行上述具体设计前，首先要了解对车身结构设计的要求，以及如何实现这些要求。 二、大客车的车身结构 1． 组成：

有车架式结构——可以独立行走； 无车架式结构——必须与车厢成为一体方可行走。 按作用于车身上的外力由车身的哪一部分承担，车身构件结构可分为：

②骨架结构—利用车身骨架作为强度部件。

2．特点

①应力蒙皮结构 一般与无车架结构配合使用，亦称薄壳结构。 优：·骨架比较细小，承力相对较小—由飞机演变； ·整体刚度、强度较高，自重较轻，生产率高。 缺：·车窗开口不能太大，窗立柱较粗；

式结构两种。有车架式结构和无车架—下部结构性。一整体，保持车身的刚其构成，盖及内饰、附件等组成前后围、左右侧围、顶—上部结构车身结构 2 1度部件。利用车身内蒙皮作为强—应力内蒙皮构造度部件；利用车身外蒙皮作为强—应力外蒙皮构造应力蒙皮结构 ① 2

·因采用铆接装配，工艺复杂； ·施工过程振动、噪声大，铆钉裸露在外，影响美观。 ②骨架结构 骨架一般由扭转刚性很高的封闭断面的矩形管构成，因此强度和刚度较高，外蒙皮只起装饰作用。 优：·改变客车外形比较容易； ·门窗开口部可以增大； ·外蒙皮无铆钉，可以实现较漂亮的外观； ·采用合理的设计（优化）可以减轻重量。 缺：·所有零件均由焊接装配，焊接质量不易掌握； ·型材防腐问题难度较大。 从强度与重量的协调来看，薄壳结构是较合理的结构。 车身的上部结构中，由于有车门——乘客门、司机门、安全门等，车门处都是大开口，因此窗柱对车身的刚性影响很大。 近年，由于采光面积的增大、视野的扩大以及车门的大型化，要求窗立柱尽量变细。——必须在结构设计上特别注意。

2 车身的承载类型 出于各种不同的目的和要求，汽车的品种很多，车身形式各异。 汽车结构不断推陈出新，新老结构交织在一起，难以准确下定义和统一命名。普遍认为，从结构和设计观点出发按车身承载型式进行分类，是较为明确、合理的。 汽车车身按承载型式，可分为： 一、非承载式

——有车架式，由车架承受主要载荷 1．框式车架： ·边梁（或梯形）车架

·周边式车架 2．脊梁式车架 3．综合式车架 二、半承载式 ——仍有车架，但强度、刚度比非承载式车架低，车身在工作时也承 担部分载荷，以减轻车架自重。 三、承载式（无车架式）

1．基础承载式——车窗以下为主要承载件，窗立柱以上为非承载件（承 载较少） 2． 整体承载式——整个车身都参与承载，车身上下部构成一个统一的整体，受载时以强 济弱，使整个车身壳体达到稳定平衡状态。

3 骨架结构与设计 骨架是客车车身的结构主体，与底盘车架一起承受静态和动态载荷。 一、组成 3

客车车身骨架一般由五部分组成： ①顶盖骨架——车身顶盖的骨架，将前后、左右骨架连在一起构成封闭结构。同时，供安装

空调部件、通风扇（窗）、灯具、行李架、拉（扶）手等附件； ②前围骨架——客车前面（正面）车身的骨架，供安装仪表板、前灯具、保险杠、雨刮、

前风窗等； ③后围骨架——客车后面（背面）车身的骨架；供安装后风窗、后门、后保险杠、后灯等；

④左侧围骨架——客车左侧面车身的骨架，供安装侧窗、司机门、安全门、行李舱门等；

⑤右侧围骨架——客车右侧面车身的骨架，供安装侧窗、乘客门、行李舱门等；

五部分骨架和车架（包括地板支架）组焊在一起，构成了客车车室的围护结构。 二、影响客车车身强度的构造因素

1．车身骨架结构的拓扑形式 指车身构造由什么形状的构件，多少构件，这些构件如何构成各（何）种形状等，以及外形和尺寸等重要参数。 如：车身结构是否有蒙皮承载、是否有斜拉杆承载，有无大梁、边梁，车长、轴距、车宽、车高的尺寸等。 这些因素通常称为车身构造拓扑。 2．车身结构构件的尺寸 完成拓扑形式设计后，各构件的设计（纵、横梁、窗立柱等）是车身结构设计的第二个内容。——这些构件的尺寸与车身强度、刚度密切相关。 3．构件交叉点（交接点）的结构设计和组焊工艺 外形和结构元件设计完成后，这些构件如何组焊，结合点的结构、搭接方式、加强板结构及组焊工艺等都会对车身强度和寿命产生影响。 优秀的车身设计应根据产品的用途、使用条件、载荷大小、经济性要求、轻量化原则等——给出一个合理的拓扑形式——选定适当的构件尺寸——设计这些构件的联结结构和组焊工艺。只有这样，才能产生一个强度、寿命合适，结构轻巧，满足使用要求的产品。 上述三因素密切相关。 三、车身的侧围

