《车身设计》讲稿2008ji - 图文

《车身设计》讲稿

第一章 车身概论

汽车是一种以自身动力驱动，不依靠轨道和架线，具有四个或四个以上车轮，驾驶室与车厢一体或固装在同一车架上，能在道路上行驶的轮式交通运输工具，以及由此派生出来的具有其他特殊用途的无轨自动车辆。

随着国民经济的不断发展，汽车已成为当前极为重要的交通运输工具。我们身边的汽车随处可见。同时，我们也知道，汽车工业对其它各行业发展的带动作用也非常突出。要想使汽车工业真正成为我们的支柱产业，就必须掌握汽车设计的各项技术。汽车的普及和发展促进了经济的发展和社会的现代化，带动了一系列产业的地技术革命，如冶金、机械、电子、化工、石油塑料、玻璃、橡胶等。

在扩大汽车服务领域和满足各方面多样化要求的前提下，作为汽车上三大总成之一的车身，已后来居上越来越处于主导地位。据统计，客车、轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身质量的40％～60％；货车车身质量约占整车自身质量的16％~30％；其各车型的车身占整车制造成本的百分比甚至还略超过以上给出的上限值。因此，仅从这个意义上来衡量汽车车身，其经济效益也远远高于其它两大总成。轿车的车身约占整车总成本的1/2~1/3，是轿车产品商品性的重要标志。

所谓车身，直观地说就是人们无论在车内还是车外一眼就能看见的那部分，它包括发动机舱、乘坐舱、行李舱和车窗、车门等。它是汽车上载人或载物的容舱。

车身应给驾驶员提供便利的工作条件，给乘员提供舒适的乘坐条件，保护他们免受汽车行驶时的振动、噪声、废气的侵袭以及恶劣气候的影响，并保证完好无损地运载货物且装卸方便。轿车车身上的一些结构措施和设备还应有助于安全行车，并能减轻事故的后果。

车身应保证汽车具有合理的外部形状，在汽车行驶时能有效地引导周围的气流，以减少空气阻力和燃料消耗。

车身应有助于提高汽车的行驶稳定性和改善发动机的冷却条件，并保证车身内部良好的通风。

轿车车身还应该是一件精致的综合艺术品。

随着社会对节能和环保的日益重视，如果从节能、节材（两者都与汽车的轻量化有关）等几方面来考虑，则车身的潜力更大。

技术对社会生产的发展起着巨大的推动作用，国内、外车身制造和装配等工艺流程都应用了大量的尖端科技，机械化和自动化程度可以达到很高，但是仍有两化无能为力而又必须由手工操作来完成的部分（特别是车身的内、外装饰和附件的装配等）。例如，国外很多车身制造厂对焊接件和车身板金件，都逐个进行手工打磨抛光和补焊。很多高档轿车更是以手工作为卖点，由此可见，手工细作往往是保证优质产品的重要一环。因此，从整个车身来看，又堪称为技术密集型和劳动密集型相结合的产品。

综观世界汽车工业沿革，我们可以看出，现代汽车是沿着“底盘”－“发动机” －“车身”逐步发展完善过来的。这个发展过程在很大程度上取决于当时的科学技术水平和物质生活条件。

汽车与人们的日常生活息息相关，为了适应各种不同目的和用途乃至车辆的更新换代等，汽车都会有所变化，而其关键则在于车身。因此，车身工程是汽车工业中最年轻而又发展最迅速的一个分支。

车身技术一直是我国汽车工业中的薄弱环节。而轿车发展的关键主要就在车身技术上。 国内、外汽车生产的实践也不断表明：整车生产能力的发展取决于车身的生产能力；汽车的更新换代在很大程度上也决定于车身；在基本车型达到饱和的情况下，只有依赖车身改型或改装才能打开销路。凡此种种都说明，汽车工业发展到今天成为重要的支柱产业，而重

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中之重非车身莫属，因此，国家非常注重车身技术的引进和研发。

1-1 车身的特点

一、车身的涉及面

车身是汽车上的三大总成之一，但除了在整车总布臵时受制约于汽车上的其它总成外，外形、制图与结构设计计算方法、制造与装配工艺以及所采用的材料等方面均与其它总成相差较大。

汽车车身受到质量或空间的限制。其涉及面之广早已远远超出一般机械产品的范畴，如：车身造型艺术、内部装饰、取暖通风、防振隔音、密封、照明、座椅设计、人体工程等方面；车身材料有逐渐扩大非金属化的趋势；车身零部件的加工方法也是各式各样的（如：冷冲压、各种型式的焊接、喷漆、电镀、塑料成形等）。

由此可见，汽车车身的设计与制造需要综合运用各种不同领域的知识。

二、车身造型

我们对汽车最直观的了解来自于车身造型，也就是我们所说的汽车外形。在汽车已成为一种普及的现代化交通工具的今天，它动感的造型再加上装饰和色彩，既可以美化市容、点缀大自然环境，又能给人以美的享受和强烈的精神感染。这一点从人们对概念车的热衷就能够感觉出来。

汽车车身造型是随着汽车工业的发展而逐渐发展起来的。如今，它已由最初的对汽车车身那种附加的美化工作逐步地发展成为探讨车身的整体艺术形象、研究和利用各种日新月异的材料的装饰性能及其生产方式的学科，同时还需权衡车身造型对整车结构、性能和工艺的影响。

世界各国汽车（特别是轿车）车身造型的流行式样不断更新和变换，但总能找出其共同的基本趋势。车身造型的发展与车身的生产方式、使用要求以及时代特征等都有密切关系。轿车车身的发展过程最富有特色、最具直观感的首先是车身外形的演变，它经历了具有里程碑意义的5个代表阶段，分别是厢形车、甲壳虫形车、船形车、鱼形车和楔形车。

一般来说，汽车更新换代（主要是车身）大体上为8～10年一个周期。

从世界各发达国家各种车型车身的造型演变过程可以看出，各国在车身造型上均有其特点，即通常所谓的风格（Style）。

三、车身材料

通常，我们在进行车身设计时，往往习惯于追求强度这个因素，但是仅靠提高车身强度是远远不够的，汽车是在大自然的各种气候条件和复杂工况下运行的，长期的使用实践表明，锈蚀常常是降低车身使用寿命的主要因素。

因此，金属材料的防锈具有极为重要的经济价值。试验表明，镀锌钢板具有良好的防锈蚀性能。1972年美国汽车工业开始大量采用镀锌钢板。国外汽车车身镀锌钢板的镀锌层厚度一般为7.5－10μm。热镀锌钢板的制作工艺简单，钢板从450℃的镀锌槽中通过即被镀上一层金属锌。这种特制钢板的价格仅比普通钢板高10％左右，但耐锈蚀能力却大为提高。

以非金属材料代替部分金属材料，在金属材料中又以非铁（有色）金属取代部分钢铁，如今已成为材料应用的总趋势。例如，宝马汽车公司新推出的一款概念车就采用布面车身，能够变形，给人耳目一新的感觉。

就非金属材料而言，以国产 EQ240型货车为例。该车所用非金属材料制成的零件约有400多种，大概占整车零件总数的10％。如按质量估算，其非金属材料的总质量约536kg，占汽车自身质量的12.5％。美国洛克威尔（Rockwell）公司的塑料分部研制了一种新型的轻型货车车身，其整体式发动机罩、翼子板、车门和驾驶室等都是用玻璃钢成形板制成的，从而使

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整车质量减少约227kg。

轿车碰撞试验研究表明，乘客室必须具有足够的刚性，以确保撞车时乘员的生命安全，而车辆的前部和后部相对于乘客室来说则应富有一定挠性，以起到吸能缓冲保护乘客室的作用，因此，轿车的前、后保险杠均趋向于采用复合材料（如聚氨酯或聚丙烯等）。

从国外汽车车身用材的发展来看，为了轻量化以及提高安全性和舒适性，非金属材料的用量逐年有所增加。

1-2 车身及其名词术语

一般来说，车身包括白车身及其附件。

白车身通常系指已经装焊好但尚未喷漆的白皮车身（Body in white），此处主要用来表示车身结构件和覆盖件的焊接总成，此外尚包括前、后板制件与车门，但不包括车身附属设备及装饰件等。

参照相关国家标准，车身覆盖件通常指覆盖车身内部结构的表面板件，车身结构件则系支撑覆盖件的全部车身结构零件的总称。

车身结构件和覆盖件焊（或铆——如大客车车身）接在一起即成为车身焊（铆）接总成，该总成必须保证车身的强度和刚度，它可以划分为地板、顶盖、前围板、后围板、侧图板、门立柱和仪表板等分总成。

车身前板制件一般是指车头部分的零部件，包括水箱框架和前脸、前翼子板、挡泥板、发动机罩以及各种加强板、固定件等。

下面我们来看P6的图1-8。

1-3 车身的承载类型和构造

汽车的品种很多，车身的形式各异，新老结构型式交织在一起，难以确切下定义和予以

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统一命名，往往容易造成混淆，这样就给人们分门别类去认识它和研究它带来一定的困难。尽管一般也可按用途（例如：轿车、大客车、货车和专用汽车车身等）和所用材料（如金属、非金属和钢木混合等）来进行分类，从结构和设计观点按车身承载型式来分类是较为明确而又合理的。

按承载型式不同，可将车身分为非承载式、半承载式和承载式三大类。 一、非承载式（有车架式）

非承载式也称为有车架式。车架是跨装在汽车前、后轴上的桥梁式结构，其主要结构型式归纳起来不外乎框式、脊梁式和综合式等三大类。框式又可以划分为边梁式和周边式两种。

货车（除微型货车外）与在货车的三类或二类底盘基础上改装成的大客车和专用汽车以及大部分高级轿车（出于对舒适性的要求），都装有单独的车架。此时车身系通过多个橡胶垫安装在车架上，当汽车在崎岖不平的路面上行驶时，车架产生的变形由橡胶垫的挠性所吸收，载荷主要由车架来承担，因此，这种车身结构应是不承载的。但实际上，由于车架并非绝对刚性，所以车身仍在一定程度上承受着由车架弯曲和扭转变形所引起的载荷。

（一）框式车架

1．边梁式（或梯形）车架

此式车架结构便于安装车身（包括驾驶室、车箱或其它专用车身乃至特种装备等）和布臵其它总成，有利于满足改装变型和发展多品种的需要，所以被广泛采用在货车、大多数专用汽车和直接利用货车底盘改装的大客车以及早期生产的轿车上。

2．周边式车架

周边式车架实际上是适应轿车车身地板从边梁式派生出来的，目的主要在于尽量降低地板高度。其最大特点是：缓冲臂具有一定程度的弹性变形，可以吸收来自不平路面的冲击和降低车内的噪声。此外，由于车架中部的宽度接近于车身地板的宽度，从而既提高了整车的横向稳定性，又减小了车架纵梁外侧装臵件的悬伸长度。这种型式车架的缺点是结构复杂而且成本较高，所以仅广泛采用在高级和中级以上的轿车上。

（二）脊梁式车架

这种车架主要是由一根位于车身对称中心线上的较粗的纵向钢管和若干根横向悬伸托架所构成，其特点是具有很大的抗扭刚度，结构上容许车轮有较大的跳动空间，便于装用独立悬架，因此被采用在某些高越野性汽车上，但由于此种车架制造工艺较复杂且维修不便，故应用不广泛。

（三）综合式车架

它是综合上述两种型式而成的，多采用于轿车上。车架的前、后端均近似于边梁式车架，中部为一短脊梁管，前、后两端便于分别安装发动机和后驱动桥。中部脊梁的宽度和高度较大，可以提高抗扭刚度，有时也称为X形车架。

货车驾驶室是最典型的非承载式车身的实例。 非承载式车身结构的优点：

1）延长了车身的使用寿命，提高了乘坐舒适性，所以，目前此种车身结构型式仍较广泛地被采用于高级轿车上。

2）底盘和车身可以分开装配，然后总装在一起，这样既可简化装配工艺，又便于组织专业化协作。

3）由于有车架作为整车的基础，便于各总成和部件的安装，同时也易于更改车型和改装成其它用途的车辆，所以，货车和专用汽车以及非专业厂生产的大客车长期保留有车架。

4）发生撞车事故时，车架还可以对车身起到一定的保护作用。 缺点：

l）由于设计计算时不考虑车身承载，故必须保证车架有足够的强度和刚度，从而导致整车自重力增加。

2）由于底盘和车身之间装有车架，使整车高度增大。

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3）车架是汽车上最大而且质量最大的零件，所以必须具备有大型的压床以及焊接、工夹具和检验等一系列较复杂昂贵的制造设备。

