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        [積分下載] 汽車車身剛度相關知識.doc【共21頁】19.5 KB

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        天宇 發表于 2015-5-31 09:49:11 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
               車身外型設計的兩對矛盾  現代汽車追求舒適、動力和安全性能好,這些要求在車身外型的設計中構成了矛盾。 首先,乘駕舒適需要足夠的車內空間,而要得到寬敞的空間就要增加汽車外型的尺寸。汽車的外型尺寸,尤其是橫截面尺寸的增加,勢必增加汽車的迎風面積,直接影響汽車的風阻系數。這樣,舒適性與動力性就構成了一對矛盾。這對矛盾在汽車的速度比較低的時候影響不大,早期的汽車基本上是箱式的,汽車的外型完全根據內部的需要來設計。

           隨著汽車技術的發展,汽車的速度越來越高,風阻的矛盾就越來越突出。研究表明,隨著速度的增加,路面阻力增加很小而風阻增加卻很大。一般的箱式車,車速在每小時30公里以 下時,消耗在路面阻力上的功率大于克服風阻所消耗的功率。而在這個速度以上,消耗在風阻上的功率就急劇增加。到了每小時70公里左右的速度,克服風阻所需要的功率就會超過路面阻力。如果速度超過每小時100公里,絕大部分的功率就消耗在克服風阻上了。

           風阻的主要因素有兩大方面,一是迎風面積,二是渦流。減少迎風面積的主要措施是減低車 廂的高度。減少車廂的寬度雖然也能減少橫截面的面積,但一般情況下效果不如減少高度顯著。為了保留足夠的內部空間,保證有舒適的乘坐空間,汽車的截面是不可以隨意減少的。為了進一步減低風阻,就要從減少汽車行駛中產生的渦流入手。  我們在大街上常常看到一些大貨車駛過后,馬路上的塵土、紙屑打著轉滿天飛,這就是汽車行駛攪動空氣形成的渦流。汽車的前擋風玻璃、車頂、車側、車后都可以產生渦流。研究渦流最有效的手段是風洞試驗,汽車模型靜止于隧道型空間中,車身周圍是高速流動的空氣,這樣來模擬汽車高速行駛的條件。通過安裝在車身各部分的傳感裝置測量空氣的運動。從而了解渦流的運動情況。

              研究表明,具有流線型車身的汽車抗渦流的性能最好。  流線型車身的縱截面與飛機機翼的的形狀相似,高速運動時會產生升力,對行駛穩定性產生負面作用。這就產生了第二對矛盾,即動力性與安全性的矛盾。為了增加穩定性,現代汽車車身造型在流線型的基礎上不斷改進,車身重心前移、前低后高、增加尾部縱截面的相對面積、增加攪流板等等。  舒適性與動力性、動力性與穩定性,如何解決這兩對矛盾構成車身設計歷史的主流話題。汽車的車身從箱型、甲殼蟲型發展到船型、楔型和現在的滴水型,以及在這些形狀基礎上的許多變種,其內在的驅動力就是這兩對矛盾的平衡過程。汽車車身的設計工作流程,也從單純的由內向外發展到由外向內、內外結合的方式。 車身設計關鍵技術  根據專家研究,設計不僅決定了產品的成本(產品成本的70%由設計決定),也決定了產品的性能和質量。在進行整車開發和車身設計時,利用并行工程技術,著重研究整車碰撞標準、碰撞傳力途徑、車身輕量化、車身模態及剛度等關鍵技術來保證設計開發的質量。

              目前,國際上各大汽車公司新推出的車型尺寸不斷地往大里發展,以便在同級車里更有競爭力,這對車身的重量、剛度、安全性能產生了較大幅度的影響,給車身的設計增大了不少難度。   
             1 整車碰撞標準研究   車身設計首先要設定車輛的安全目標,隨著自主品牌在國內市場的不斷崛起和向國際市場的 不斷滲透,充分了解目標市場的安全目標是非常重要的。對中國安全法規、中國新車評估程序(CNACP)、歐洲新車評估程序(ENACP)、韓國新車評估程序(KNACP)作一簡單對比,見圖1。可以看出各國的新車評估程序都有其相似之處,并且明顯比法規的要求嚴格了很多。
             新車評估程序(NACP)的主要操作方式是通過一系列公開發布的車輛碰撞試驗結果,提供給消費者一個基于車輛正碰和側碰等深層次碰撞研究基礎上得到的精確車輛安全性能信息。這些公開的碰撞試驗結果將對消費者在購買車輛時起到很重要的決定作用。

