乘用车车身外廓设计及车身断面分析Word文档格式.docx
《乘用车车身外廓设计及车身断面分析Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《乘用车车身外廓设计及车身断面分析Word文档格式.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
1绪论
1.1课题研究背景
经济的发展带动科学的进步，与此同时汽车研发水品的提升也让人们对汽车的各项性能要求也逐渐提高，而在汽车行业技术发展中，汽车车身作为最直接、最有视觉感的设计就是汽车车身外廓的设计开发，在当今我国的汽车行业还不能与传统工业的汽车大国比较，很多真正的核心技术仍掌握在美德日大国手中，虽然中国很多汽车领军行业的品牌崛起，如吉利、东风、长城等但我们汽车人依然还要不断的开发与进步。
能够具有汽车车身的研发设计能力作为具备乘用车国产研发能力的突破口,是有着非凡的意义。
其次，在汽车领域日新月异的发展下，新型材料和工艺的涌现与实施在不断着提升汽车的各方面性能和品质。
于此也给车身外廓设计有了巨大的设计选择空间。
在激烈的市场竞争环境下为满足各种消费者的需求以及个性化的需求。
也不断推动者汽车生产厂持续的推出更多更新的车型样式。
由此可见乘用车身外廓设计的重要性，也是汽车生厂商与竞争对手竞争的核心的竞争力体现，也是各大汽车厂商不断研发的方向，有着极为重大的意义。
1.2设计的意义和目的
乘用车外廓设计的合理关系到驾驶员以及乘客的舒适性体验。
同时也会更加有效的对道路的使用和行驶过程中车流量的大小合理利用。
车身轻量化是减少车身的质量得到更高的性能要求，但同时要保证车身的强度和刚度在合理的范围内。
对汽车车身断面进行分析，确定汽车各零部件之间的间隙和误差值，了解零部件相互的搭接方式，断面分析的结果关系到汽车的美观度以及车身强度等，所以车身断面的分析也是必不可少的。
1.3毕业设计的内容
1.3.1车身外廓的设计
车辆的超载超限危害造成缩道路和桥梁的使用年限的减少以及修复的频繁，同时也是车祸事故发生的首要原因其中之一，给国家财产和乘客的生命财产造成严重的损害。
本设计主要针对以上发展趋势，对乗用车车身形式的分析、外廓尺寸计算设计、人体工程学在汽车车身设计中的应用，以及车身轻量化的设计进行分析。
1.3.2车身断面分析
车身主断面的目的在设计前将车身的结构的主要位置的主要结构通过制作主断面的方式，将这些重要的结构确定下来，主要以指导后期的设计工作。
车身主断面体现车身主要的配合关系，安装关系和焊接密封关系。
同时将车身附近内饰物、底盘、动力、电器纳入一起，给他们适当的空间。
2乘用车车身外廓设计
2.1车身形式的分析
2.1.1汽车的分类
汽车的分类方式有根据发动机、汽车乘员数量、汽车车身等，在多种的分类中我们通常按照其中的两个特征量就可以作为分类的主要依据，具体参照表2.1所示关于汽车的分类。
表2.1关于汽车分类
用于承载人员和行李物品的汽车，汽车核定乘客人数少于10人的座位车称作为乘用车。
但乘用车又有分类如下图2.2：
图2.2乘用车分类图
2.1.2乘用车形式的选择
在市面上常见的汽车轴数有二轴、三轴形式，当然还有更多的轴数选择。
汽车的总质量，轮胎的承受能力、汽车的结构设计以及国家道路法规是轴数选取的主要根据。
如果汽车整备质量的增加但轴数不变的条件下，会使公路的承载负荷增加。
也会使道路破坏性增强，所以有关部门出台了相关的政策来保护道路，对轴数加以限制。
常见轿车选择两轴车身形式，本设计车型也为两轴一汽-大众-宝来2017款1.6L。
2.1.3车身形式的分析
由发动机厢、乘员舱和车后备舱共同构成了车身的三部分。
各种车身形式的汽车上部顶盖和后面车身的关系不同，这也是他们的主要区别体现。
折背式汽车：