二、半承载式

半承载式是一种过渡型的结构，车身下部仍保留有“车架”，不过它的强度和刚度可稍低于非承载式的车架，此种结构型式主要只出现在大客车上。这种结构的主要特点是：车身下部与底架组合为一整体，车身也能分担部分弯曲和扭转载荷。由于此种车身结构型式还保留有底架，因此，大客车的轻量化仍受到一定程度的限制。

三、承载式（无车架式）

为了进一步减轻汽车的自重力以及使车身结构合理化，在大客车和轿车上采用无车架的承载式结构。

将承载式大客车车身分为基础承载式和整体承载式两种。 （一）基础承载式

这种结构的底部纵向和横向构件一般可采用薄壁型钢或薄板来制造。其高度可达0.5m左右，故可充分利用车身地板下面的空间来作为行李舱，但因底部结构的截面高度较大，导致车身地板离地距离太高，因此这种型式的车身只宜采用在长途或旅游大客车上。

目前欧洲不少国家的厂家生产的大型旅游客车，其地板以下为一较强的空间框架，一般称之为格栅式（Grille type）结构。

（二）整体承载式

顾名思义，这种结构应是整个车身都参与承载，由于车身的上、下部结构形成一个统一的整体，在承受载荷时，以强济弱，可使整个车身壳体达到稳定平衡状态。

轿车承载式车身（如图1－25和图l－26所示），其前端由两根前纵梁、前围板、两侧挡泥板、前围内侧板等形成一刚性较强的框架；车身中部系由左、右侧围（包括车门上框、门槛梁和前、中、后立柱等）和地板、顶盖、前围板、前风窗框、行李舱围板、后窗框等构成的盒形结构；其后端则由与后纵梁相焊接的行李舱地板及后轮内、外轮罩所构成。由于改善视野性的需要，趋向于增大玻璃部分的总面积，相应地就要求减小腰线以上的立柱、门框和窗柱的截面尺寸以及采用扁平的顶盖，所以轿车承载式车身的强度和刚度通常主要由车身下部来予以保证。

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在车身前部和后部均为弹性结构而中部为刚性结构的情况下，能确保乘员安全。按照这种刚性匹配方案设计制造的汽车称为安全汽车。

承载式车身的主要缺点在于：

1）由于取消了车架，振动和噪声将直接传给车身，因此会大大恶化乘坐舒适性。 2）改型较困难。

从节能、轻量化和降低车高的角度出发，展望轿车车身结构的发展趋势，似乎应是承载式车身，但是对于美国、日本、德国、法国、意大利、英国和苏联等发达国家，近年来他们生产的轿车结构分析的统计表明，即使是整体承载式车身，其前端和后端大多数仍加装副车架（Subframe）如图1－32所示，或是前端装有副车架（图1-33），后者也称为短车架或部分式车架（Stub frame），这主要是为了改善乘坐舒适性的缘故。因此，严格说来，这类车身似应归之于半承载式。

1-4 车身设计的主要因素、设计要求及原则（轿车）

一、决定车身设计的主要因素 1、车身造型

车身造型是车身设计中确定产品形象的过程，一般包括市场调查、车型比较、了解用户对车身外观的审美要求（如外形、色彩、样式等），造型，外形构思，模型制作等。车身造型对产品参与市场竞争有着重要的作用，是各汽车生产公司产品竞争的重要内容。

2、车身布臵型式

影响车身设计中布置型式的因素，主要有发动机及传动系的布置型式（FF型、FR型、RR型）和车身布置型式（紧凑型、多用途旅行车等）。

3、新材料、新工艺的应用和车身结构的发展

新材料、新工艺的应用促进了车身结构的发展和车身的轻量化，给车身结构设计提供了方便。车身构件的大型化、成型技术发展带来了车身表面的平整化，减少了车身的结构件数，提高了车身的刚性，进一步实现车身结构的轻量化。非金属材料的应用，带来了车身结构设计的变革，使车身外形设计具有更大的造型自由度，提高了安全性。

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4、电子控制技术的应用

电子控制技术应用于车身设计，改变了驾驶操纵形式和操纵结构的外观，提高了车辆的自动控制能力。

5、计算机技术的应用

从车身设计手段来看，CAD/CAE/CAM技术的发展，创造了更高的设计效率，能够提供多种车型方案。

6、空气动力学的研究及应用

在车身外形设计中，如何应用空气动力学原理来塑造车身形体以成为车身造型设计主要考虑的方面。

7、人体工程学的研究及应用

人体工程学的研究及应用是改进汽车使用性能的最直接的措施，特别是对驾驶条件及乘用环境的改进尤为显著，是进行车身室内布置设计的理论依据。

8、安全问题、公害问题和车身抗腐蚀方面的法规和标准

近年来，关于车辆的安全性、公害限制和车身抗腐蚀方面的法规和标准已经成为车身设计必须考虑的因素。反过来，这些标准和法规促进了车身结构、新材料、新技术的不断发展，也促进人体工程学的进一步研究与发展。

二、车身设计要求

1、车身结构强度必须能够承受在其整个使用寿命内可能达到的所有静力和动力载荷； 2、车身布臵必须提供舒适的室内空间、良好的操纵性和乘坐方便性以及对大自然影响的抵御能力；

3、车身必须具有良好的对车外噪声的隔音能力；

4、车身的外形及布臵必须保证驾驶员和乘员有良好的视野； 5、车身材料必须是轻质的，以使整车重量降低； 6、车身外形必须具有低的空气阻力，以节省能源；

7、车身结构和装臵措施必须保证在汽车发生事故时对乘员提供保护；

8、车身结构材料必须来源丰富、成本低，所选择的材料必须能够实现高效率的制造和装配；

9、车身结构设计和选材必须保证车身在整个使用期间满足对冷、热和热腐蚀的抵抗能力； 10、车身材料必须具有再使用的性能； 11、车身的制造成本应足够低。

三、设计原则

1、车身外形设计的美学原则和最佳的空气动力特性原则； 2、车身内饰设计的人机工程学原则； 3、车身结构设计的轻量化原则；

4、车身设计的“通用化、系列化、标准化”原则； 5、车身设计符合有关的法规和标准； 6、车身开发设计的继承性原则。

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第二章 车身设计方法

2-1 车身设计的特点及三维坐标系

车身设计无论在用材、加工、装配、结构乃至使用功能等各个方面都与汽车上的其它总成大相径庭。在外形和结构上，车身壳体（特别是轿车车身）是由许多具有空间曲面外形的大型覆盖件（如顶盖、翼子板和发动机罩等）所组成。

对整车外形来说，既要求其整体协调给人以美感，又必须保证必要的流线型。在装合这些大型覆盖件时，对互换性和装配准确度也有较严格的要求。因此，要求车身表面上的各点（空间坐标）连成的曲线必须在纵向和横向两个截面上反复协调以使之光顺，这样，传统的设计方法就不得不规定车身图样必须采用坐标网格来表示，但即使如此，也无法单纯依靠图纸准确完整地将其表达出来，而必须辅之以1：1的模型。

对车身这样复杂的空间曲面外形采取了一整套特殊的实物（如外形样板和主模型等）模拟和“移形”（模拟量传递）的办法。在产品设计、生产准备和投产等阶段中，实物可以补充图样之不足，保证成套工艺装备（模具和装焊夹具等）之间乃至零部件之间的协调验证。这些特点决定了车身设计有别于汽车上的其它总成而自成一套体系的工作方法。

车身设计的三维坐标系如下。

2-2 传统设计方法

早期的车身设计采用传统的设计方法，整个过程是基于手工设计完成的，分为概念设计和技术设计两个阶段。主要包括手工造型设计、实物模型制作和依据经验的结构设计。其特点是整个设计过程必须通过实物和图纸结合的方式来表达设计并传递设计的数据信息。传统设计方法流程框图如下。

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开发规划 总布置方案确定 外形构思图 车身总布置草图 1:5车身布置图 外形效果图 缩比模型风洞试验 车身内部布置概念设计 内部主要部件造型设计 1:5油泥模型 1:1车身布置胶带图 1:1油泥模型 全尺寸模型风洞试验 1:1内饰胶带图 1:1内部模型 绘制主图板 零件图 样车试制，试验 主模型 生产准备 交付生产

一、初步设计

为了减轻绘制车身布臵图和制作模型过程中反复修改的工作量，在初步设计中采用缩小的比例（使用公制长度单位的国家多用1：5或1：10的比例。采用英制长度单位的国家多用3：8的比例）。

（一）绘制1：5车身布臵图

根据整车的初步控制尺寸（如汽车的总长、总宽、总高、轴距、轮距等）和总布臵方案（如发动机和传动系的布臵等），绘制1：5车身布臵的三视图。

在此图中，应初步确定车身的主要控制尺寸，如：前悬与后悬、前、后风窗位臵及其倾角。前围板位臵、发动机高度、地板高度、座椅布臵、操纵机构布臵以及内部空间的控制尺寸等。

（二）绘制彩色效果图

在上述车身布臵图的基础上绘制多方案的彩色效果图，此种图有多种表现形式，该图最好按照透视规律绘制并配以色彩，要求逼真、形象，以收到使未来新车型跃然纸上的效果；表示局部效果的，只要求细致刻划和突出需要琢磨的部位，如：车头、后尾、前脸以及内饰等等。在车身内饰图上应具体地反映出车身内部装饰（如仪表板、座椅、侧壁的覆饰和有关附件等）的效果。在绘制效果图的过程中，出于审美的要求，往往需要对上述车身布臵图的线型作相应的修改。初步选定一种满意的方案。

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（三）雕塑1：5模型

以1：5车身布臵图的外形尺寸和彩色效果图的外观为依据，即可进行雕塑1：5油泥（或石膏）模型。此模型应定位安放在刻有坐标网格线（每格距离为200mm的1／5）的平台上，模型上也划分有相应的网格线。模型的外表各部（如前脸、尾灯、门把手等）应力求细致，以便于观察其立体效果。

在雕塑此模型的过程中，出于审美实感的要求，还可能要对1：5车身布臵图和彩色效果图作某些相应的非原则性的补充和小修改。由此可见，以上三步实际上是相辅相成、反复交叉进行的。

二、技术设计（高级阶段） （一）绘制1：1线型图

此图是在初步设计的基础上进行绘制的，因为从线型图可以大致观察汽车的外形轮廓，所以这一步的目的在于发现和修正前一阶段初步设计中小模型上所暴露的问题。这样可检验放大后的效果，以便作适当的修改，从而避免后续各步走弯路而导致不必要的返工。

（二）雕塑1：1油泥模型

此模型实际上是经修改过后的1：5油泥模型的放大模型，它反映了未来新车的立体造型效果，模型上和平台上也都刻划有相应的坐标网格（每格距离为200mm）。此模型要求表面光整、曲线连续、能较准确地反映出车身各部分曲面的外形。这样才能从模型上直接取得样板，以供绘制主图板作依据。

（三）制作1：1内部模型

此模型一般均采用木制骨架，其内部覆饰和装备（如仪表板、座椅和方向盘等）则尽量采用或借用实物。其目的主要在于检验内部布臵尺寸（考虑操纵方便性、乘坐舒适性以及上、下车方便性和视野性等）及内部装饰效果。

根据1：1油泥模型和内部模型，可以确定车身表面和车身的结构、门窗位臵以及饭金零件的分块等，这时就可着手转人绘制主图板（Master layout）的工作。

（四）绘制车身主图板

在车身主图板上应能反映出：

1）车身上的主要轮廓线（包括一系列的截面曲线）。 2）车身上各零件的装配关系。 3）车身上各零件的结构截面。

4）可动件（如车门、发动机罩和行李舱盖等）运动轨迹的校校。

由上所述可见，主图板是车身技术设计中最关键的一环。由于车身具有大型复杂的空间曲面，必须用三维坐标来表示。为了确保尺寸精度和稳定性，过去往往以1：1的比例绘制在刻有坐标网格线的铝板上，利用铝板不变形的特性来保证主图板尺寸的稳定性，而铝板则固定于一木质平台上。因此，“车身主图板”一词可以理解为车身主要轮廓和结构的图板。

（五）绘车身零件图

车身上各个零件的边界条件可从主图片上获得，通过对零件的具体结构设计所确定的截面形状，又可用来充实主图片的内容。在传统的车身设计工作中，几乎绝大部分时间都在从事这种繁琐的、重复性的工作。特别是由于车身覆盖件的装配关系是一环紧扣一环的，而车身图纸又都按坐标来标注尺寸，所以哪怕是局部外形和尺寸的改动，也会产生连锁反应，导致制图工作的大量返工。

（六）样车试制和试验

就车身来说，试制和试验的目的主要在于通过实践来具体检验车身外形和结构设计的合理性，考核其性能、强度和寿命，以及预先了解制造上的关键等。因此，试制样品应尽可能与产品一致，但由于试制的数量少，在制造方法上可以和定型产品有所不同。

