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轿车车身结构件分析与设计技术

2017-10-24邓骞

科技与创新 2017年20期
关键词:顶盖结构件立柱

邓骞

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东 广州 510000)

轿车车身结构件分析与设计技术

邓骞

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东 广州 510000)

车身是轿车的关键总成,它的结构件影响了整车的性能,决定了整车的力学特性。基于汽车的各种性能,对轿车车身结构件进行设计是目前汽车技术中的一个热点研究内容。主要对轿车车身结构件的设计技术进行了分析,系统地探索了轿车车身结构的设计方法。研究发现,在某三厢轿车车身结构设计中采用该设计方法是可行的,具有较好的性能。

结构件;车身性能;三厢轿车;构件设计

轿车车身是轿车的重要组成部分,车身结构件的合理与美观直接影响了整车的质量,车身结构设计直接决定了整车的安全性、舒适性、美观性以及由车身外形与空气动力性能决定的操纵稳定性、动力性、经济性等。因此,轿车车身结构件设计在汽车制造工业中的重要性不言而喻。但轿车车身结构件设计是极其复杂的系统工程,因此,开展了轿车车身结构件的设计研究。

1 车身性能要求

轿车车身车体结构如图1所示,是由车身底板总成、侧围总成、顶盖总成、后围总成、后隔板总成等几部分构成的。

图1 轿车车身车体结构

车身结构设计在满足造型面、总布置、人机工程和安装空间的前提下,还要满足诸多性能目标要求。这些性能包括车身整体刚性、车身NVH性能、车身局部刚性、车身强度、车身安全性、车身耐久性能、车身轻量化系数。

车身整体刚性关系到车身的弯曲刚度、扭转刚度等;车身NVH性能关系到车身模态、安装点动刚度等;车身局部刚性关系到车门下沉刚性、气囊ECU固定点响应频率等;车身强度关系到车身上安装件固定点强度、顶盖雪压强度等;车身安全性关系到碰撞性能、座掎固定点强度、安全带固定点强度、顶盖抗压强度等;车身轻量化系数关系到车身的轻量化程度;车身耐久性能、耐蚀性则影响着车身的使用年限。在车身性能中,除个别性能与车身覆盖件相关外,大多数性能是与车身结构件相关的。

2 车身结构件的设计方法

轿车车身作为承载式车身,是由众多的梁相互连接构成的框架式结构,当受到载荷冲击时,结构合理的车身能使载荷沿着相互连接的梁向四周发散性传递,实现克服应力集中的效果。

2.1 车身整体结构设计思路

将车身整体结构中的关键部分提取出来可细分为纵向梁结构、横向梁结构、立柱结构及环状路径结构等。

2.1.1 纵向梁结构

车身结构中的纵向梁是车身结构的关键组成部分,它决定着车身的正面耐撞性和弯曲刚度水平。车身前纵梁、边纵梁、顶盖边梁及前托架等构成了车身的纵向梁。

2.1.2 横向梁结构

车身横向梁主要位于车身底板位置和车身顶盖位置,是车身整体结构中不可或缺的组成部分,也影响着车身的侧面耐撞性。

2.1.3 立柱结构

车身立柱主要位于车身侧围处,侧围A,B,C柱都是车身立柱的组成部分,车身前后端也有立柱结构。车身立柱连接车身顶盖与车身底板,除了支撑车体外,对抗击车身侧面碰撞也起到了重要作用。

2.1.4 环状路径结构

纵向梁、横向梁、立柱都是车身结构中的重要组成部分,共同组成框架式车身结构。对车身中的纵向梁、横向梁、立柱的位置和结构进行合理设计,形成多个环环相连的结构。只有这样,才能真正发挥出承载式车身的性能。车身结构中横断面、纵断面、水平面方向的环状路径结构共17个环,对提升车身的扭转刚度、安全性发挥着重要作用。实践证明,闭合的环状结构对抗扭的作用远远大于非闭合结构。