在市面上最常见的车身样式，大多数私家轿车都是折背式车。
这种车身前部有显眼的发动机舱室，中间是用于乘坐乘客的客舱室，后部分是装载行李的后备箱。
车身上部顶盖和后备箱盖有明显的折线样式连接。
典型的车型有桑塔纳、捷达等。
直背式车身；
是市面上另一种常见车型，它的车身样式像三厢车型，区别在于后玻璃窗和后备箱成为一体，打开时也是一起打开。
车身线条感较好，在美观度上比三厢车更为圆滑，更加吸引年轻消费者。
舱背式乘用车也就是两厢车。
它的特点是体积较小、灵活性高、燃油经济性高。
这种车身形式的乘员舱和后备箱为一个整体这种布局形式能增加车内空间，因此多用于小型车和紧凑型车。
常见的舱背式轿车如大众Polo、长安福特嘉年华等。
当然还有其他的多种不一样的变型车身形式。
如旅行车、软硬顶敞篷车、SUV等。
SUV有着乘坐空间大，动力性强劲等特点受到大众消费者的喜爱，特别是喜欢运动的年轻人。
本次设计参照车型就是一款一汽-大众-宝来2017款1.6L。
2.1.4乘用车布置形式的选择
汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身（或驾驶室）的相互关系以及布置关系而言的。
在乘用车中有发动机在车身前的前轮驱动、发动机在车前的后轮驱动，和在车身后方放置的后轮驱动三种形式。
针对普遍的发动机排量低于2.5L乘用车，大多选择发动机在前的前轮驱动。
选择的主要原因是前桥轴荷较大，明显不足转向性能但过障碍能力强而且结构紧凑。
而且车内空间较大使得乘客的乘坐舒适性高。
当发动机不与轴距布置在一起时更加提高了汽车的机动性。
汽车的散热也会比布置在车后方的散热性强。
因为发动机布置在了车前端，给车后留下了很大型的空间来装在货物等。
同时也会存在弊端，前驱形式的汽车驱动轮附着能力不足，在道路条件恶劣的地方容易出现打滑，爬坡能力也不行。
而前轮同时为驱动和转向轮磨损更加的严重，使用寿命短。
发动机置于前端发生车祸时也更容易损毁，对人体的伤害增加，维修的费用也会增加。
本次设计综合考虑，选择了发动机前置前轮驱动。
2.2乘用车外廓尺寸的设计
2.2.1外廓尺寸
汽车的外廓尺寸是指车辆长度、宽度以及高度[3]。
近年来车辆超限超载成为道路交通事故的主要原因之一，缩短了公路桥梁的使用寿命，严重影响了国家财产和人民生命安全。
目的从根源整治车辆超限超载的国家强制性标准。
由工信部组织全国汽车标委修订的强制国家标准《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》（GB1589-2016）在2016年7月26日由质检总局、国家标准委员会正式批准发布[4]。
该规定指明了汽车、挂车和汽车列车的外廓尺寸在道路上使用的所有车辆都适合。
在汽车领域中的最基础的技术指标之一。
整车性能要求决定着乘用车的外廓尺寸的设计。
车身尺寸较长的汽车纵向稳定性好，室内布置容易，但同时会增加整备质量，而且通过性会变差；
总宽较宽的乘用车，有较好的横向稳定性，室内宽敞且明亮，但占用行车面积大，迎风面积大同时会增加操作困难；
总高较高的乘用车，方便乘客进出车辆，室内明亮，但因为迎风面积大，空气阻力增加，且对横向稳定性影响较大。
整车的长、宽、高之间的关系是相互联系，相互制约。
2.2.2汽车的主要尺寸
本次设计车型为一辆内敛实用的普通家用轿车，所以在车身设计参数上选择了大众平民的一汽-大众-宝来2017款1.6L作为参考车型。
使用宝来的各项性能参数作为参考依据，汽车的主要尺寸包括：
外廓尺寸、轮距、轴距等[5]。
2.2.3汽车的外廓尺寸设计
乘用车车身的外廓尺寸指汽车的长、宽、高，在城市市区内行驶的乘用车要求其外廓尺寸根据相关的法规来制定的。
按照国家的法律法规规定汽车的外廓尺寸规定如下：