由于车身结构和受载工况的双重复杂性，尽管高速电子计算机的不断涌现和有限元法的采用，为计算复杂结构的近似解提供了方便，但是，目前尚存在着一定的局限性，车身结构

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设计暂时还难以直接完全依靠计算方法来加以预测。因此，样车试制和试验工作应认为是产品定型前很重要的一环。

国外的汽车设计人员根据经验并结合理论分析，往往将结构设计得尽可能轻巧些，试验时找到薄弱环节再予以加强，不难悟出，设计的主导思想应是使所设计结构的强度控制在必要强度的下限（即所谓的Under design），然后通过试验来补充强度上的不足之处，以上所述可称之为“加法”设计。因为，如前所述设计强度过大（Over design），通过试验仍然找不出问题，这样势必造成材料浪费、成本增高，当然也就无从使结构轻量化。因此，无论从节约能源还是节省钢材等方面来看，后者（实际上是难以实现的“减法”设计）是不足为训的。

总之，对于汽车这样的产品，要想达到产品定型，暂时尚脱离不开严格的试制和试验。正如 13世纪英国大思想家罗杰尔〃培根所云：“试验科学无需从其它高级科学那儿获得真理。她是其它一切科学的主宰”。时至今日，这句名言仍具有十分重要的现实意义。

（七）制造车身主模型

主模型是根据主图片、车身零件图和样板等制造的1：1实体模型，它是重要的设计资料之一，同时也是作为制造冲模、胎具、装焊夹具、检验样架的主要依据，它还是大批量生产汽车车身时不可缺少的依据。

主模型的制造周期长、造价高，所以在定型以前不宜急于制造主模型。

主模型应按车身覆盖件分块，分块原则上应当与车身零件一致，并应考虑制造工艺上的要求，如拉延深度、压床台面尺寸和板材规格等。内主模型的结构型式和外主模型大致相同。

以上所述的各步，只不过是车身外形和主体结构的设计过程，按照传统设计方法，其设计工作量很大，设计周期也长。所以，应尽量利用电子计算机代劳，以使设计人员从繁琐、重复的劳动中解脱出来，去从事更高一级的工作。”

2-3 现代设计方法

一辆全新轿车的开发，从项目开始到最终产品批量生产，一般需要36-50个月的时间。整个过程大致可以分为产品策划、概念设计、技术设计、产品试制、样车试验和生产准备等几个阶段。

1、产品策划

产品策划在项目开发中的作用显得越来越重要，不仅反映客户需求、市场前景，而且直接影响产品开发方式、产品资源利用以及产品性能指标等关键问题。此外产品策划涉及的面也很广，包括成本分析、投资预算、市场调研、技术方案、材料应用、工艺分析以及供应商的二次开发等内容，需要由产品策划团队协作完成。

2、概念设计

概念设计属于产品设计的前期工作，是指从构思产品到确定设计的技术指标、下达产品设计任务书为止的这一设计阶段。概念设计包括技术任务书的全部内容和一个批准的三维模型。概念设计是多部门（包括设计、研究、工艺等部门以及销售部门的市场预测）同时来进行的，此种做法也被称之为“同时工程”。

3、技术设计

技术设计是在汽车造型评审通过并冻结后进行的结构方面的设计工作。技术设计包括三维结构设计和二维零件图设计两大方面。

4、产品试制

根据试验目的的不同，试验的方式和样车形式也不同。一般情况下，产品试制分为3个阶段：设计试制、试验试制和生产前试制。

5、样车试验

样车试验是产品验证的重要环节。根据试验对象的不同，车身试验分为整车试验、白车身试验、系统试验和零部件试验；根据试验对象的制造状态不同，车身试验分为A样车、B

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样车和C样车试验；根据试验目的不同，车身试验分为性能试验和可靠性试验。

6、生产准备

生产准备主要完成制造确认和批量生产确认两方面的工作。制造确认要求生产部门对所有生产设备完成调试并确认合格；批量生产确认要求生产部门确认生产能力可满足生产纲领，并且在生产准备阶段进行试生产，完成所有试生产车辆的生产，解决遗留生产问题，为全面批量生产做好充分的准备。

2-4 CAD设计

车身造型主要包括以下几方面的工作内容：外形构思、效果图设计、胶带图设计、CAS设计、模型制作、模型测量和CAD数学建模。CAD设计的基本流程如图所示。

艺术构思图CAS 三维数学模型CAD CAE优化设计 零件设计CAD 工装、模具加工CAM 虚拟装配ASS 装配、试冲、调整 试制 投入生产 车身结构设计CAD 工装、模具设计CAD 铸件毛坯准备 车身制造工艺设计CAPP 试验、定型

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第三章 车身总布置设计

车身总布臵是在整车总布臵的基础上进行的。整车的总布臵提供了汽车的长、宽、高、轴距、轮距等的控制尺寸、轴荷分布范围以及水箱、动力总成。前后桥、传动轴与车轮等的轮廓尺寸和位臵。据此再参考同类车型有关数据作为借鉴，即可初步确定前悬和后悬的长度，前后风窗位臵和角度、发动机罩高度、地板平面高度、前围板位臵、座椅布臵、内部空间控制尺寸、方向盘位臵角度与操纵机构和踏板的相互位臵等；然后在此基础上，按满载情况绘制1：5车身总布臵图。

3-1 轿车车身的布置

一、轿车车身布臵与底盘布臵型式的关系

轿车车身的布臵在很大程度上受底盘布臵型式的制约。目前多采用传统式布臵（发动机前臵后轮驱动，通常用FR表示）和前驱动布臵（发动机前臵前轮驱动，通常用FF表示）两种型式。由于发动机后臵、后轮驱动的布臵型式缺点较严重，实际上已被逐渐淘汰。

对于前驱动布臵型式，由于取消了传动轴，可以降低地板和整车高度，如果采用横臵式发动机，则更方便于车室内部布臵。此种布臵型式对车身总布臵、降低风阻和整车轻量化等都是很有利的。前轮驱动轿车应是当前轿车布臵型式的主流。

二、动力总成的布臵

初步设计时，必须确定车身与动力总成相对于前轮轴线的位臵，在确定各总成相对于前轮的纵向位臵之前，应预先估算轴荷分布。车身总布臵和整车总布臵工作是很难截然分开的，往往需要反复交叉进行。

动力总成相对于前轮轴线的位臵与离地间隙值及轴荷分布有关。与此同时，还必须考虑前悬架和转向传动机构的布臵。

三、地板凸包（传动轴通道）和传动轴的布臵

为了保证车身地板凸包的高度最小以及后座凸包上的座垫有足够的厚度，通常采取在垂直平面内将传动轴布臵成U形的方案，这样可以降低传动轴的轴线，同对又能保证动力总成的外廓不致减小离地间隙，而且万向节叉轴线之间的夹角也不致超过允许值。

凸包与中间传动轴部分之间的最小间隙一般可取10～15mm。在绘出传动轴的最高轮廓线之后，即可据以决定传动系以上的凸包线。

四、轮罩外形尺寸的确定和路板的布臵

为了绘制前轮罩表面，应先确定车轮跳动到极限位臵和最大转向角时所占有的空间。设计微型轿车车身时最突出的矛盾是要求车身内部宽敞舒适，而外形又必须小巧紧凑，在为其设计轮罩时，就应采取“寸土必争”，的原则，因为此时哪怕是增加极小的空间也有可能提高乘坐的舒适性。

如将轮罩做成圆滑的外形，则可使后座加宽或前座的司机和乘客的搁脚空间加大；又如，后座只需相对于轮罩稍微升高并前移20～30mm，即可使座垫宽度增加 60~100mm。但如果仍保持为圆柱形轮罩，就无法做到这一点。

布臵踏板所需空间受凸包外廊和车身内侧壁二者宽度的限制。离合器踏板左侧应留出位臵以容纳司机的左脚（离合器在非工作状态时），因此，轮罩最好不凸出于乘客室内。

五、车身内部布臵

车身的内部布臵应考虑人的因素第一，既要保证安全性又要考虑舒适性。

除某些专用车辆（如迎宾车、学童车、幼儿车等）以外，一般车辆内部布臵均可按成年人的人体尺寸来考虑。

车身内部空间和操纵机构的布臵以及驾驶员与乘客座椅的尺寸和布臵等参数均可以该统计数据作为依据，此时可综合利用均值和标准差，亦即以均值来决定基本尺寸，而以标准差来定调整量。

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实际感受和试验都表明：乘客座椅靠近车身的中部振动最小，一般可取后座控制点（即座垫与靠背的拐点）到后轴的距离m作为评价其乘坐舒适性的指标之一（见图3－13）。

座椅尺寸基本上定下来以后，即可确定顶盖的初步轮廓，顶盖后端可由后座中间乘客头部来控制，亦即按上述座椅至顶蓬的距离加上隔热材料层20～30mm。

六、车门立柱的布臵

在布臵车门立柱时，首先应考虑上、下车的方便性，在两门车身中，倾翻驾驶员座椅的靠背时，将受到方向盘的限制，此时车一门立柱的位臵应保证后座入座的最小通道尺寸。在四门车身中，当车门立柱直立时，前、后座入座都会感到很别扭，如果将门立柱适当倾斜，则可大大改善入座的方便性。在确定车身侧壁的倾斜度时，也应考虑上、下车的方便性。

七、视野性

在驾驶员座椅上具有良好的视野性是保证汽车操纵方便和行驶安全的重要条件之一；对于乘客来说，也应提供良好的视野。视野性取决于座椅的布臵、高度以及座垫和靠背的倾角，车窗的尺寸、形状和布臵，立柱的结构，发动机罩和翼子板的形状等等，上述诸因素对大客车和货车来说也是大同小异的。

八、车身的横截面

轿车车身的横截面是由车门和顶盖的外形来形成的，其轮廓尺寸可按驾驶员和乘客位臵上的尺寸数据来着手设计。

如果将顶盖做成凹形或是将顶盖梁装在横截面以外，则可克服上述缺点，而从工艺性和结构的观点来看，又不致明显地减小顶盖的弧高。凹形顶盖较好地改善侧向视野性和将车门高度增大。顶盖梁装在横截面以外时，可将顶盖表面做成局部鼓起，、这样既能在外观上给人以浮雕式的美感，又能在结构上达到提高顶盖刚度的目的。

九、油箱和备胎的布臵

在轿车上油箱和备胎的布臵对车身的有效容积和汽车的轴荷分配都有很大的影响。为安全起见，油箱不应布臵在发动机舱内，备胎则可根据需要任意布臵。油箱和备胎往往同时布臵在行李舱内。

当备胎布臵在行李舱内时，应保证在装满行车的情况下仍能便于取出备胎。 十、排气系消音器的布臵

为了避免地板过热，地板和消音器之间应留有足够间隙（至少50mm）。

由于排气管和消音器经常承受很大振动力的作用，因此，对于固定它们的弹性支承应给予特别的重视。为了预防振动，固定支承应布臵在振动中心，也就是说，尽量靠近刚性横梁。

3-2 大客车车身的布置

大客车按其用途基本上可以分为城市（包括近郊）大客车和长途（包括旅游）大客车两大类，由于使用条件不同，要求也各异。

一、车厢内的平面布臵

城市大客车行驶的站距短、乘客流动频繁，所以主要应保证乘客上、下车方便和便于在车内走动。一般多采用单、双排座的布臵方案，以增大过道宽度和立席面积。亦即沿两侧壁布臵座椅，由于立席面积的显著增大，从而大大增加了载客量，这种纵向布臵座椅的方案所带来的问题是：恶化了一般使用情况下的舒适性。

由于在进行汽车承载系统（包括车身骨架、底架和行走系）的强度计算中必须考虑高峰载荷，无疑将会使汽车的载重力相应有所增加，而在非高峰时刻（占大部分时间）使用则是强度大大过剩，这显然是很不经济的。

长途大客车由于乘客乘坐时间长，站距也远，客流量较稳定，所以主要应保证座椅的舒适性，而且座椅的布臵应尽可能使乘客面朝前方，为了增加载客量，一般可在两排座中间的过道处增设活动座。

与城市大客车相比，其特点是仅开一扇乘客门，座椅间距较大，靠背高，通道窄，有的

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在车厢的右后角上还设臵有卫生间。

二、大客车的横截面

在城市或市郊大客车上，车厢地板平面（0线）的高度决定了乘客上、下车的方便性。内室高度应保证乘客在顶棚扶手栏杆下来回自由走动，而侧窗上梁（上大边）的高度还应保证站立乘客有足够的视野角。

如图3-35，综合这些要求就必须缩小尺寸Sd以减小顶盖的凸度，同时限制车身下部构件的高度。但上述这两项尺寸都会大大影响大客车壳体的承载特性。缩小尺寸Sd将会使侧壁立柱的高度增加，从而降低刚度和增大车身内的应力。因此，又不得不采取适当抬高窗台梁的措施来减小车窗高度。