             各國汽車安全法規對比  2 碰撞傳力途徑  )    合理且有效地設計碰撞傳力途徑是影響最終車身獲得安全星級的關鍵因素。  

             2.1 正碰傳力途徑    當車身遭受正面撞擊時,前部的吸能緩沖區利用強韌的吸能材料盡可能多地通過變形吸收因 撞擊產生的巨大能量,同時利用結構上的受力連續,未被吸收的沖擊能量被分散到整個車身,使駕駛艙的框架受力相對均勻,保持其完整性或僅發生微小的形狀變化,并以褶皺、加強筋等形狀預先設置出材料的變形趨勢,設計避開可能發生對乘員不利的危險變形,減少正面碰撞導致對駕駛艙的侵入和保持相對較低的碰撞減速度,以此保證乘員的安全。
             一般將車身的前端分成3個吸能區,由保險杠緩沖梁和吸能盒組成,將接收到的碰撞能量進行左右分流和初步吸收,并通過它們將能量往區域2傳遞。緩沖梁一般設計成帶有上下各4層褶皺的閉口截面梁,加上左右與發動機艙縱梁連接的3層褶皺吸能盒,在保證抗彎扭能力的同時,獲得比較出色的吸能能力。
              區域2,由發動機艙上下縱梁組成,有些車輛還增加底盤的副車架,一起形成車輛碰撞過程中最主要的吸能結構。  
               發動機艙下縱梁采用的是閉式的類矩形截面,超過2mm的加強板配合蛇形的彎曲形狀使下縱梁的抗彎扭能力大輻度提高。利用發動機艙下縱梁出眾的承載能力,三點安裝的動力總成中左右縱梁占了兩席,且為了避免一旦發生碰撞時動力總成竄入車體內部對前排乘員可能造成的危險,左右前縱梁靠近前圍板的根部留有預設的凹槽結構,萬一發生嚴重撞擊,縱梁在重壓下沿著該結構的變形趨勢和發動機一起下沉,杜絕發動機竄入駕駛艙的可能。
           
             發動機艙上縱梁由前懸塔狀形罩板等零件組成,分擔了部分從前部傳來的碰撞力的吸收和向 A柱和前圍及其加強梁的分散力的作用,無論是正面沖擊載荷或是底盤傳來的路況載荷都能在這一區域相對均勻地傳遞至整個車身,避免集中變形造成人員傷亡或大大降低乘坐舒適性的最壞結果。區域3為駕駛艙。其最主要目標是保證框架的強度和剛度,以求得最小駕駛艙變形,保證乘員的安全空間。
              前圍板及其加強板將受到的載荷迅速向兩側分散,通過S形的加強延伸板將前縱梁與地板 縱梁牢牢地焊為一體,一直貫穿整個底板直至車尾,實現了載荷的迅速分散。另外,厚實堅硬的儀表板安裝橫梁也將碰撞載荷分解到兩側的A柱,保證了乘員的安全。  A柱將傳來的載荷沿A柱門框、門窗臺加強板、門防撞梁和下部門檻及地板加強板向B柱 方向分散,確保框架的穩定性。

             2.2 側碰傳力途徑     優化的門檻加強板正好定位在碰撞的高應力區,B柱加強板(門框一圈所有零件)和座椅橫 梁形成一個連續的設計,在門檻和中央通道間創建一個有效的側碰屏障并使側碰后門很容易打開,側碰時門板的傳力途徑  當車輛受到側面撞擊時,撞擊力除了通過地板橫梁和頂蓋橫梁傳遞出去外,還通過車門防撞梁將力分解到A柱和D柱。除了提高車門防撞梁的屈服強度外,如何讓撞擊力通過車門防撞梁傳遞出去也是一個重要的研究方向。一般來說,讓車門防撞梁和門框合理重疊是一個有效途徑。另外,通過優化車門外板窗臺加強板的結構也能起到輔助傳力的作用。

            2.3 后碰傳力途徑一般100%的正面后碰,能量首先通過后保險杠緩沖梁進行有效能量吸收,然后將剩余能量均勻分解并傳遞到車身后部左右縱梁。后部結構設計對保持框架穩定性和防止框架變形侵入損壞油箱起到至關重要的作用。
            目前后碰的研究重點已由100%正面后碰提升到了后面偏置碰撞,根據北美FMVSS法規的最新要求,100%正面后碰不僅變為移動屏障70%偏置碰撞,碰撞速度更由以前的56km/h提高到80km/h,這樣對我國新車出口提出了更高的設計要求。  
           
             為了滿足新的更高要求,一般要從以下兩點來重點考慮:首先,盡量多考慮將后保險杠緩沖 梁從沖擊側承受來的能量往非碰撞側傳遞;其次,對后部框架的穩定性進行進一步加強。


              具體在結構設計時除了考慮增大后保險杠緩沖梁和后縱梁連接面外,還要加強后圍板防止產生側向撕裂。最主要的一點是后縱梁也需要合理設置類似于正碰能量吸收結構。優化結構設計后的后縱梁產生的抵抗力有顯著的提高