1）装满货物和人的汽车或汽车列车的倒车镜不能比汽车最宽的地方宽200mm当倒车镜下缘离地高度<
1.8m时，当汽车镜子下沿的高度≥1.8m时一侧的后视镜在200mm到250mm之间。
2）汽车顶部的天窗、循环交互气体装置等装置处于使用状态时不允许高于车高度300mm。
3）汽车的后轴之间的尺寸必须比300mm大。
表2.3宝来1.6T参数表
乘用车
发动机排量V/L
轴距L/mm
轮距B/mm
V＜1.0
2000～
1100～1380
1.0＜V≤1.6
2100～2640
1150～1500
1.6＜V≤2.5
2600～2860
1300～1580
2.5＜V≤4.0
2850～3400
1400～1580
V≥4.0
2900～3900
1560～1620
宝来
1.6
2614
1440/1469
此次设计的乘用车为1.6T发动机排量，在布置行驶与上述大众宝来轿车相似，同时结合乘用车的轮距和轴距范围，轴距L定为：
2600mm。
车型
长（mm）
宽（mm）
高（mm）
宝来2017款
4562
1793
1468
宝来2016款
表2.4宝来车身尺寸表
图2.5宝来2017款车身部分参数
汽车总长La包括轴距L，前悬Lf和后悬Lr，即La=L+LF+LR[6]。
轿车总长与轴距的关系：
La=L/C，C是比例系数，其值为0.52～0.66，前置前驱的汽车C值为0.62～0.66，后置后驱的汽车C值为0.52～0.56[5]。
则设计轿车的轴距为L=2600mm，则轿车总长为
La=2600/（0.62～0.66）
=4194～3940mm
综合上述车型的车长度尺寸，设计轿车的车身长度设计为La=4550。
乘用车车宽度尺寸一部分是由乘客所需的车内宽度和轿车车门的厚度共同决定的，保证车内能放置的下发动机、变速器、离合器、悬架等是另一部分因素。
乘用车宽度与车辆总长之间有下述近似关系：
Ba=（La/3）+195mm±
60mm。
后座乘三人的乘用车，Ba要大于1410mm。
车总长La=4550mm则Ba=1792到1673之间，结合宝来轿车的宽度尺寸，设计乘用车车身宽度要取值Ba=1790mm。
轿车车高H的确定：
考虑设计车型为普通车型，同时参照宝来汽车车高参数车型尺寸的高度设计为H=1470mm。
目的为乘员的舒适性的提升，车身的外廓尺寸要尽可能地大，但矛盾的是设计太过大的尺寸又会影响轻量化以及汽车制造成本的明显增加，伴随发生的是会使轿车的机动性降低、动力性下降及燃油经济性增加。
总结上述原因、参照参考车型宝来的外廓尺寸，该设计车身的外廓尺寸定为：
4500mm*1790mm*1470mm。
2.2.4汽车的前悬LF和后悬LR
汽车的前悬和后悬分别记为LF和LR，这个尺寸与总布局有关[7]。
发动机布局、水箱布局、风扇局部等全部都在前悬位置。
前悬布置要求还不能太长，因为要保证接近角和通过性。
同理，后悬也不应太长，后悬太长是转弯不灵活，遇到坡路容易触底。
综合上述总结，汽车的前悬LF和后悬LR都是在满足使用性能的前提下，选择较的小尺寸。
2.2.5汽车车身的主要构成部件
图2.6车身主要构件示意图
a.发动机盖
发动机盖又叫发动机罩。
我们都知道汽车使用过程中会发出一定的噪音和大量的热量，此时就需要发动机盖对噪音和热量进行一定的阻隔。
发动机盖包括外板、内板和中间夹层三部分组成，中介层主要是隔热材料，内板主要是刚性的材料，起支撑作用。
b.车顶盖
车顶盖位于车厢顶部。
当前市面上很多的乘用车的车身上顶部设计有天窗，有些乘用车的与前、后窗框相互连接平顺体现出卓越的没感而且能够有效的减少空气阻力，但他的刚度较低。
不同的是货车上，目的是安全的考虑，货车车顶盖会有轿车车顶盖有更优越强度与刚度，增加适当数量的加强梁能够增大安全系数。
c.翼子板
