第四章 车身结构刚度和动力学性能设计
汽车车身结构设计模块刚性和轻量化的平衡
汽车车身结构设计模块刚性和轻量化的平衡汽车车身结构设计一直是汽车制造领域的重要课题之一。
在汽车制造中，车身结构不仅要承载车辆的各种动态和静态荷载，同时还需要具备一定的刚性和轻量化特性。
如何在这两方面进行平衡，是汽车设计工程师们长期面临的挑战。
首先，让我们来看一看车身结构设计中的刚性要求。
汽车在行驶过程中会受到各种来自路面、转向、制动等方面的力的作用，而车身结构的刚性决定了车辆在受到这些外力的时候是否会产生过大的变形或者振动。
因此，一个具有良好刚性的车身结构能够提高汽车的稳定性和操控性，保障乘客的安全。
为了加强车身结构的刚性，汽车设计工程师们通常会使用高强度材料或者通过增加结构件来强化车身的整体刚性。
然而，在追求刚性的同时，轻量化也是汽车设计中一个至关重要的考虑因素。
轻量化不仅能够降低汽车的整体重量，提高燃油经济性，还可以减少对环境的污染。
轻量化设计通常采用了更轻的材料，如铝合金、碳纤维等，以替代传统的钢材结构。
此外，一些先进的制造工艺和设计技术也能够帮助汽车设计师们在轻量化的同时保证车身结构的强度和安全性。
为了实现刚性和轻量化的平衡，汽车设计工程师们需要在设计过程中进行全面综合的考虑。
他们需要根据车辆的使用环境、功能要求、材料特性等因素来确定最佳的车身结构设计方案。
在这个过程中，结构优化和仿真技术是非常重要的工具。
通过结构优化，工程师们可以在不断调整设计方案的过程中找到一个最佳的平衡点。
而通过仿真技术，他们可以对车身结构的性能进行全面的评估，发现潜在的问题并提出改进方案。
此外，汽车制造领域的快速发展也为实现刚性和轻量化的平衡提供了更多的机会。
新材料、新工艺的应用不断推动着汽车设计与制造的技术水平提升。
例如，3D打印技术可以以更加灵活的方式制造出复杂形状的零部件，从而减少材料浪费，提高结构的刚性和轻量化水平。
此外，智能制造技术的应用也为汽车制造业带来了新的发展机遇，可以更加精确地控制材料的使用和工艺的执行，从而实现更加优化的车身结构设计。
车身结构与设计知识点
车身结构与设计知识点车身结构是指汽车各部件在空间内的布置方式以及各部件之间的连接方式，是汽车设计中的重要一环。
合理的车身结构不仅关系到车辆的安全性能，还与车辆的外观设计、空气动力学性能、乘坐舒适性等方面有着密切的联系。
在本文中，将介绍一些常见的车身结构及与之相关的设计知识点。
一、车身结构类型1.承载式结构承载式结构是指整车的车身作为车辆的主要承载构件，承担起传递车辆各种载荷作用的功能。
这种结构的优点是刚性好、稳定性高，具有较好的操控性和安全性能。
常见的承载式结构包括钢板焊接结构、铝合金焊接结构等。
2.非承载式结构非承载式结构是指车身与底盘分离，底盘负责传递车辆的各种载荷，而车身只起到保护乘员和装饰的作用。
这种结构的优点是重量轻、成本低，但刚性和稳定性稍差，安全性能相对较低。
常见的非承载式结构包括车厢式结构、篷式结构等。
二、车身设计知识点1.材料选择车身的材料选择直接关系到车辆的安全性、重量和成本等方面。
常用的车身材料包括钢铁、铝合金、碳纤维等。
钢铁具有较好的刚性和强度，但重量相对较重；铝合金轻质、抗腐蚀性好，但成本较高；碳纤维重量轻、强度高，但价格昂贵。
2.风阻系数车身的设计还需要考虑车辆的空气动力学性能，其中一个重要参数就是风阻系数。
风阻系数越小，车辆在高速行驶时产生的阻力越小，能够提高车辆的燃油经济性和稳定性。
通过优化车身外形和细节设计，如减小前进气口尺寸、增加风挡角度等措施，可以降低风阻系数。
3.车身强度车身的强度是保障车辆安全性的关键要素。
要使车身具有足够的强度，设计中需考虑到正面碰撞、侧面碰撞、滚翻等不同类型的碰撞情况。