2.2 车身局部结构的设计思路

2.2.1 断面结构

断面指的是车身中梁的断面,载荷传递路径的断面,通常为封闭的结构。在截面尺寸的构建上,截面越接近圆形,其抗扭能力越髙。在矩形截面中,正方形抗扭能力最高,当两边长度之比小于1∶2时,其抗扭能力明显下降,抗弯折能力也与之类似。车身常用的“几字”形断面如图2中的(a)和(b)。从提升防腐能力的角度考虑,一般要求车身内腔板与板之间间隙为5 mm。

图2 “几字”形梁断面

2.2.2 连接结构

连接结构即车身中的接头结构,为了避免车身接头处出现应力集中,需加强接头处的结构设计,一般通过增加接头处截面积和增加接头处叠料厚度加强。

2.2.3 安装点结构

车身上安装点大致可以分为2类:①静态的固定点。比如座椅安装点、安全带安装点、四门两盖安装点、加油口盖安装点、油箱安装点、散热器安装点、电器件安装点及内外饰件安装点等,这类固定点其安装件是不发生运动的,是不产生激励的。②动态的能产生激励的固定点。比如动力总成安装点、排气管安装点、前后悬架安装点等。

静态的固定点一般只考核其强度;动态的固定点除了考核强度之外,还需要考核其动刚度性能。为了提升固定点的强度和动刚度,一般车身上重要件的安装点都要“依梁而居”设计,这样既可以避免设计出复杂的固定支架结构,又可以省材减重。

3 某车身结构件设计

综上所述,车身结构件设计方法的论述设计某轿车车身,在追求高刚性、高强度、高安全性的同时,注重车身零部件的功能集成性设计,注重车身的轻量化。此外,在车身零件具体结构设计、分块设计上,结合冲压工艺、焊接工艺、安装工艺和防腐性能开展工作,力争设计出优质的车身结构。其中,车身中支柱(B柱)为顶端搭接结构。为了避免出现应力集中,在B柱中间加强板与顶盖边梁中间、加强板之间、B柱里板与顶盖边梁里板之间都设置了较大的重叠面积。

对于顶盖后横梁与侧围连接处的结构,为了避免出现应力集中,通过增设加强板增大了接触面积,布局了5个焊点连接。为了提升安装点处的强度,将后排安全带下固定点燃油箱固定点都设置与后地板中横梁相连。

4 某车身性能计算分析

4.1 总体性能

车身性能的仿真分析见表1.与同级车相比,性能较优。

表1 某车型车身性能

4.2 仿真分析举例

正面碰撞前围挡板侵入量最大值仅为126.7 mm,腿部空间较大;侧面碰撞过程中B柱最大侵入量为136.89 mm,生存空间约为209.3 mm,对驾驶人有较好的保护作用。后排安全带下固定点强度分析结果为:后地板塑性变形19.8%,后地板加强板塑性变形16.6%,后承载式地板塑性变形6.9%,都处于较小的范围内,无风险,分析云图如图3所示。

图3 后排安全带下固定点强度分析

燃油箱固定点强度分析结果为:最大应力出现在前安装点处,约为107 MPa,满足材料强度要求。

5 结束语

总的来说,轿车车身是个具有双重功能的工艺美术品,虽然我国汽车制造业已经取得了不俗的成就,然而轿车车身结构件的设计还有待优化。本研究对车身结构件的设计以及设计方法进行了分析,对实现车身结构性能的提高具有一定的参考价值,可为其它相关研究积累一定的可借鉴的经验。

[1]杨井哲.车身结构动态设计技术研究[D].重庆:重庆大学,2010.

[2]陈洪亮.轿车车身结构力学特征及轻量化设计[D].武汉:武汉理工大学,2009.

U463.82

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.060

2095-6835(2017)20-0060-02

〔编辑:张思楠〕

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