翼子板指车轮处的外板，主要作用是遮挡车轮，因翼子板形状像鸟的翅膀而得名。
根据全后轮位置不同划分为前翼子板和后翼子板。
顾名思义，前翼子板安装在前轮处，必须要让前轮转动或者跳动时有一定的自由空间，不会碰到车轮；
后翼子除了满足前翼子板条件外，更多地从空气动力学的考虑设计，所以后翼子板是拱形并且整体向外部分凸出。
d.前围板
前围板实质是一块隔板，隔断发动机舱和车厢的曲面板，它与前面的地板和前面立柱有机结合。
因为考虑到管路和电线束问题，所以上面预留许多线孔。
但还包括密封措施和隔热装置，这样才能防止发送机的废弃和余热进入车厢。
2.3人体工程学在汽车车身设计中的应用[8]
2.3.1人体模型
在实际应用中人体模型可作为检测车身室内布置合理性的依据之一。
对于乘用车内部的大小，比如头上部距离、膝盖距离空间、肘部空间的使用人体模型来检查是否可行也是可以的。
本节是对乘用车内部布置系统中使用的人体模型的研究，是专门的人体模型范围。
大量的的数据依据证实人体各部位的数据是表现为正态分布规律的，加入用以百分位的形式表示人体尺寸，可以分为三档，统计数据的中间值数用第50百分位的数据表示，代表中等身高的乘员；
个子较低的人用第5百分位的数据代表；
个子高的人用第95百分位的数据代表。
在一般的设计研究过程中，我们时常设置人体尺寸下限用第5百分位人数据表示，体尺寸上限就用第95百分位的人的数据表示，故设计出来的产品需求可以社会上大多数人。
人体模型制作的依据是人体的尺寸所做出来的用于车身设计中的一个重要的模型。
通常我们在车身内部设计布置上选用人体的二维图，如图2.7所示，人体模型的二维图主要是指正常人体中的躯干部分靠背的角基准人体的腿部和着地的脚部，他们是有人体胯部也就是人上半身和下半身的连接点连接。
其中关系到车身设计的部位有以下几个关键点：
H点为人体的胯点，作为连接人体上半身和腿部的点是车身设计中极为重要的一点，我们称之为H点。
Sp点为人体肩膀关节点。
P点是人体膝盖关节点，A点是人体脚踝点也就是小腿与脚之间的关节点。
AHp为踵点，乘客脚和地面的接触点，在行驶过程中驾驶员踩在油门上，人体模型布置的标准。
图2.7人体模型样板
以人为本是车身设计的宗旨，故而在进行车身设计时必须首先考虑到的是安全性，同时舒适性的加强也是车身设计不能忽视的一个重要方面。
车身的设计可以利用人体模型进行必要的分析，在设计过程中先要将人体模型布置好，对数据的测量和记录最后利用动力学知识对其进行必要的分析，作为主要的使用依据决定了实际使用中乘客的活动空间和范围。
H点：
是指驾驶员上身和大腿的处的关节部位。
使用H点人体模型可以迎来确定车身实际H点处。
为了能够更为精准的确定人体乘坐位置，最先应该考虑的就是使用H点。
原因是在涉及到乘坐是否舒适操作是否便捷以及眼椭圆在车身定位中尺寸的基准点是否准确，以及对于驾驶者的界面和手伸等方面都是具有决定性的参考意义，H点在车身设计中具有不可回避性。
R点是指座位调节到最后、最低的位置的跨点。
眼椭圆：
这是对于驾驶者在座位上使用常规的驾驶姿势进行驾驶时，眼睛在车身坐标里活动的范围。
包括了第九十五百分位投影图、九十百分位投影头和九十九百分位等投影图。
这是驾驶者在驾驶中眼睛位置的范围，从这个角度来看，眼椭圆是进行车身设计部分里视野设计的立足点。
在车身设计过程中，对于驾驶者眼睛的位置，优化核对雨刷器、后视镜、除霜器和仪表板的位置设计是否最优，能否做到兼顾，能否合理优化，都必须立足于眼椭圆
图2.8眼椭圆
表2.9为即为汽车驾驶者的座椅H点在前后方向上水平调节量的大小范围。
如表所示，查出眼椭圆中心在自身XYZ坐标系中的位置数据X、Z、Y左眼、Y右眼，然后分别标出椭圆中心的位置在正视图和俯视图上。
表2.9H点与眼椭圆中心关系表
H点水平调节量
X
Z
Y左眼
Y右眼
102
1.8
-5.6