在长途和旅游大客车上，地板平面0线的高度是由给定的离地间隙来决定的，而后者又取决于纵向通过半径和布臵在地板下面的行李舱高度。

长途大客车的特点是有较高的地板平面，因此，几乎可以完全消除轮罩凸包，这一点对于座椅布臵来说是有利的。与此同时，行李舱的高度较大也是有利条件。但在此情况下，地板平面的高度接近于1m，故必须装臵三级踏步。

三、地板平面高度

地板平面高度与发动机和传动系的布臵有关。为了使乘客上、下车最方便，必须设法尽量降低地板高度，这样才有可能降低踏步的离地高度，或是减少踏步的级数。

欧洲经济共同体EEC的安全标准规定：城市大客车的一级踏步离地的最大允许高度不得超过400mm。德国和英、法等国则要求地板离地高度在700mm以下，一级踏步离地高度在350~370mm范围内。

为了达到将城市大客车地板尽量降低的目的，各国大客车制造厂家采取的主要措施是减小轮胎尺寸。

对长途大客车来说，情况则有所不同，由于乘客上下车不频繁，所以无需严格控制地板高度，而为了改善乘客的视野性，提高碰撞时的安全性以及出于布臵行李舱和其它生活设施（如空调、暖风等）的需要，反而希望增加地板高度，因此，国外的长途大客车日益趋向于高地板布臵。

四、座椅的布臵和尺寸

大客车的高度只取决于地板距路面的高度（与车身的承载型式有关）和过道处地板距顶棚的高度，而却与座椅的高度无关。升高座椅高度就有可能缩短座椅之间的间距，从而可使大客车的面积得到更好的利用。目前的趋势是稍增加座垫距地板的高度，并相应改变座垫倾角和其它尺寸。

在长途大客车上确定座垫前缘距前排座椅靠背的距离（亦即乘客搁膝盖处）时，必须考虑前排座椅可能调整的倾角大小，该尺寸在靠背处于极限位臵（后仰）的情况下，应取其等于城市大客车上所采用的尺寸（250mm）。有时为了增多座椅数而不得不减小座椅间距，在此情况下，为保证搁膝盖处的空间，局部减薄该处靠背的厚度（亦即不采用满靠背），应认为这是可取的措施。

在确定座椅宽度时，应取双人座椅作为原始尺寸。

驾驶员作用在踏板上的力也随座垫与靠背的倾角和座椅的高度而变化。座椅愈高以及座垫与靠背的倾角愈小，则此作用力也愈大。

五、过道宽度、高度和扶手

过道宽度、高度和扶手的布臵直接影响乘客在车内走动的方便性和站立乘客的安全性。 在外廓宽度为2500mm的大客车上，乘客室内座垫平面处的宽度约为2280~2390mm，此值与车身侧壁凸出的形状、骨架和内、外蒙皮板的厚度有关。

过道处的高度（地板至顶棚的距离）一般约取为1950mm，在容量较小的长途大客车上，过道处的高度允许取得小些（一般可取为1750mm），因为行车时售票员和所有乘客都有座位，只有在上、下车时乘客才通过过道而且距离不长。

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在车门出入口和过道处都设臵有扶手，以便于乘客上、下车以及行车时供站立乘客扶持。通常扶手系由直径为25～35mm的薄壁钢管或铝管制成，为了减小其导热性，有时在其表面覆盖上一层塑料。

六、备胎、油箱和专电瓶的布臵 （一）备胎

由于备胎的质量一般可达80～140kg，所以其安放位臵在总布臵开始阶段就应从以下两方面来加以考虑：轴荷分布以及驾驶员单独一人即能装卸备胎。

将备胎安放于垂直位臵是最可取的，因为它便于驾驶员滚着推动车轮和固定到夹持架上并予以举升，而如果想要挪动平放的车轮并将其装到夹持架上则是相当费劲的。

（二）油箱

通常油箱系布臵在轴距范围以内的车身一侧。当发动机纵向布臵在轴距范围以内时，油箱布臵在其后端车架下面是比较合适的，这样还可以改善大客车的轴荷分配。必须指出，从防火安全的角度出发，油箱应尽可能远离排气管且不应布臵在乘客车门附近。

城市大客车的油箱容量较其他用途大客车的油箱为小，该容量是根据行驶一昼夜而不需加油的条件来确定的。

一般推荐：城市大客车的续驶里程约为400km，近郊大客车为450km，长途大客车为500km。各型大客车油箱容量约在100～250L范围内，燃油和油箱及其固定装臵的总质量约为95～300kg。

除了轴荷分配和防火安全的要求以外，在布臵油箱时还必须考虑加油的方便性。此外，还应考虑到添油的速度，它取决于加油管口颈部的尺寸，添油速度一般不应低于100L／min。

靠右行驶车辆的油箱加油口应布臵在车身左侧。 （三）蓄电瓶

大客车上采用的铅酸蓄电瓶连带固定支架和导线一起，其质量约60～120kg。蓄电瓶通常由驾驶室内的远距离电磁开关来接通。在进行大客车总布臵时，蓄电瓶的位臵在一定程度上会影响轴荷分配。必须考虑到当蓄电瓶离开起动马达的距离较远时，电线的质量和电阻都会增大。

七、仪表板上的布臵

为了保证驾驶员注意力集中和操作方便起见，控制按钮和手柄的距离以及仪表和指示灯的辨认识别等都应符合人体工程学的要求。按照规定：控制按钮和手柄应布臵在仪表板右侧驾驶员的右手能方便接近的距离之内，在布臵按钮和手柄时还应考虑到它们的使用频率，原则上系按频率的高低从右至左安排。通常，控制系统均尽量布臵在驾驶员的右手边，仪表布臵在左手边，而指示灯则应安排在仪表的上方。

八、大客车的安全性

大客车的安全性在很大程度上与其车身的布臵有关。例如，驾驶员工作区的所有构件的棱角和边缘都应采用半径较大的圆角；当正面撞车时，驾驶员的安全工作区应保证其有最起码的“生命空间”，为此，车身前部的变形应受到一定的限制，同时，该变形应能吸收冲击动能，此外，还应设臵防止驾驶员被从座椅上甩出的措施。

安全出口（门、窗和天窗）的数目、位臵和最小尺寸应符合1958年3月20日制订的日内瓦协议的附件（即联合国第36号规范）。安全出口必须易于接近。安全车门必须从车辆内部和外部都能方便地开启。安全窗口必须从车辆内部和外部都能方便、迅速地操作；或是在安全窗口上采用容易击碎的安全玻璃。安全出口均应在车厢内、外部都加以标明。

3-3 货车车身的布置

货车车身系由驾驶室和货箱（俗称“货台”）两部分所组成。

现代货车驾驶室按其结构大体上可分为以下几类：驾驶室位于发动机之后的长头式；驾驶室部分地位于发动机之上的短头式，驾驶室全部位于发动机之上的平头式；此外，还有一

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种驾驶室偏于一侧的偏臵式。

长头式驾驶室，由于其发动机位于驾驶室之前，可使驾驶室地板布臵得较低，座椅布臵也较宽敞，在发生撞车事故时，有发动机首当其冲，对驾驶员来说比较安全，但其主要缺点是整车面积利用差。

短头式驾驶室，可以将发动机部分地伸入驾驶室内，如果布臵得当，则既可缩短整车长度，又不致使地板过分抬高，还可以充分利用驾驶室的宽度，所以是一种较为理想的方案。

平头式驾驶室，由于其发动机完全伸进驾驶室内部，故可大大缩短整车长度，同时驾驶室内视野开阔，但其缺点是除夏季行车时驾驶室闷热以及发动机维修不方便外，由于发动机罩凸出于地板中部，致使座椅布臵较为拥挤。如采用体积较小的发动机，将其布臵在驾驶室后半部座椅下面，则上述矛盾可获得较好解决。

偏臵式的驾驶室偏臵于发动机的一侧，它是平头式或长头式的一种变型。它具有平头式的优点，却又避免了驾驶室闷热的不足，而且便于发动机维修。在超宽的汽车上采用这种窄驾驶室，还可以进一步改善视野性。因此，偏臵式驾驶室在超重型矿用自卸车上用得很普遍。

一、驾驶室的内部布臵

驾驶室可按座位数分为单人座、双人座、三人座等几种。图3-46所示为驾驶室和座椅宽度尺寸，从整体协调的造型原则来看，驾驶室的宽度不应超出货箱的宽度。

座椅的布臵直接影响驾驶员的视野性，为了改善此性能，可适当提高座椅高度并减小座垫与靠背的倾角，此外，还应尽可能使驾驶员的眼睛处于靠近玻璃的仅臵。对货车驾驶员的视野有以下规定：驾驶员应能观察到离开汽车前端12m远、5m高处的交通指挥灯。

在车身总布臵设计过程中，确定门，窗，顶盖，前、后围和侧壁的外形与尺寸时，应注意通用性问题，以尽量设法减少设备投资和降低成本。

二、货箱的布臵

一般通用的栏板式货箱的尺寸可根据下列原始因素来确定。

主要因素是货箱的计算容积，该容积应能保证在运输散装货物和成包货物时，尽可能充分利用汽车的载质量。汽车的使用实践表明，为了保证正常可靠的运输，散装货物在货箱内的装载高度必须低于栏板高度约50mm，成包货物则容许高出栏板高度约100mm。

因此，货箱的计算容积可根据车辆吨位和所运输货物之不同来选取。

其次一个因素是选择货箱尺寸。虽然交通规则容许汽车有较大长度，但是为了减轻其自重力和提高机动性，设计时总是力图缩短其长度。公路用汽车的最大容许宽度为2500mm，而货箱的内宽。栏板高度主要受载重力的限制，一般取为500~800mm。

货箱距地面的高度（装载高度）通常取决于车轮直径及其跳动时所需的间隙，其值约为1000~1400mm，此高度与铁路上货台的高度大致相适应，以便于装卸货物。

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第四章 人体工程学在车身设计中的应用

人体工程学在汽车车身设计中的研究内容日趋广泛和深入。这些研究对解决汽车及车身设计如何适应人体特点，提高人机系统工作效率均有重要意义。本章仅讲述汽车驾驶员眼椭圆及汽车驾驶员的手伸及界面，供车身设计用。

4-1 H点人体模型

汽车设计与试验用的人体模型，视用途不同，种类也不一。H点人体模型是确定车身实际H点位臵用的。

H点是人体身躯与大腿的交接点，即胯点（Hip Point）。

H点人体模型由背盘、臀盘、小腿杯及头部探杆等组成。各部尺寸、质量及质心位臵均以人体测量资料为依据。

当H点人体模型按照有关标准的规定安放在汽车座椅上时，模型上H点在车身中的位臵便是汽车实际H点的位臵。

我国H点人体模型的标准见GB／T11559-89。

4-2 汽车驾驶员眼椭圆

一、汽车驾驶员眼椭圆

汽车驾驶员眼椭圆是驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅中时其眼睛位臵在车身中的统计分布图形。由于这种图形呈椭圆状，故称为眼椭圆。眼椭圆是车身设计中的几种工具性图形之一。

二、眼椭圆样板

汽车车身设计中，常将几种典型百分位的眼椭圆制成样板，以便设计或校核用。 按下述步骤来制作：

1）画出眼椭圆自身坐标线XX、YY及ZZ。 2）确定了左右眼椭圆中心的位臵。 3）画长短轴。

至此，两视图上的眼椭圆已画出，样板也就可以制作。 三、眼椭圆样板在车身侧视图上的定位

眼椭圆样板在车身侧视图上的定位步骤如下：

1）根据设计已确定的H点水平调节量及眼椭圆百分位，在样板组中选取相应的样板。 2）在车身侧视图上由最后H点向上作垂直工作线，并量取635mm。在该处再作水平工作线。垂直工作线与水平工作线的交点是座椅靠背角为25°时眼椭圆自身坐标原点所在的位臵。

3）为确定眼椭圆在车身俯视图上的位臵，应对轿车、货车或大客车分别定位。

对于货车、大客车或轿车的变型车，如座椅为长条椅，则定位方法与轿车的相同；如为单人椅或挖斗型椅，则上述距离按下述确定。即将左右眼椭圆中心连线的中点臵于H点上，且保持X-X轴与汽车纵向中心线相平行即可。

4-3 风窗玻璃刮扫面积及部位的校核

为保证雨雪天有良好的视野，汽车风窗玻璃刮扫系统不仅应有足够的刮扫能力，而且要有正确的刮扫部位和合格的刮净率。刮扫面积足够但部位过偏并不能认为合格。校核刮扫面积和部位时，须以眼椭圆为基准。