             優化設計后的后縱果碰撞結果  3 車身輕量化    新車型在尺寸不斷增大的情況下,整車的重量不允許大幅度增加,所以車身輕量化一直是國內主機廠的重點課題,但目前國內主機廠絕大部分主要采用板材減薄等方法,而一味的靠減薄來減重往往會忽略對車身性能的影響。    國際上則傾向于采用輕量化系數L來評價減重效果。


              A為前后輪距和軸距所形成的四邊形在水平面上的投影面積;CT為帶固定窗的白車身靜態扭轉剛度;mBIW為不帶門蓋的油漆車身重量。我們的目標就是在保證車身剛度性能不變或提升的前提下,力求車身重量的減輕。L值越小越好。    車身減重主要是合理利用新材料、新技術和新設計來實現的,以下簡要介紹主要的減重策略。   鑒于目前的輕量化和提高碰撞等級的要求,同時高強鋼和普通鋼的價格差距在縮小到合理范圍內,而性能可以顯著提高,現在車身設計中普遍采用高強鋼。選擇高強鋼,可以減少零件數量、降低料厚和縮小結構盒狀斷面尺寸來達到減重的效果,并保證成本變化不大。圖5是某國際新車型的下部車身鋼材應用實際,可見一般鋼材只占到了3成不到的比重。


               某國際新車型下部車身鋼材應用  另外,鋁材、鎂合金、工程塑料的大量采用對車身的減重也起到了很大的幫助。例如鋁的發動機罩、鎂合金的儀表板橫梁或座椅支架、塑料的翼子板或舉升門等,對整車重量的減小都有著很大的幫助。



                同時也可以通過大量采用激光焊接不等厚零件、輥壓成型件、合理減少焊接接頭及其長度以及采用新的結構設計來達到減重的效果,在這方面的系統性研究很少。下面結合車身設計的實際情況,簡要闡述通過車身結構優化提高車身剛度的方法和途徑。
              構成乘客艙的結構件尤其是A柱、B柱、C柱、門檻、前后風窗下橫梁、頂蓋前后橫梁、側圍上邊梁等部位的封閉式斷面形狀對車身整體剛度起到至關重要的作用。通常認為這些封閉式斷面的截面面積或主慣性矩越大對白車身剛度越有利。但分析數據表明,剛度值隨斷面力學特性的變化可能反向變化,即剛度與斷面主慣性矩或面積可能成反比。同時由于車身輕量化要求,也不可能一味地加大主斷面。大量實例證明,通過CAE模擬剛度分析和實際剛度測試誤差很小,結果是完全可以信賴的。因此,采用同步工程,借助于CAE模擬車身剛度分析和主斷面相關零件的敏感度分析,找到最合適的主斷面是車身設計的重點課題。一般車身結構重點研究的斷面有30~50個,很多公司可以通過斷面庫很快選取合適的主斷面,然后進行小的優化設計就可以保證車身剛度并達到好的設計效果,避免大量的重復計算和優化。

             在確定好車身的主端面后,基本確定了車身的整體剛度,接下來就需要對輔助斷面形狀、接頭形式、零件形狀等方面進行優化以提高局部剛度。輔助斷面形狀、接頭形式和零件形狀的優化一般也可以通過CAE模擬來實現。通過改進結構設計減重的實例,以及改進輔助斷面形狀以提高局部剛度的實例,該實例同時達到了提高剛度和減重的雙重作用,也再次證明了結構優化的重要性。
              
            接頭形式的優化包括優化接頭的形狀和連接方式等。零件形狀的優化指的是在合適部位通過增加加強筋、翻邊或其它一些特征來提高剛度,從而盡量減少加強板的采用。有時,在條件 受限的情況下,不改變接頭形狀,在接頭處預埋高強度結構發泡材料,或不改變零件形狀,在零件上增加非金屬增強墊,也能起到提高車身剛度的作用。

             在車身結構設計時,提高車身剛度還有多種方式:采用合理的分塊,在車身結構上盡量避免 由很多小零件焊接而成的框架,例如目前采用較廣的整體式側圍、門框等;不用焊接而直接采用液壓成型的封閉式截面結構,例如B柱內加強板;在車身結構薄弱部位合理采用車身結構膠粘接加強,例如由于尖角造型造成后側圍與后尾燈支架焊接困難部位等。  