——与车架结合，构成了保证车身必要的弯曲刚性的主元。 特点： ·按结构需要必须开设：车门、车窗及轮拱等开口；

·主要承受弯曲和扭转载荷。 要求： 1°保证车身功能性——门、窗等；

2°保证强度和刚度。 1．结构型式： ①采用轻金属材料的侧围结构

特点：a）以大断面的窗上沿梁作为上承载单元，下承载单元由底盘纵梁构成；

b）采用大断面的封闭断面式门框结构和前后立柱结构，确保侧围能承受较大的 弯曲和扭转载荷。 该结构适用于采用轻金属材料的侧围结构——如铝合金车身——近年西方大客车流行的 一种结构。 ②钢质材料的侧围结构 主要承载单元由腰围梁、底盘纵梁和地板纵梁组成的侧围结构。 特点：a）采用封闭断面的异型钢管材料或冲压焊接成型的封闭断面钢

质材料组焊而成； b）主要承载单元由窗下沿梁（腰围梁）、地板围梁以及地板纵 梁组成； c）车门处薄弱点由大断面的门框结构组成。 4

该结构适用于普遍采用的钢质异型管车身结构，通过合理的结构设计，可以保证侧围骨架有较大的强度和刚度。 2．结构分析 ——构件的结构尺寸、连接方式、侧围与车架的连接方法、强度、刚度分析等。 ① 决定客车车身强度的因素：·车身侧壁构件的结构尺寸； ·构件的连接方式； ·侧围与底盘车架的连接方式。 ②侧围结构型式对车身强度有较大的影响 如侧窗、车门等。随着车窗开度的增大，影响更为明显——大开口破坏了整体的刚度。 ③电测和电算结果表明 侧窗高度h0增加→车身扭转刚度下降→窗立柱、梁构件的工作应力增大，但高应力区仍在窗立柱和门立柱上； ④若保持车身高度不变 减小侧窗高度，车身强度随之改变。办法是： 1°提高窗下沿梁→整车扭转刚度↑，窗立柱和梁构件的工作应力↓； 2°降低窗上沿梁（上边梁）→顶盖弯度↑，水平抗剪刚度↓——部分 抵消了因侧窗高度降低而带来的增益，使整车扭转刚度有所降低—→窗立柱内弯矩↓。 ⑤侧围立柱不仅承受顶盖传来的静载荷，还承受大量的动载荷 转弯、制动时。为此应在侧围一定位置设立宽立柱或双立柱带连接板——如门立柱，前后立柱，前后桥区域等。 采用上述措施，能有效地降低其它窗立柱的内应力。 ⑥窗立柱的弯曲力矩大小，取决于窗立柱与顶盖的连接方法。 受扭时，侧围和顶盖间将产生边界力F，F使窗立柱产生弯曲： ·若窗上沿梁不具备抗弯刚度，则力Pi的力臂将等于窗立柱的全高h0；

·若窗上沿梁能承受固端力矩，力臂↓→21 h0。 ∴增加窗上沿梁刚度→能降低窗立柱应力。 ⑦一般车身杆件抗拉压能力>抗弯曲能力（且大得多）。 充分利用杆件抗拉压能力——采用斜撑结构。 优点：采用斜撑结构→可使骨架式车身结构的侧围构件的弯矩↓，轴向力↑→窗立柱应力↓

——所以采用斜撑可充分利用材料的力学特性，有效地提高结构的强度和刚度 缺点：轴间开门的车身结构→↑车身刚度的不均匀性→车门处应力↑——必须注意对车门处

的加强，从而保证车身扭转刚度分配均匀。 ⑧左右侧围因车门开度的存在而刚性不一。设计时不应对有开口的侧围过分加强→破坏左右侧围的刚度平衡。 正确做法：按电测、电算资料，对开口部位进行适当加强，以保证左右侧围刚度均匀。

四、车身顶盖 1．特点： 1° 连接侧围，协同侧围一起工作；

2° 车身受扭时，顶盖主要以剪切变形为主； 3° 具有安装顶窗（通风扇）、行李架、顶灯、空调装置、 扬声器、扶手等开口（或孔）； 4° 与侧围、前后围、地板一道构成车室空间整体。 2．结构分析 ①若车顶抗剪刚度较小，将使左右侧围的相互联系减弱→↓车身的扭转刚度； 所以，↑车顶抗剪刚度，合理匹配车顶和侧围刚度，是提高车身扭转刚度的重要途径之一。