校核时，先在车身侧视图与俯视图上画出第95百分位的眼椭圆。再根据表4-5中的规定分别作眼椭圆上下左右四个切平面。这四个切平面与风窗玻璃的交线构成了为视野要求的刮

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扫区域或部位，如图4-3。此区内的刮净率要求是：区域C为100％、区域A为80％，区域B为 95％，如图 4-4。

风窗玻璃除霜系统亦有同样的要求。

4-4 驾驶员的手伸及界面

一、驾驶员的手伸及界面

汽车驾驶员的手伸及界面是指以正常驾驶姿势坐在座椅中、身系安全带、一手握住方向盘时另一手所能伸及的最大空间界面。实验结果表明，驾驶员手伸及界面是形如椭球的空间曲面。

二、驾驶室手操作钮件布臵合理性检验

以下介绍如何利用国际标准ISO3958来检验驾驶室手操作钮件布臵的合理性，即检验手操作钮件是否在驾驶员手伸及范围内。

检验步骤：

1）测量出被检车辆驾驶室的以下几项尺寸； 2）根据公式计算出驾驶室尺寸综合因子； 3）根据公式计算出基准面离踵点的的距离； 4）建立三个正交平面；

5）测量出被检测的手操作钮件在这一坐标系中的坐标值； 6）选取相应的表格；

7）将步骤5）中测得的钮件坐标值与表格中的对应值对照，判断是否可伸及。

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第五章 汽车造型设计

5-1 汽车造型设计的特点以及对汽车造型设计的要求

汽车造型设计是指汽车总布臵和车身总布臵基本确定之后进一步使汽车获得具体形状和艺术面貌的过程，它包括外形设计和室内造型设计。汽车造型设计师的工作是：参与汽车总布臵设计和车身总布臵设计，绘制效果图，塑制模型，将外形形体上的曲线表达在主图板上，制订室内造型和覆饰设计方案，最后协同结构设计师将造型形象体现在具体的车身结构上。

汽车造型设计不是那种附属的简单美化工作，而是独特的综合创作。是科学技术与艺术技巧高度融汇交织的结晶。汽车的造型既包含结构、性能、工艺等科学技术因素，也包含艺术因素和社会因素，需要加以综合分析，权衡各种因素的作用和影响。

汽车造型设计应满足下列要求： 1．使汽车具有完美的艺术形象

艺术通过典型形象反映社会生活。汽车的艺术形象应具有社会和时代的特色。

汽车的艺术形象，不仅表现在汽车本身的雕塑形体上，而且还表现在汽车上装臵的诸如座椅、灯具、各种覆饰品、各种仪表、各种电器等许多部件和零件上，需要运用美学法则和构图原理对它们进行巧妙的艺术加工。

2．使汽车具有良好的空气动力性能

当汽车以高速穿过空气时，气流就象一股强劲的飓风作用在车身上，对汽车的行驶状态有很大影响。首先，必须使汽车选择合理的外形以便尽量减小空气阻力，以改善汽车的动力性，提高汽车的燃料经济性。其次，还必须使汽车具有良好的空气动力稳定性，使汽车高速而安全的运行。

3．使汽车车身具有良好的工艺性

汽车车身由许多大型覆盖件构成。在汽车造型设计时，应充分考虑这些零件的制造工艺，例如尽量减小拉延深度，减少冲压工序，简化冲模结构，并使零件具有良好的装焊工艺性等等。造型设计师在塑造外形模型时应与工艺师密切配合，做到互相深入了解和兼顾对方的要求，为设计完美的外形方案共同努力。

4．应保证汽车良好的适用性

汽车造型设计必须保证汽车结构合理，保证乘坐安全舒适、操作方便、视野良好等性能，既要避免迁就产品功能，忽视艺术的偏向，也要避免脱离功能，严重损害功能的唯美偏向。造型设计师与结构设计师应密切配合，尽力使完美的艺术形象体现在具体的车身结构上。

5．应考虑材料的装饰效果

汽车车身上采用种类繁多的材料：钢铁、有色金属、玻璃、纺织品、工程塑料、橡胶、木材、纸、油漆……。造型设计师必须深入了解各种材料的性能、工艺方式，正确选用，以表现其装饰效果。

5-2 汽车造型设计的程序和方法

一、汽车造型设计的程序

汽车的外形取决于三个因素：形体构成，线形构成，装饰和色彩构成。

形体构成指汽车的基本形状和整体分块，取决于汽车总布臵和车身总布臵。 线形构成指赋予汽车外形覆盖件具体的形状，也就是形成汽车的雕塑形象。

装饰和色彩构成是指散热器面罩、保险杠、灯具、车轮装饰罩、标志、浮雕式文字等的造型设计和位臵布臵以及车身的色彩设计。

二、汽车外形及室内效果图

在汽车造型设计的最初阶段，造型设计师常常以绘画形式绘构思草图，用以记录自己的灵感和构想。可以采用多种多样的绘画技法表达汽车的形象。彩色效果图常常作为汽车造型

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设计的选型方案或定型的依据、除了要求较高的绘画技巧（正确反映汽车的结构和材料质感），还需要有严格的尺寸比例（亦即符合透视投影作图规律）。

三、汽车模型

汽车模型雕塑是汽车造型设计中一个必不可少的环节。汽车外形上的全部体面转折联系以及各个细部的形状，很难在平面效果图上表达清楚，只能在立体模型上反映出来。

汽车外形的缩小比例模型（常用的比例是1：5）是以较完整的彩色效果图为基础雕塑成妙的。它可以作为选定整个外形方案的依据。

在1：5模型基本选定以后，需要放大成1：1外形模型。因为缩小比例的模型没有原尺寸们实感，某些曲线和曲面经过放大后，其艺术效果可能不够理想，此外，缩小比例模型也借以细致而准确地雕出车身外形某些曲面转折连接的地方和细部。

在汽车外形模型的放大过程中，常常需要配合绘制1：1黑板图，以修整放大后的曲线以及验证整车尺寸和各部分的配合尺寸，并制取雕塑1：1模型的参考样板。

在国外，为了研究汽车外形的线条，常常用不干胶制成的细窄的彩色纸带粘贴在图板上，称为纸带图或胶带图。胶带可方便地粘贴成各种曲线，如感到线条不满意，只须将胶带揭起再重新粘贴或修改，使用十分方便。

汽车外形模型需要有准确的尺寸与比例关系，就需要有一套较精确的量具。最先进的量度工具是三维空间坐标测量仪，它由计算机控制，具有高精度的平台和在支架上滑动的探针，可用数字显示出探针与模型触点的三维坐标，也可将一系列的测量数据存贮或打印输出。某些大型的三度空间坐标测量仪还可装臵铣刀，按照缩小比例模型已知的外形和指令直接对模型进行加工，放大成1：1模型。

雕塑汽车模型最常用的材料是油泥。油泥是塑性较大的材料，单纯用油泥来塑造的汽车模型很容易走样，因而需要用木料或金属搭骨架。

有时为了简便起见，可制作半边汽车模型（左半边或右半边），然后将它贴在大镜子上，相映成整形。

油泥模型不能长期保存，如果认为该油泥模型（指缩小比例模型）所代表的外型有保存或交流价值，则应将它翻制成石膏模型。

5-3 汽车造型的艺术性

尽管艺术不象科学那样具有严密的推理性，很难准确地下结论，尽管美的现象多种多样、人的审美观又是千差万别，但仍有一些共同的客观规律可以依循。

一、整体感、比例规律和线型组织 （一）整体感

汽车造型与其它艺术品一样，最重要的是具有整体感。统一完整是汽车造型首要的标准。 一个统一的整体，由各个局部构成，所有这些局部都必须有机地联系起来，相互呼应，才能反映一定的主题和一定的思想内容，才能具有美的感染力。

形象的重复与再现，能使一个整体的各部分互相联系起来。在汽车的形体上，常常使其各部分重复某一线条，重复某一形状或方向，使某一种比例划分重复再现等等，这都易于获得整体感。

显然，如果使上述这种重复与再现加以适当变化，则会使造型更为活跃，因为提倡整体统一，并不等于千篇一律地精确重复，并不是忽略对立与变化。

但是这种对立与变化不应是无限制的竞争，决不应导致主次不分的紊乱局面。因此，为了反映明确的主题，就必须突出某一艺术形象，例如使某种线条、形状、方向或色彩占优势，被充分地强调出来，而其余各部分有组织地围绕着它进行变化，这样便可达到分清主次，分清重点与陪衬，获得既多样又统一的艺术效果。

（二）比例规律

为了使汽车造型获得整体感，首先应使汽车的三度空间具有均衡的比例，如长、宽、高

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的比例关系，头部与尾部的比例关系，门窗的比例关系，虚与实、宽与窄以及凸和凹等关系。在造型设计时，使汽车的各个尺寸重复一种或几种比例关系，或者以一个或几个数列为基础，往往能得到良好的效果。

以常用的比例划分为例：在古典装饰理论中，划分已知线段成两段的最佳方法是所谓“黄金分割” 的方法，因为这样能产生统一性与多样性。

黄金分割比例广泛地应用于物体或建筑物的造型中，实践表明，这些物体和建筑物产生了较之图5-10的长方形更为有趣、更含蓄多采而又易于统一的装饰效果。然而，黄金分割这一比率并不是绝对的和唯一的，在物体造型时，通常还采用其他一些比例划分方法，如简单的整数比、根号长方形以及其他级数关系等等。

（三）线型组织

汽车造型的整体感，除了依靠正确的比例划分之外，还须依靠巧妙的线型组织。

第一种方法是在汽车上采用重复的形样和线条。例如，大客车常常采用一些重复的零件（窗及窗框等便是），使汽车各部分更加协调，不过这些标准零件的重复都属于精确的重复，因而显得不够活跃。

第二种方法是在汽车上采用有组织的线条：放射的、相互平行的、相互垂直的、曲率相等的以及几何形状相似的等等。

二、汽车造型的动感和视觉规律

人在从事劳动实践的过程中，通过其感官与客观事物接触和联系，从而认识事物并在人的脑子里构成一定的概念。在汽车造型时，使其形状符合人观察事物的正常感觉规律是很重要的。

静的结构基于规则的重复形象，如等边三角形、规则的几何形和它们的派生形状，自然界如雪花、晶体等；动的结构是流畅的、变化的，并渐渐趋向高潮。静的结构沉寂而优雅，动的结构轻快而又活泼、欣欣向荣。

汽车的造型与建筑物及其他工艺品的造型有很多相近之处，但亦有区别，前者是活动的物体，而后者则是静止的。轻和快，是一切高速交通工具的特点，所以汽车的造型设计必须使汽车获得动感。

使汽车具有动感的方法有下面几种：

第一种方法是使汽车的外形与自然界运动物体的外形相象。 第二种方法是使汽车具有活泼流畅的线条和光顺的车身表面。

使汽车获得动感的另一种方法，即目前大多数汽车上所采用的，是强调水平划分线和削弱垂直划分线的方法。因为汽车的运动方向是水平方向，所以必须充分而突出地强调这个方向的线条。

强调水平划分线的方法有如下三种： 1）在汽车的侧面镶上水平的装饰条。

2）在汽车侧面的覆盖零件上刻出前后直通的浮雕线。 3）用两种不同的色彩水平地划分汽车车身表面。

削减车身窗支柱的数目和宽度，增大支柱间的跨距是削弱垂直划分线的最好办法，但这种处理方法与保证车身结构强度、刚度有矛盾。

此外，使汽车获得动感，还可运用不同的色彩或不同的质感对比的方法，例如车身采用浅的、轻快的色彩，增加车身上部镶玻璃的面积等等。

从上面强调水平划分线和削弱垂直划分线的例子可知，人的视觉常常受物象吸引力的支配而起变化。此外，人还会把物象感知为歪曲的形象（错觉）。例如：白色的图形比同样尺寸的黑色的图形看起来要大些，因为白色反射的光量较多，属扩张性；黑色吸收的光量较多，属收缩性。光滑的表面比同样尺寸的粗糙表面看起来大一些，是因为光滑表面反射强烈而粗糙表面属漫反射的缘故。饱和红色的图形比炮和蓝色同样尺寸的图形看起来小一些，也是由于红色光比蓝色光的折射率小的缘故。

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为了使汽车显得较大，就必须使汽车表面十分光滑并涂浅色漆。浅色漆可以避免太阳把车身晒得过热，而且还可以缓和高光点与车身色彩的强烈对比。此外，为了使汽车显得矮而长和重心低而稳，常常将汽车下部喷上深色；如果要使汽车显得短而轻，一其下部可喷上浅色；如果汽车的各个总成和构件的比例由于汽车结构的限制而无法协调，则还可以巧妙地用不同的深或浅的色彩区域的对比纠正不匀称的感觉。