通过增加车身的受力结构、使用高强度材料、合理布置吸能结构等方式，可以提高车身的强度。
4.乘坐舒适性车身设计还要注意乘坐舒适性的问题。
包括减少噪音、减震、优化座椅设计等等。
通过合理布置隔音材料、减少车辆共振、优化悬挂系统设计等方式，可以提高乘坐舒适性。
总结：车身结构与设计知识点是汽车设计过程中需要重点关注的内容。
汽车空气动力学第四章 汽车空气动力学设计
2.车身正面
1) 宽而低的扁平形。 2) 采用无棱角的扁平和圆形过渡。 3) 当驾驶室要求有必要的棱角时，在腰线部位可装置倾斜的侧翼，使其圆 滑过渡。
2.车身正面
• 1)把车身设计成楔型或快背式，车前端尽量压低，俯视图多呈半圆形， 前风窗与发动机罩、顶盖与侧面的过渡部分圆滑光顺，前风窗与水平 面的夹角一般在25°～33°之间。 2)汽车设置前、后扰流板等空气动力学附加装置，以改善气流状况、降 低阻力和升力。 3)车身底面平滑化，或加设光滑底板，以降低阻力和升力。 4)车身外表尽量减少凸凹面和突起物，如门把手平滑化，风窗玻璃、门 玻璃尽量与框平齐，雨水槽采用隐蔽式，车轮加外护罩，外后视镜加 流线型护罩。 5)控制发动机冷却气流，强制空气处于有利流动的状态， 提高冷却性能，减小行驶阻力。 6)车身细部形状最佳化，通过反复修改外形，达到最佳气动外形设计效 果。
3.形状阻力和表面摩擦阻力的估算
3.形状阻力和表面摩擦阻力的估算
图4-5 基本外形车的阻力系数、升力系数的比较
3.形状阻力和表面摩擦阻力的估算
图4-6 ″-
/A的关系
4.细部形状的修正
表4-1给出了内部阻力及细部形状的修正，修正值为
（4-4）
三、气动阻力的估算值转换为实车阻力值
1.气动阻力系数估算值转换为实车的值 2.估算值的精度确认
1.升力的估算
升力可用下式进行估算
（4-1）
1.升力的估算
图4-3 升力计算模型 α—俯仰角 /100L—挠曲度
2.诱导阻力的估算
• 诱导阻力是由于翼端涡的影响而诱起的阻力，它 是由车身上下表面的压力差而产生的升力的水平 分力，可根据下式用升力系数求出
（4-2）
2.诱导阻力的估算
第四章 悬架性能匹配计算
北京理工大学振动与噪声控制实验室 1
轿车悬架性能匹配计算模型
描述轿车悬架性能的模型很多，这 里简要介绍最常用的动力学线性模型
¼轿车动力学模型 双轴汽车动力学平面模型 整车7自由度动力学模型
2
¼ 轿车动力学模型
福特产Granada轿车1/4模型 如右图示，参数如下1/4车体质量 Mb=317.5kg，车轮质量Mw=45.4kg,
图中纵轴为车轮动载（kN），横轴为固有频率（Hz） 16
¼ 车模型小结
悬架评定的三个指标在不同的阻尼比和固有频 率下变化趋势不一致，在悬架设计时要兼顾三 者的影响
对于轿车悬架动行程可以小一些，因为悬架击 穿的概率比较小，这样，为了降低车体加速度， 固有频率可以低一些；若行驶路面差，为减小 悬架击穿概率，设计时可以增大阻尼比
0 Ff
0
M wr z3 ktr (xor z3 ) Fr 0
当俯仰角较小时，可以近似的认为：
z2 zb a
z4 zb b
则前述（***）式可变为：
z1
1 M wf
[ktf
( xof
z1) Ff
]
z2
车体俯仰运动方程：
IP [csA (xwA xbA ) k sA(xwA xbA ) csB (xwB xbB ) k sB(xwB xbB )]a
[csC (xwC xbC ) k sC(xwC xbC ) csD (xwD xbD ) k sD(xwD xbD )]b 0
对以上两式取模，可得其幅频特性：
令
1
0
2
汽车车身结构的强度与刚度优化
汽车车身结构的强度与刚度优化汽车的车身结构对于汽车的强度和刚度有着至关重要的作用。