            4.2 車身模態   一般來說,車身靜態剛度越高,動態剛度也越高,也就意味著車身靜態剛度提高的同時也提高了車身模態。車身模態一般考慮前10階,其中一階模態是主要評價指標。對于轎車車身來說,一階模態一般在20~80Hz,一階模態越高,意味著車身動態性能越好,這是因為高頻率模態不僅避開了人體比較敏感的低頻震動,也可以保證整車具有動感的駕駛性,精準的操控性,最小的噪聲振動頻震影響:所以在保證整車模態較高的同時,也要保證底盤、發動機和變速器等關鍵零部件在車身連接點上具有較好的局部模態。

            最后,除了研究上述整車碰撞標準、碰撞傳力途徑、車身輕量化、車身模態及剛度等關鍵技術以外,還要關注整車平臺共用性、尺寸工程、CAE模擬、試驗甚至生產中的沖壓、焊接、裝配乃至物料配送工序,不僅能有效提高車身自主技術開發水平,同時也可以達到成本、質量和性能的綜合最優。

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        禾斗 發表于 2015-6-2 22:35:08 | 只看該作者
        看到許多人在比較polo的飛度的車身剛度,但僅限于口頭爭端,我來提供一些基礎知識和數據吧

          先說說簡單的概念吧,時間不多,周末要出門,就不詳細寫了。

          車身剛度有兩種,靜態剛度和動態剛度。

          車身靜態剛度一般包括彎曲剛度和扭轉剛度兩種。

          車身的彎曲剛度可由車身前后的變形量來衡量,車身扭轉剛度可由前后窗和側框的對象線變化量、車身鎖位及車身扭轉角等指標來衡量。

          在轉彎時,主要考察車身的側傾剛度。

          動態剛度用車身模態頻率來衡量。這個頻率應該與載苛的激振頻率相差較大才可以(共振的效應大家都知道吧?)

          發動機的怠速的激振頻率是可以計算的。

          例如,如果是四缸機,在怠速為n=750r/min時,怠速的激振頻率為f=(750/60)*2 = 25hz
          如果是六缸機,在怠速為n=700r/min時,怠速的激振頻率為f=(750/60)*3 = 35hz
          如果是八缸機,在怠速為n=600r/min時,怠速的激振頻率為f=(750/60)*4 = 40hz

          而車輪的不平衡激振是在1-30hz之間。

          車身的一階固有激振頻率一般在20-35hz之間。

          下面開始提供數據:

          polo的車身

          靜態剛度:
          扭轉:19000nm/度
          其它:未知

          動態剛度:44hz

          飛度的查不到,但是saab-93的是epsilon構架的動態剛度是27hz,而且通用稱其“達到了多數豪華轎車的標準” (看來通用在白車身制造方面不是很強的嘛,可惜了saab-93了)

          剛剛查到了中華,老中華的車身頭部剛度37hz,新中華增加到46hz。但我不明白為什么這個試驗還可以僅做頭部和尾部的?應該是整體車身一起做才對。

          其它車輛的車身剛度歡迎大家補充。

          p.s.網上查資料比較難,大多數都是在說“比上一代提高了百分多之少”,這樣的宣傳用語不可信之,因為,如果從10hz提高到13hz,就是提高了30%,而從30hz提高到40hz,也提高了30%,有可比性么?

          再p.s.現在的轎車都是承載式車身(連夏利都是),所以不用討論車架了,有車架的車,剛度肯定高出許多.

          補充如下:

          自身頻率是任何物體所固有的,對于車身來講,拆掉一個翼子板也會改變。但試驗還是在白車身的基礎上做的(轎身一般沒有車架的)

          共振一般是為人所知的,軍隊散步走過橋而不能正步走,就是為了避免它出現共振(一般為十幾hz)

          共振的頻率是一階固有頻率決定的。當激振力的頻率十分接近車身的一階固有頻率時,車身就會發生共振,同時產生較大的動態位移,車身產生響應的動應力,動應力的大小對車身的安全影響很大。為了減小動應力,可改變車身的結構使其固有頻率遠離激振力頻率。
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        地板
        浩然6039 發表于 2015-6-22 21:21:47 | 只看該作者
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        5#
        40564960 發表于 2015-6-23 15:43:08 | 只看該作者
        你好!請發一下份學習學習!謝謝!
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        6#
        飛狼 發表于 2015-6-27 21:35:23 | 只看該作者
        他GV他GVTV天天日發出如此如此
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        7#
        渣渣渣 發表于 2015-7-13 21:02:07 | 只看該作者
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        8#
        wangxiaoweirty 發表于 2015-8-13 20:19:39 | 只看該作者
        樓主 威武,好資料
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        9#
        馬鎮松 發表于 2015-8-24 00:32:54 | 只看該作者
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        10#
        愛普_萬 發表于 2015-8-25 21:06:54 | 只看該作者
        剛入門,很多東西需要學的
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