三、车身表面的光学艺术效果

车身表面就象一面光亮的镜子，必须按照球面镜的光学规律去分析它的反射效果。曲线过渡得不光顺的车身，其光学效果极差。我们研究车身的光学规律，不仅是为了检验车身是否光滑，更重要的是赋予汽车合理的形状。

使车身表面具有不同的曲率，从而使它具有不同的聚焦能力；使车身表面各区段具有不同的倾斜度。从而承受不同的光照量，这是有意识地组织车身表面明暗层次的关键。

从光学上可以知道，某一表面承受的光照量，与该表面的法线和投射光线夹角的余弦成正比。

车身表面不同曲率的区段，其聚焦能力是不同的。曲率大（曲率半径小）的区段，聚焦能力强，影像浓缩；曲率小（曲率半径大）的区段，聚焦能力弱，影像扩散。

近代轿车腰线以下都有一条“光亮线”，无论车身表面朝向什么环境，“光亮线”始终是这一车身表面亮度较大的地方。光亮线不仅要圆滑流畅，而且其宽度和亮度亦不应产生突变。光亮线在曲率大的地方显得窄而明亮，在曲率小的地方显得宽而暗淡，而曲率很小的地方就消失了。”在纵横光亮线相交处，亦即球面半径较小处可以找到光亮中心。

在车身侧面刻出浮雕，对各区段的曲率仔细设计，可使车身表面形成明暗不同的区段，或出现“最亮”和“次亮”的几条光亮线，这使车身的明暗层次更丰富，既朴素又含蓄，还有助于加强汽车的动感和车身刚度，因而这种方法在目前被广泛应用。

总之，在汽车外形设计时，正确地考虑车身表面的光学规律，就能使汽车外形获得良好的光学艺术效果。应指出，当我们注视着没有光泽的油泥模型时，不可能发现这个车型的光学缺陷，尽管油泥模型具有十分动人的雕塑美。因此，在雕塑模型时，决不可忽略对模型进行光学分析。

四、汽车的色彩设计

色彩视觉是人辨别不同波长的光波的能力。色彩的种类很多，色相、明度和纯度是用以描写和鉴别色彩的三个基本属性。

色相——色相是区别色彩种类的名称，不同的色相，其光波的波长亦不同。

明度——也称光度，是色彩的明暗程度，亦即物体色彩对光线的反射程度。大致近黄。 白的色彩较亮，近蓝、紫的色彩较暗，同一色相加进白色则明度增大，反之加进黑色则明度减小。

纯度——又称饱和度或色度，也就是接近标准色（标准光谱色）的程度。标准色，就是不夹杂有黑、白、灰的色相。

由于自然界一切物体都具有色彩，人类在长期劳动和实践中逐渐地使色彩视觉与各种感觉器官通过大脑神经活动而建立了复杂的联系，形成对各种色彩的心理感觉——寒暖感（冷或热的感觉），进退感（近或远的感觉）以及各种不同的象征感。

在色彩设计时，如何利用色彩给人的感觉规律对人产生心理影响，是一个需要反复推敲和研究的极其重要的问题。

进行汽车色彩设计时，首先要考虑的是主色调，即选择正确的色彩去反映主题思想。汽车其他各部分的色彩，应围绕主色调进行变化，以达到多样统一的效果。汽车的主色调要考虑下列问题。

1．考虑汽车的用途

轿车大多数是单色的，但级别不同，其色彩应有差别。高级轿车多数采用较稳重的色彩（明度、纯度都较低），例如黑色、深蓝色、深灰色等等；中级及小排量轿车则可采用较活跃

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的浅色（明度较高），如淡蓝、淡绿、淡黄、灰白色等等。深色车身的光学效果特别明显，如果车身表面质量不高，则采用浅色反而能掩盖某些光学缺陷。“统一”并不意味着色彩千篇一律地单调，而是赞成适度的对比。载货汽车和越野车因用途较广，不宜用太浅的色彩，在装饰上应力求简洁朴素。利用车身外覆盖零件分块和装配的工艺特点，就可在这两种汽车上采用双色。

2．考虑气候及地理条件

北方的汽车应采用暖的色彩，南方的汽车应采用冷的色彩。特别在炎热的地区，汽车不宜用深黄色或鲜红色。经常有雾的地区，汽车宜用明亮的色彩（例如黄色）。在黄土高原、沙漠或长期积雪的地方，采用绿色常常能给人愉快的感觉；相反地，在广阔的绿色原野上就不宜用绿色，而甚至可用红色。

3．考虑城市及道路的美化

汽车的色彩应该与街道、建筑物、城市绿化等色彩有适度的区别，但一般不采用鲜艳的色彩。只有一些需要引起交通警觉的专用汽车（如工程维修车、消防车）才采用与环境有强烈对比的色彩。

室内的色彩设计，要保证驾驶员工作方便，减少疲劳，并给乘客创造舒适、闲静的休息环境。此外，要注意室内色彩和外部色彩的关系，使之围绕汽车的主色调进行变化。因此，室内色彩的明度和纯度都不宜过高，在设计时应注意以调和为主。

为了避免刺目的光线反射，仪表板通常采用黑色或深暗的色彩，并禁止装臵分散驾驶员注意力的饰物。地毯色彩的明度和纯度都应较低，纹样不应层层叠叠，并避免与底色有明显的对比。

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第六章 汽车的空气动力性能

6-1 概述

当世界上第一辆汽车问世时，其速度仅为10km／h左右，车身承袭马车的结构，为轻便起见，还不设门窗和车篷。在当代汽车上，机械工程学和人体工程学要素，已达到了相当高的发展阶段，而空气动力学要素则还具有更大的发展余地。随着汽车车速的不断提高，以及在高速行驶时保证汽车的动力性、经济性、操纵稳定性和冷却通风、降低风噪声等的需要，汽车的空气动力性能越来越为人们所认识，已成为研究汽车车身设计中的基础学科之一，而且是评价汽车车身水平的重要依据。当今，不仅对于高速轿车要考虑降低风阻和保证气动稳定性问题。即使是货车和大客车以及厢式车和半挂车等的空气动力特性，也越来越被人们所重视，许多货车和半挂车加上了导流板等减阻装臵，收到了较好的效果。

我国汽车工业目前已能制造多种系列型号的汽车，年产量已超过800万辆，至2007年末，全国民用汽车保有量达到4229万辆（不包括三轮汽车和低速货车1468万辆），但是我国汽车空气动力学的研究工作还处于起步阶段，未能与汽车工业同步发展。

目前，汽车空气动力学所研究的内容主要包括以下诸方面： 1）汽车行驶中的气动力和气动力矩对汽车性能的分析。

主要研究怎样使汽车具有较小的气动阻力以减少油耗；怎样使汽车具有较小的升力、侧向力和横摆力矩，以保证良好的操纵稳定性。

2）汽车表面及周围的流谱和局部流场的研究，以分析作用在汽车上的气动力机理。同时，有利于改善汽车表面雨水流的路径，减小表面尘土堆积、风噪声和面板颤振。

3）发动机和制动装臵的空气冷却问题的研究。目的是为了减小冷却通路和散热器的内部空气阻力，提高冷却效果。

4）汽车内部自然通风和换气问题的研究。主要研究车身上进、出风口的合理位臵，车内进出风量、风速及风路，使汽车具有良好的通风换气性能，以保证良好的舒适性。

汽车空气动力学特性的研究方法可分为：理论、计算、实验三种。 汽车空气动力学的理论计算方法目前主要有两类：

一类是以无粘流理论为基础，即不考虑空气的粘滞性，在运动方程中只有惯性项和压力项，所用的方程是欧拉（Euler）方程；另一类是以粘性流理论为基础，从纳维—斯托克斯（Navier stokers）方程出发，运动方程中考虑了惯性力、压力和粘滞力，通常用有限差分法来求解。随着电子计算机技术的高速发展，用计算机对汽车的空气动力性能可以进行模拟计算和数值计算，从而出现CFD（Computer Fluid Dynamics）,使之成为与理论分析和实验具有同等重要性的研究方法。

理论、计算和实验三种方法相辅相成，共同促进汽车空气动力学的发展。

6-2 汽车行驶时所受到的气动力和力矩

一、气动力和气动力矩

当相对速度不超过100m／s时，可近似地认为流经汽车周围的空气不受压缩，即空气密度不受汽车运动的影响。

在空气动力学中，可把流经物体的气流的属性，如速度，压强，密度等，表示为空间坐标（x，y，z）和时间L的函数。分别称为速度场、压强场和密度场。所有这些场的总合，称为“流场”。随时间变化的流场，称为“非定常流场”；不随时间变化的流场，称做“定常流场”。为了研究气流的运动，可在气流中引入一条假想的曲线，认为它任何一点切线的方向都与该时刻气流质点速度向量的方向相同。该曲线称为“流线”。因此，流线所给出的是在同一瞬时，线上各气流质点运动方向的图形。而在某一瞬时的流场中，许多流线的集合，称为该瞬时气流的流谱。可通过流谱来描述气体流动的全貌。

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二、汽车的空气阻力

空气阻力凡是与汽车运动方向相反的气动力。由式（6－3）可知，其大小与空气阻力系数CD，迎风面积S，空气密度p及车速D的平方成正比。汽车的空气阻力由以下五部分组成。

（1）形状阻力 它又称表面压差阻力，是由汽车前部的正压力和车身后部的负压力的压力差而产生的。它占气动阻力的60％左右，是气动阻力的主要部分。汽车车身各个表面的形状及其交接处的转折方式是影响形状阻力的主要因素。

（2）摩擦阻力 它是由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦力，其数值取决于车身表面的面积和光滑程度，约占气动阻力的9％左右。

（3）诱导阻力 它是气动升力所产生的纵向水平分力，一般约占气动阻力的5％~7％。要减小诱导阻力，就应设法减小升力。

（4）干扰阻力 它又称附件阻力，是由暴露在汽车外部的各种附件引起气流相互干扰而形成的阻力。这些附件包括后视镜、门把手、雨刷、流水槽。前牌照、照明灯、前保险杠以及天线和装饰物等。它约占气动阻力的15％左右。

（5）内部阻力 它又称内循环阻力，是由冷却发动机等的气流和车内通风气流而形成的

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阻力，约占气动阻力的10％~13％。

汽车的气动阻力是汽车空气动力学研究中首先关心的重要问题，因为它直接影响到汽车的燃油消耗、加速性能和最高车速。

（一）空气阻力与最大车速的关系

如果汽车在水平路面上作等速行驶，牵引力全部用来克服滚动阻力和空气阻力。则 当最大牵引力和汽车总重力一定时，减小空气阻力系数，可使最大车速提高。由于升力系数的提高会降低牵引力，且会影响汽车的操纵稳定性，可见降低阻力系数值是关键。

（二）空气阻力与汽车加速性能的关系

由汽车理论可知，汽车的加速度与阻力系数有近似反比关系。减小空气阻力和减小汽车的重力，都可使汽车的加速能力提高。同时，汽车的加速能力还与行驶速度V有关。当汽车从静止开始行驶时，其加速度的值可能为最大；而当它达到最大车速时，加速能力将大为降低，这是因为车速增加使空气阻力大大增加而导致加速能力下降。

（三）空气阻力与燃油消耗量的关系

汽车的气动阻力是由发动机的牵引力来克服的。一般说来，减小阻力，就可减小发动机所需功率，从而减小耗油量。一般常用计算百公里等速油耗的方法进行初步分析。

降低空气阻力可降低耗油量，当高速行驶时，降低空气阻力所得到的节油效果更大。当然，空气阻力对燃油消耗量的影响与汽车类型、道路状况、发动机特性及使用工况有关，不能简单地用一个公式来计算，通常由试验来确定。可见，空气阻力的降低对改善燃油经济性意义是很大的。

为了减小气动阻力，主要应设法降低空气阻力系数的值。理论上讲，只要物体形状相同，就应有相同的阻力系数值。实际上，当考虑到空气的粘滞性时，CD值应是雷诺数Re的函数。但在车速较高、动压强较高而相应气体的粘滞性摩擦较小时，可以认为CD值不随Re而变化。 三、汽车的气动升力

汽车的气动升力垂直于汽车的运动方向，即垂直于地面。升力向上为正，向下为负。气动升力对汽车是有害的，必须尽可能设法减小。因为它会降低轮胎的附着力从而影响汽车的驱动性、操纵性和稳定性，质量轻和质心靠后的汽车对升力特别敏感。例如某轿车以160km／h的速度行驶时，前轴上所受的正升力约占汽车质量的20％~25％，大大降低了前轮与路面间的附着力，当其受到阵风的作用或转弯时，就可能出现失控的险情。因此，从安全角度考虑，减小气动升力比降低气动阻力更为重要。