强度和刚度是指汽车车身在受力情况下抵抗外界力量的能力和保持形状稳定度的能力。
为了提高汽车的安全性和乘坐舒适度，汽车制造商在设计和制造过程中注重对车身结构的强度和刚度进行优化。
本文将就汽车车身结构的强度与刚度优化进行探讨。
一、汽车车身的强度优化汽车车身作为汽车的主要承载部件之一，其强度优化是保证汽车在受到碰撞等外部力量时保持结构完整的关键因素。
强度优化主要涉及以下几个方面：1. 材料选择与设计：汽车车身主要采用高强度钢材料，例如高强度钢板和高强度铝合金等，以提高车身的抗拉强度和抗压强度。
同时，结构设计上考虑到不同部位的应力分布情况，合理选择截面形状和连接方式，以增加车身整体的强度。
2. 刚性车身框架：刚性车身框架是汽车车身结构的基础，通过合理设计框架的形状和加强梁的设置，可以提高车身的整体刚度和强度。
此外，采用焊接、胶接等粘接技术可以增加零件之间的接触面积和接触强度，提高整体结构的刚性。
3. 正确的加强部位：在车身结构中，对于承受较大载荷的部位，如前后防撞梁、侧门梁等，在设计中应给予特别加强，以增加这些部位的强度和刚度，保护乘客在碰撞时能够得到更好的保护。
二、汽车车身的刚度优化刚度优化是指汽车车身在受到力量作用时保持形状稳定度的能力。
刚度优化能够提高汽车的操控性能和乘坐舒适度，有利于车辆稳定行驶。
以下是刚度优化的主要方面：1. 车身阻尼控制：通过在车身结构中增加阻尼材料或减振器等装置，可以有效减少车身在行驶过程中的振动和共振现象，提高车身的刚度。
这样可以有效降低噪音和震动，提高乘坐舒适度。
2. 车身加强件设置：在车身结构中适当设置加强件，如抗扭转梁、加强筋等，可以增加车身整体的刚度。
这样有利于提高车辆的操控性能，并降低车身变形的可能性。
3. 材料选择与设计：合理选择材料和结构设计，以提高车身的刚度。
比如，在车身设计中采用单体式设计，将车身各部分有机地组合在一起，可以增加车身的整体刚度。
第3章汽车车身结构分析与设计【汽车车身结构与设计】
2）车身结构设计时应充分考虑结构强度、抗弯扭刚度、制造工艺等，确保 其安全性，同时应满足防尘、隔声、降噪性能等设计要求。优良的结构设计可 有利于实现轻量化，从而改善整车性能，降低成本。
车身前部的结构设计必须使其能有效地吸收冲击能量；
前围板总成应有可将外部空气导入车室内的通风口，并具有阻止发动机 噪声透过前围板传入乘坐室的作用 ；
还要在散热器框架周围安装前照灯、散热器和空气冷凝器等 。
（2）中部 轿车中部是乘坐室部分，主要承受分散在地板上的重力，如车身 装备和乘员的重力、悬挂在门柱上的车门重力等。
a) 分块方法一
b)分块方法二
1-底架 2-门槛 3-中柱 4-前柱 5-前轮罩 6-前围 7-顶盖 8-侧壁 9-前围窗框 10-后风窗
2） 从前、中、后三部分车身总成考虑 （1）前部 车身前部敞开部分承受较大的集中力，如动力总成、散热器、前 板制件的重力和前悬架支承力等 ，这些力主要由两根对称的前纵梁支承，并 传至整个车身前部结构；
工艺分离面一般采用不可拆卸的连接方法，如焊接、铆接等。它们最 终构成一个统一的刚性整体。
3.1.3 车身结构件的分析与设计
轿车行驶时，车身不仅要受到在垂直方向上的车身自重和固定在车身上的 所有总成和设备的重力，以及乘员和行李的重力作用，同时还受到由悬架 和轮胎传来的侧向力与纵向力，以及惯性力和空气阻力等，有时还会受到 碰撞载荷的作用，这些力都是由车身的承力结构件来承担。因此，车身结 构件是保证车身所要求的强度和刚度的基础构件。 1. 车身结构件分类 1）功能件 如车身底架纵梁、门立柱、窗框、门槛等。 2）加强件 结构加强件主要用于增强板件的刚度，提高各构件的连接强度。 如车门加强板用以提高附件安装部位的刚度和连接强度。再如地板加强横 梁、车门铰链安装加强板等。 3）非承载构件 它是为安装附件而设置的，如顶盖上为安装顶窗而设置的框 架等。