-6.4
58.0
114
-4.6
58.9
127
-10.7
-7.1
-5.1
59
140
-17.0
-7.6
-4.3
59.7
152
-20.3
-8.4
-4.1
60.2
165
-22.9
60.5
2.3.2前排座椅H点的确定
宝来2017款汽车提供的数据显示，车身高度1685mm，这对于人体模型的要求是从一直的顶盖内衬高由上向下布置。
因此，在车身设计过程中，在满足室内高度的先决条件下，参考驾驶者在舒适驾驶姿势要求条件下各个关节角度范围，确定人体模型的位置，在这个基础上得到踵点的高度和前座H点的位置。
与此同时需要协同处理好车内的空间大小，给乘客舒适的环境。
2.3.3后排座位H点的确定
后排座椅H点的确定，需要考虑前排座位调整能够到的最后位置的同时还能呈舒适驾驶的姿势靠背角度，使用95百分位来布置设计。
将后排人体的腿和前排座位的靠背背面一致，考虑对后排座位人体的小腿与靠背应有一定间隙故应该适当放大，然后依据人体较为舒适的乘坐姿势进而确定二个人体模型的位置布置，得到后排座位H点位置，最后确定后排座椅的位置。
2.4车身轻量化设计
车身轻量化是减少车身的质量得到更高的性能要求但同时要保证车身的强度和刚度在合理的范围内。
减少车身的整体质量是因为整车的质量下降的情况下能提高燃油经济性等汽车的性能。
白车身前端在降低质量时，汽车的性能不一定降低，反而有可能提高汽车的部分性能。
白车身轻量化会降低整车重心，提高抗侧翻能力，增强行车稳定性和舒适性；
另外，还可以降低汽车行驶过程中的滚动阻力、加速阻力等，有助于提高汽车动力性；
汽车轻量化还能够减少初始动能，缩短制动距离，再配合轻质高强材料，可以吸收更多能量，有助于提高汽车的安全性能。
国际国内通常使用的白车身轻量化技术大致分为三类：
高强轻质材料的应用，车身整体结构的优化，应用最新的工艺和连接方式。
一般而言通过优化后的钢质白车身可减重7%左右，部分部件采用铝合金替代后可以减重30%～50%，而要取得更大的减重效果，只能求助于碳纤维等复合材料。
以上所列三种轻量化的方法不是孤立使用的，相反他们之间是相互不成的关系。
但无论采用何种轻量化方式，都不应该影响汽车的性能、不能过多的增加生产和维修成本、并且与公司的实际技术能力相一致。
高强轻质材料包含两大类：
首先是高强度材料，例如高强钢、先进高强钢、热成型钢等材料。
第二是轻质的材料，市面上使用的有镁、铝合金、塑料高分子的原料等。
车身结构优化:
随着计算机硬件的发展和有限元技术的成熟，基于有限元和计算机的车身结构优化在轻量化优化设计中被广泛应用。
该优化方法可以提高车身的性能、降低车身重量、提高新车型的开发速度、降低开发成本、增强企业的竞争力。
应用最新的工艺和连接方式。
近年来车身使用的新工艺主要有变厚度板技术（Variable-thicknessRolledBlank,VRB）、热成型技术（Thermalforming）、液压成形（hydro-forming）和气体热成型技术等，此外铝合金电磁成型工艺、三维辊压工艺、喷射成形工艺、金属半固态成型工艺等新工艺也是汽车轻量化可寻求的途径；
新的连接技术主要有激光焊接技术、搅拌摩擦焊技术（FrictionStirWelding,FS）、冷金属过度技术（ColdMetalTransfer,CMT）、自冲铆接技术（Self-piercingrivets,SPR）、压力连接技术（clinchjoints）、特殊点焊技术（DELTASPOT）、黏贴连接技术、复合连接技术、激光螺旋焊接技术等。
3车身断面分析
3.1车身主断面分析
车身主断面是指车身上主要的关键断面。
车身主断面的目的在设计前将车身的结构的主要位置的主要结构通过制作主断面的行驶，将这些重要的结构确定下来，以指导后期的设计工作。
车身主断面体现
升级会员 