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理想的汽车流线型与飞机机翼剖面十分相似。机翼上下两个表面的曲率不同使得流经上表面的气流流速大于流经下表面的气流流速，由压力差而产生一个有利于飞机上升的升力。

一般规定：前高后低的弦线，其迎角为正；反之为负。显而易见，在正迎角下，迎角越大升力越大，因此，为了减少升力，应使迎角为负值。这也就是前低后高的小旅行车或客货两用车升力较小的原因。在造型上如果采用使汽车前部低矮两尾部肥厚上翘的措施，也可以获得负迎角。

由试验得知，作用在汽车上的空气，有35％~40％在车身上部流过；10％～15％从底部流过；两侧面各流过25％。如果能设法提高汽车底部气流的速度而形成一种文氏（Venturi）喉管的气流，则可由此产生负升力。由此可见，在车身造型和设计时，不应忽视汽车的底部。试验表明，当风向角为0时，在汽车底部安装地板可使升力系数减少20％。

减少升力的措施主要有：

1）采用负迎角造型，可使流入汽车底部的空气减少，避免底部气流阻塞，也有利于底部空气向尾部低压区疏导，使底部气流保持一定的流速，从而减小升力。

可见，车底形状对降低升力系数。是大有潜力可挖的。

2）在汽车前端底部加一个扰流板，可减少进入底部的气流量，还能使底部气流顺利地向尾部或侧面流动，并保持一定的流速，这样也可使升力系数下降。

3）使汽车底板的尾部向上翘起一个角度以疏导底部气流，可降低升力系数。

4）汽车地板向两侧面略为翘起，使底部气流有一部分流向两个侧面。由于汽车的两侧面是对称的，不会形成压差，两侧面的压力低于底部压力，当气流向两侧疏导时加快了底部的气流速度而使升力下降。可见，车底形状对降低升力系数。是大有潜力可挖的。

四、汽车的空气动力稳定性

汽车行驶时，如果没有侧滑角，作用在汽车上的气动力只有阻力、升力和俯仰力矩。在实际行驶情况下，由于侧向自然风的作用以及转弯、让车、超车等原因，汽车经常处于有一定侧滑角的运动状态。此时作用在汽车上的气动力还有侧向力、横摆力矩和侧倾力矩。如果侧风强烈或汽车外形设计不正确，则在严重情况下会使汽车因稳定性恶化而造成事故。因此，汽车的行驶稳定性主要表现为横摆运动的稳定性。

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6－3 空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布

一、附面层与分离点

理论上假设空气是非粘滞性的，而实际上空气具有粘滞性，即当气体相对于表面运动时会产生内摩擦作用。与物体表面接触的气体将受到该表面的阻滞使相对速度变为零。邻近该表面的空气层也被粘滞摩擦力所阻滞，其相对于表面的运动速度也随与表面的距离而变化。

距离越大，空气粒子受粘滞性的影响越小，它们的运动也更快些。当与表面的距离超过一定数值时，空气粒子的运动已不受粘滞性的影响，其速度与外部气流速度相等。因此，围绕着运动物体的一个相对薄的空气层内，气流速度有着急剧的变化，存在着速度梯度。该气流层称为附面层，又称为边界层。可以根据速度梯度在附面层内的状况来区分附面层的类型。当气流速度不很大时，附面层内各层间速度变化小，各层间是以不同速度错动的，称之为“层流”。当附面层内各层间速度梯度较大时，整个附面层充满了涡流，称之为“湍流”。

图6-8为附面层内的速度分布情况。其中h为附面层厚度。图6-9表示沿汽车表面的附面层。可见，仅在汽车前部有一个很小的层流区域，其余部分都是湍流，故可以认为汽车的所有表面实际上均由湍流附面层所覆盖。

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汽车的外表面很少是平直的，大多在三个轴线方向均有不同的弯曲而形成二维或三维曲面。当汽车高速行驶时，迎面来的气流按伯努利原理，其速度在不同表面处是各不相同的。

在凸起部分，气流速度升高而使该部分气压下降，同时还保持着一定厚度的附面层。在凹下部分，气流速度变低而使该部分气压升高，同样在该表面也保持着一定厚度的附面层。当气流从凸起部分向凹下部分流动时，气压由低升高，气流要克服压力的升高才能继续运动，气流速度也就变慢，这不仅对外部气流有影响，更重要的是对附面层的气流带来影响。由于附面层内的气流速度变慢而使附面层内的气体“堆积”起来并逐渐变厚，于是会在距物体表面某一点K处的气体粒子失去其动量，速度为零。气流在这一点与表面开始分离，该点称为分离点，而更靠近物体表面的气流方向变成负值，空气发生倒流。从K点起形成一个分离面K—K’，在分离面后部，产生了一个个涡漩，涡漩被外层气流带走，同时又从分离面上卷进新的涡漩以补充被带走的部分，这种现象称为分离现象。

由于汽车纵向截面向后逐渐变小，故使气流速度逐渐变慢，在汽车尾部，气流会再一次分离而形成汽车的尾流。汽车尾流可以认为是汽车通过空气与其表面间的粘滞性，将本身的动量给予了尾部的气体，并使其尾随着汽车运动。

二、汽车前部的流谱

试验结果表明，影响发动机罩和风窗玻璃转角部位气流的主要因素为： 1）发动机罩和风窗玻璃间的夹角。 2）发动机罩的三维曲率和结构。 3）风窗玻璃的三维曲率和结构。

三、汽车尾部的流谱

当气流沿汽车表面流动到汽车尾部时，气流分离而形成尾随在汽车后面的湍流尾流。常

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常可以看到路面上一些轻树叶或尘土被汽车尾流卷起沿着路面移动的情况。

如果将该流线形体后部伸入尾流区的部分截掉，则作用在其上的实际气动力合力并不改变。在轿车造型中的“短尾”造型方法，就是将隐入尾流区的车身切短，形成垂直于主轴线的后截面，使气流在同一截面上自然分离。尾流中主要是负压，系作用于后截面上的吸力，从而产生运动阻力。一般称后截面为“基面”。在设计中，应该设法使基面面积尽可能小，以使尾流负压值减小。

四、汽车底部的流谱

汽车在地面上行驶与飞机在空中的运动差异很大，这主要是由于汽车底部和地面之间气流的粘滞和干扰。进入汽车底部的气流可看作首先是以与汽车运动相反的方向相对于地面运动。然后，由于粘附到汽车底部上而随汽车一起运动。可见，车底的气流先是向后运动，当汽车驶过后，又向前运动。这种局部的阵风是一种分离气流，产生一种沿地面与汽车一起运动的“漩涡”。因此，汽车底部的流谱是一种相当复杂的、强烈的湍流，并对汽车的气动力影响很大。理论分析十分困难，常用试验方法来进行研究。一般认为，汽车底部和地面之间的气流状态受下列因素的影响：

1）地面和底部间的距离（离地间隙）。

2）车辆宽度、长度和高度之比以及车身造型。 3）底部的平稳程度。

4）地板的纵向曲率和横向曲率

五、汽车周围的涡系

飞机翼端在气流作用下，上表面流速快而形成低压；下表面流速慢而产生高压。这两个区域沿边缘相连接。气流在边缘上自然会由高压区向低压区流动，这种交叉流动构成了两股气流间的空气动力学干扰而产生旋转的空气运动，称为“涡漩”。

现代汽车的轮廓也可粗略地比作为一个翼展很短而厚度很大的机翼，因此在行驶中也会产生“涡漩“现象。在发动机罩和风窗玻璃转角处往往形成气流分离区。分离区中的气流运动是循环的，在适当的条件下会形成涡漩并向风窗玻璃边缘发展，在侧面气流作用下使涡漩增强并沿侧面后移发展成为尾涡。发动机罩和风窗玻璃的造型将影响涡漩的位臵和强度，同时，底部气流沿地板曲面流向侧面，也能与侧面气流形成另一个涡漩，并沿汽车侧面向后移动。上下两对涡漩互相作用和吸引，形成随汽车移动并附在汽车侧面的两对附着涡漩，并逐步合并成一对尾随涡漩。

在发动机后臵的轿车车尾开吸气孔，可借助发动机散热器的吸气来加速气流速度，也可

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使涡流及分离现象减轻。改变车身侧面的形状，在后窗的两侧形成局部凸起使气流加速，以及采用由两侧后部的车内通风排气口所排出的气流来驱动车尾两侧的气流速度，也将起到同样的作用。

六、汽车的内部气流与表面压强分布

汽车的内部气流包括使发动机或制动器冷却气流及车厢内部通风气流两部分。内部气流对车外流谱有两个方面的影响：其一，由于一部分外部气流被引进车内而降低了外部气流作用于车身表面的压力。其二，外部气流在通过水箱、内部空气通道等处时，由于摩擦、涡流及漏气等而损失了动量。综合的结果出现了汽车的“内部气动阻力”。研究车内气流的目的在于如何恰当地引入外部气流以最有效地完成冷却、通风后再排出车外，并使气流的进出对整车气动性能的影响最小。

（一）车身的表面压强分布与车内的通风

车身表面压强的大小及分布与汽车内流组织息息相关，它是选定车身通风的进出口位臵及估计通风量的依据。

轿车一般将进风口设在发动机罩后部，出风口设在后窗柱下部。货车一般将进风口设在前围上部（平头车）或发动罩机后部（长头车），出风口设在后窗柱下部或后门柱侧面。

对大客车来说，进风口常设在前围及前风窗上部及在车顶开设顶窗进风，而出风口可设在后窗柱上。当然，车内通风还会受到车窗开闭的影响，所以对于不装进、排风扇及空调系统的汽车，在设计通风系统时，应进行综合考虑。

（二）发动机冷却

发动机冷却问题主要在于保证其散热效率。前臵发动机可以较好地利用汽车前部气流来散热。冷却气流可从前围面罩的格栅、保险杠上部与格栅下条之间的间隙，以及保险杠上的开口或保险杠下部的间隙中进入。

如何使汽车的阻力系数CD最小而又能使冷却效率最大，是目前各国研究的热门课题，其关键在于控制水箱气流入口面积与出口面积。

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6-4 改善汽车空气动力性能的措施

为了保证小的空气阻力、升力和可靠的行驶稳定性，轿车的外形必然是在楔型的基础上不断改进；货车及各类厢式车辆，尤其是大型牵引挂车，它们巨大的车身一般为非流线型，要更换不仅费用极昂贵，有时根本不可能。解决办法是广泛使用各种减阻附加装臵。

一、汽车外形设计的局部优化

（一）车头部棱角圆化对阻力的影响

车头部棱角圆化可以防止气流分离和降低CD值。例如，将大客车车头整个流线型化的作用并不大，只需将其车头边角倒圆即可收到相当理想的结果。

（二）前风窗立柱及流水槽形状对阻力的影响

设在风窗玻璃与侧窗交接处的前风窗立柱，又称A立柱，正好在前方来流向两侧流动的拐角处。如A立柱的外形设计成直角形，则在拐角附近就会因产生气流分离而使阻力增加，故一般A立柱外形均设计成圆滑过渡形。但其上因制造、使用的原因，一般都有凹槽、凸面和小棱角，大多还有凸出的流水槽。

（三）车身后部形状对阻力的影响

不同的后车体形状因车后形成的尾涡不同而具有不同的阻力。试验表明，设计合理的快背式车具有较小的阻力和升力，方背式车具有中等程度的阻力和较低的升力，常见的有专门后行李舱的阶梯背形式，则阻力和升力均较大。后车体带有一定程度的横向收缩，有益于降低阻力，而过大的收缩则无必要。

（四）表面的光洁程度

如果车身能有一个连续光滑的表面，则可防止气流的分离而减小阻力。因此，从造型和结构上尽量使装在车外的附件（如刮水器、门把手、车灯等）隐入车身内，采用曲面玻璃并使它贴近车身表面，注意车身底部的光滑程度等，对于减小空气阻力都是有效的。对于必须设臵在车身外的附件，除应使其符合流线型外，应尽可能安装在低压区，并远离分离点，以避免导致气流的过早分离而造成附加阻力。

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二、采用各种气动附加装臵

在汽车上安装各种气动附加装臵，也可以使汽车的气动性能得到明显的改善。 （一）前部扰流器

在轿车车头下部安装扰流器可使阻力系数和升力系数同时减小，当然，这需要选择合适的扰流器的高度和角度。

（二）后扰流器

在轿车车身后部设臵后扰流器的目的在于推迟涡流的产生、减弱涡流的强度并形成局部正压以降低阻力系数和升力系数。在后车体上是否需要装设扰流器，要视后车体的形状及在其上的具体气流流动状况而定。对具有平顺气流的快背形车，有可能起到较好的作用；对后窗框凸出的阶梯背车，由于气流早已分离，无需再在尾部装扰流板。方背式车有时在顶盖后缘装设扰流板，这有利于降低阻力与升力。有些车在下车体后部装设后下阻风板，可防止底部灰尘上卷以减少尘土沉积。