1-4汽车车身刚度
授课内容汽车车身刚度授源自学时1学时教学目的
能正确认识车身的刚度
教学重点、难点
车身刚度理解
教具和媒体使用
多媒体课件、板书
教学方法
讲授法
教学过程
汽车车身刚度分析
主要从以下几个方面介绍车身刚度：
（1）车身前、中、后部位刚度
（2）立柱结构刚度
（3）梁的结构刚度
（4）覆盖件结构刚度
作业、思考
1..判断题
__________________________________________________________________4..根据下图，请简述下这样做的好处。
__________________________________________________________________
轿车前部刚度小，车头中部刚度稍大，乘坐区刚度最大，尾部刚度小。（）
2..看图正确连接
3..根据下图，如发生碰撞会出现什么情况？
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
________________________________________________________________
_________________________________________________________________
第四章_汽车外形设计与空气动力学 PPT
气压中心在质心之后：
气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。
5.侧向气流和空气动力稳定性
车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动 力稳定性越好。
形心
形心
发动机盖应向前下倾
风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。
调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等处造 型的倾斜角度能有效地减少阻力、升力的产生。
后轮前导板 后轮后导板 前轮前导板
前轮前导板
后轮前导板 后轮后导板
c、轮罩 为了减轻轮子转动对气流的干扰，安 装如图4－55所示的轮罩，有的车在侧面加金 属盖板将侧面屏蔽起来，也可起到屏蔽作用，
对于前轮，为了灵活转向在盖板周围设有特
殊橡胶，可不妨碍转向。这种盖板或轮罩可 使下降9％。
6.汽车空气动力学装置
• 顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）
• 轿车的横截面积分布和气流压力梯度
1.空气动力学基础知识节
气流分离现象(flow separation)
当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆 压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附 面层内，流动尤为困难。
前四种为压力阻力。
Cd总值：0.45 A—形状阻力(Cd=0.262)； B—干扰阻力(Cd=0.064)； C—内部阻力(Cd=0.053)； D—诱导阻力(Cd=0.031)； E—摩擦阻力(Cd=0.040)。
3.空气阻力
3.2 形状阻力
形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。
前风窗对空气阻力的影响 • 前风窗对气流的影响 • 减小前风窗处空气阻力的措施
结构动力学的刚度系数柔度系数通用课件
扭曲刚度系数计算
扭曲刚度系数定义
01
扭曲刚度系数是衡量结构在扭曲载荷下抵抗变形的能力的系数。
扭曲刚度系数的计算公式
02
扭曲刚度系数可以通过结构材料的弹性模量和截面极惯性矩计
算得出。
扭曲刚度系数的物理意义
03
扭曲刚度系数越大，表示结构在扭曲载荷下的变形越小，结构
的抗扭能力越强。
复合受力下的刚度系数计算
分析方法
通过对处理后的数据进行统计分析、曲线拟合、模式识别等，可以进一步分析结构的动力学特性，包括固有频率、 阻尼比等参数。此外，还可以通过对比不同结构的响应数据，评估不同结构的动力学性能。
实验结果及讨论
实验结果
实验测得了不同结构在不同激振条件下的响 应数据，包括加速度和位移。通过对数据进 行处理和分析，得到了不同结构的刚度系数 和柔度系数以及相关的动力学参数。
刚度系数和柔度系数是结构动力学中两个重要的概念，可以反映结构的刚度和柔度性质。
本文通过理论和实例分析，对结构动力学中的刚度系数和柔度系数进行了详细阐述，并介绍了它们在工 程实际中的应用和意义。
对未来研究的展望
随着科学技术的发展，结构动力学的研究领域将不断扩大，对刚度系数和柔度系数 的认识也将更加深入。
复合受力下的柔度系数的计算
复合受力下的柔度系数可以通过结构在复合力作用下的变形量进行计算。
03
复合受力下的柔度系数的影响因素
复合受力下的柔度系数受到材料性质、截面形状、边界条件等因素的影
响。
04
刚度系数与柔度系数的应用
在结构设计中的应用
刚度系数
在结构设计中，刚度系数是用来衡量结构抵抗变形的能力。通过计算和分析刚度 系数，可以确定结构的稳定性、承载能力和振动特性。
汽车总体设计—第四章
第4章万向传动轴设计教学提示：万向节传动用于不同轴线的两轴间或在工作过程中相对位置不断变化的两轴间的动力传递。
本章主要讲解万向节的分类、工作原理，万向传动的运动和受力分析、万向节设计、传动轴结构分析与设计等基本内容，还介绍了万向传动轴的设计实例。
教学要求：了解等速万向节、准等速万向节和不等速万向节的结构方案，传动轴的中间支承结构，熟练掌握十字轴万向节的设计计算、传动轴的设计计算。
通过设计实例深入理解和掌握万向传动轴的设计过程。
4.1 概述汽车上的万向传动轴，由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。
在工作过程中，在汽车上有些轴之间的相对位置不断发生变化，例如，变速器输出轴和驱动桥输入轴之间。
为解决这些轴之间的动力传动问题，就需要使用万向传动装置。
对于长轴距的汽车，还需要加装中间支承。
万向传动装置的布置方案如下：(1) 驱动桥与变速器之间距离不大时，常采用两个万向节和一根传动轴的结构。
(2) 当驱动桥与变速器相距较远时，常将传动轴断开成两根(或三根)，万向节用三个(或四个)，如图4.1(a)所示。
此时，必须在中间传动轴上加设中间支承。
缩短传动轴长度的目的主要是提高传动轴的临界转速，以免工作时发生共振。
(3) 越野车的万向传动装置(不包括转向驱动桥上的等角速万向节)如图4.1(b)所示。
万向节所连两轴之间的夹角范围：一般货车≤15°～20°；4×4越野车≤30°。
(4) 转向驱动桥常采用球叉式和球笼式等速万向节，如图4.1(c)所示，其最大夹角(相应为车轮最大转角)可达30°～42°。
(5) 后驱动桥为独立悬架结构时，也必须采用万向节传动，如图4.1(d)所示。
(6) 变速器与离合器(或分动器)不直接相连时，它们之间也需要采用万向节传动，如图4.1(b)所示。
这是为了避免因安装不准确和车架变形在传动机构中引起附加载荷。
此时多采用普通十字轴万向节或柔性万向节，其工作转角范围一般不大于2°～3°。