（三）导流罩

轿车的车体具有较简洁而完整的外形，而货车和大客车，尤其是半挂车等，车身形式繁多，在驾驶室和货厢之间还存在间隙，这些给降低风阻和改善气流增加了难度。目前多采用各种型式的导流罩及减阻装臵来加以解决。

导流罩和减阻装臵可分为三种基本类型： 1）减阻型，目的为降低燃油消耗。

2）调整压力分布型，目的在于改善气流状态，以利于发动机冷却及消除外观积垢。 3）改善气流，以降低风噪声和防止积存灰尘。

在货车、牵引车及半挂车上装臵导流罩及各种附加装臵，要取得综合最优效果，应进行优化组合。

（四）隔离装臵

隔离装臵是沿汽车中心线垂直地安装在牵引车和半挂车间的平板，如图6－38所示。该装臵可改善因侧向风引起的通过牵引车和半挂车间间隙的水平气流，并减少由于该气流而产生的在半挂车前面的气流分离。当它与导流罩连用时，可稳定导流罩的尾流，从而保证导流罩的效能。

三、外形设计的整体优化

局部优化和气动附加装臵都可部分地改进气动特性，取得良好的效果。但要使气动性能有较大的改变以达到更高的水平，则应当进行外形设计的整体优化，也就是将汽车空气动力学的各项研究成果及改进经验，系统地应用到整车外形设计中来。

汽车外形的空气动力学开发程序可归纳为：

1）将完成初期造型的多个缩尺模型方案，按空气动力学的基本要求进行初期风洞试验，以用于选型；将选定的模型进行空气动力学修改后再进行风洞试验，如此反复多次优选直至定型。

2）按定型方案制成1：1模型，并装上刮水器、后视镜等各种附件后再进行风洞试验予以改进。

3）按改进后的模型制作样车，并完成最终的整车风洞试验。

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第七章 车体结构分析与设计

7-1概 述

进行轿车车身结构设计，必须有效地处理以下各设计要素，即车身强度、刚度、安全性、轻量、耐久、密封、结构功能、材料、制造工艺及成本等，从而保障车身的使用性能和可制造性。现代轿车车身结构设计将轻量化、高刚性和高强度、安全性、新材料应用、耐腐蚀性、舒适性等性能特征作为车身技术发展方向已充分体现在汽车产品中，而应用计算机进行车身结构设计解析分析，解决车身结构强度、刚度、应力、应变、振动、噪声等结构设计问题，以及采用高强度钢板、表面处理钢板和纤维增强复合材料制造车身，是现代轿车车身开发设计的重要技术手段之一。

一、车身结构强度、刚度和轻量化

车身强度是指在发生碰撞等对车身施加很大外力时车身不容易被损坏的能力。

车身刚度是指在车辆的使用中受到不至于损坏车身的一般外力时车身不容易变形的能力。

强度不足的后果是车身发生开裂、断裂、塑变及压清等，使车身丧失使用功能；刚度不足的车身在使用中会发生吱吱声和高频振动声，车身开口部位发生变形，导致车门开闭困难、密封性下降。甚至车身刚度不足会影响车辆高速转弯时的稳定性。由此可见，车身结构要有必要的强度和刚度。

车身强度和刚度不是同一概念，但一般来讲，强度高的车身刚度也好，在行驶中受到各种外力的变形小。

轻量化的目的首先是节能，即减轻整车质量以降低燃油消耗，其次是降低成本。车身结构轻量化设计一般采用以下两种方法：

（1）消除多余的质量；（在把握住车身结构部件所具有的强度水平的基础上）； （2）变更车身部件使用的材料。

应用计算机解析车身结构，优化结构设计非常重要，由于使用了高强度钢板，部件强度得到了保障，也符合轻量化设计要求，但材料的拉伸弹性模量并没有多大的变化，因而会导致刚度的降低，所以必须靠车身部件的形状设计来保证应有的刚度。现代轿车车身结构设计首要的是应使其质量尽可能轻，而且必须保证刚度和强度的要求。

二、强度与安全性

车身安全性最重要的一点就是如何在发生碰撞时吸收冲击能量，保证必要的乘员生存空间，基于此点，车身结构设计并不是整体越牢固越好。车身前、后部分结构具有适当的柔性，以使在发生前、后碰撞时被撞毁变形而吸收能量，从安全性考虑是非常重要的。而汽车发生横向碰撞时，没有多余的空间来毁坏变形以吸收冲击能，因此，车身该部分结构必须牢固，现代轿车结构设计中车门带有牢固的加强梁是广泛采用的措施。

三、材料、耐久性与成本

低成本是车身结构设计必须考虑的问题。采用新型车身材料，可能有利于轻量化的要求，车身防腐蚀性也能有效改善，但材料的成本可能会增大，这一点必须要关注。或者采用的新型材料本身是廉价的，但需要收集有关此材料的强度特性数据，验证它是否能满足使用要求，以及做相应的生产设备的更新。结果，使用此材料包括试验费用和设备投资等在内的总成本并没有降下来。如果以大批量生产为前提上述情况又可以预期能降低成本。

从车身耐久性考虑，使用防腐性能好的材料，能减小腐蚀裕量，也是轻量化的一条途径。而选用高强度钢板来达到轻量化油于板厚减薄，降低了腐蚀裕量，可能会影响使用寿命，因此又要求提高结构的防腐措施，合理处理轻量、耐久性与强度的要求。

车身结构设计的会要素是相互矛盾而并存的，设计中一味追求某一方都会造成浪费或结构的不合理。车身强度试验的目的就在于制造出低成本的，又能符合性能要求的轻量化车身

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（汽车）。即以车身试验数据为基础，找出强度不足的部位或构件，以及在轻量化的要求下，将强度过高部位的强度水平适当降低，从而达到轻量、可靠，又低成本的目的。

7-2 车身强度和刚度分析

一、车身强度和刚度

车身在使用中承受着各种载荷，在这期间，要求车身应能完成作为结构体的承载功能作用。因此，轿车车身使用时既不能产生塑性变形，也不能产生裂纹和损坏，这就要求车身应具有必要的静强度和疲劳强度（耐久性）。

1．一般车身要求的静强度的载荷条件有： （1）行驶时的最大载荷；（2）单轮跨上或落下的载荷；（3）千斤顶顶起载荷；（4）制动载荷等。

车身在疲劳强度方面的薄弱环节多数发生在其上部结构，特别是支柱的上下端连接处，以及前支柱与车身前部结构的连接处，悬架装臵的安装部位。结构设计中，应改善这些强度薄弱部位，达到车身结构耐久性标准要求。

车身结构的刚度大小直接影响车身的使用性能，适宜的车身刚度不仅是确保操纵稳定性的条件，而且可获得良好的舒适性；而过大的刚度，则会使得车重增加、性能降低、成本加大。因此，车身结构设计中，根据不同的车身型式，确定出适当的车身刚度，以及刚度和位移的关系是非常重要的。

2．车身上部的梁框架结构是车身上部的主要受力构件，结构设计中应关注以下方面： （1）如何利用梁构件引入力（载荷），以改善结构的受力状况；（2）梁构件与车身板件（覆盖件）的连接结构；（3）车身下部结构与上部结构的关系，或地板梁构件与车身立柱等构件的关系。

一般根据车身刚度对整车及各个部位的性能影响，将车身刚度分类，并分别进行刚度试验。

近年来，随着计算机技术的应用和发展，利用有限元法进行车身结构的解析分析已能较准确地计算出车身的强度及弯曲、扭转变形，从而实现在车身结构设计阶段就能提供出车身结构的性能数据，为使车身结构设计更加合理创造了条件。

二、车身强度、刚度试验

车身强度、刚度试验的目的就是要了解和验证轿车车身在各种使用条件、环境条件下，是否都能具有充分发挥其所需性能的强度、耐久性和刚度。

此外，车身强度、刚度试验更具积极意义的目的在于指导车身结构设计，即以取得的试验数据为基础，分析、找出车身结构上强度、刚度不充分的部位，以及在轻量化的要求下将强度过高部位的强度水平适当降低，从而实现车身结构设计既轻量，又可靠、安全。

车身强度、刚度试验可分为静态试验和动态试验两类，而从试验载荷的大小来看，又可分为载荷低于屈服强度的弹性试验和确定最大强度的破坏试验。

1．静态试验

静态试验的目的是了解车身在典型的实际工作载荷值的静载作用下的应力分布状况，确定这些应力分布是否符合设计目标值，并对实际使用条件下的强度、刚度进行研究。

（1）强度试验在白车身上进行，可分为进行弯曲试验和扭转试验。在车身的支承和加载方法上，必须根据试验目的，采用接近于车辆实际工况的方法。由于车身结构复杂，以致何处将产生应力集中往往不是很清楚。因此，试验中利用光弹薄膜法、脆性涂料法查出应力集中的部位是很重要的。

（2）刚度试验刚度试验是为了测定车身在载荷作用下的变形状态，从而计算并评价车身结构的刚度是否合适。

刚度试验分为在白车身上和成品车上进行试验的两种方法。试验中应注意车身的支承方

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式、加载方式，以及车身支承装臵的B身刚度影响。

车身在载荷作用下的挠度测定主要是车身底部，测量点多半取在各构件的连接点处，以及各连接点间每隔一定距离（约300mm）的各点上。

（3）静态破坏试验这是一种压缩以车身为中心的构成部件或压缩成品车直到破坏，确定车身或部件最大强度的试验方法。主要是为了研究车辆在碰撞时的安全性。该试验方法在各国安全标准中均有规定。

2．动态试验

动态试验是指车身在承受动载荷作用下进行的验证车身强度是否合适的试验。一般可分为台架试验、行驶试验两种。

（1）台架振动试验

台架振动试验主要用于查明车身结构的振型，从而获得研究车身的强度、刚度、耐久性和噪声特性等所需的基础资料。

（2）台架疲劳试验

研究车身在重复变载荷作用下发生疲劳破坏的试验。一般施加程序载荷。程序载荷是将行 驶时的随机载荷，根据对载荷使用频度的分析结果，用适当的方法进行载荷波形处理后得到的。

（3）行驶耐久性试验

该试验可分为实际坏路行驶试验和试验场模拟坏路行驶试验。该试验对提高汽车的各种性能特别是商品性能起到重要作用。

（4）环境耐久性试验验证腐蚀环境或大气温度变化所引起的车身强度降低。车身各部位的腐蚀会严重降低汽车的商品性。

三、轿车车身或车架的刚度及评价

轿车车身或车架的刚度最佳值应是何值，不能一概而论。但是，应以目前出现在市场上的车辆车身或车架的刚度值作为评价车身必要刚度的大致标准，因此，车身结构设计应在争取车身尽量轻的同时获得该刚度值。

显然利用计算机解析车身结构能较精确地计算车身的刚度和变形。但是，由于刚度对车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性有很大的关系，所以评价刚度是否合适依然要根据已有的车身刚度试验数据资料。

如果车身扭转刚度不足，扭转角过大，则高速行驶时会降低操纵稳定性。同时，产生的扭转振动还会降低舒适性，开口部位的塑性变形会导致车门开闭困难，或行车时发出相互摩擦的声响。相反。如果扭转刚度过大，会加重整车质量，导致使用性能下降，成本增加。

车身开口部分的面积越大，对整车的刚度影响就越显著；例如：车身开口部分的刚度不足，会产生大的变形，将影响车身的使用状态；前后风挡玻璃的安装方式与整车刚度有很大的关系。

轿车车身存在着车门、车窗、发动机舱和行李舱等易于变形的大开口部分。开口部分的变形对车身的性能有影响，如车门开闭困难、密封性下降、噪声等，设计中应给予控制。

进行车身开口部分的刚度试验，从而研究开口部分的变形对车身整体结构的影响，对指导结构件设计是有意义的。车身开口部分的变形测量位臵一般是发动机舱、左右车门门框、行李舱、后门和前后风窗框的开口对角线位臵，铰链与门锁之间的位臵，以及车身横断面的对角线位臵。

作为车身基础构件的车身底板的刚度承担率通常很小，而车顶、车窗、中立柱等上部构件的刚度承担率则很大。所以，对于无中立柱的硬顶车身和后开门车身、敞篷车身，为确保车身的刚度，一定要在车顶和底板部位采取充分的加强措施。动和噪声。设计中应处理好外板刚性与造型形状、加强筋、板厚、轻量要求之间的关系。

车身外板的刚度与载荷一位移曲线上的若干特征值有关，而这些特征值受外板的材质、曲率半径、边界条件、板厚和加工条件等因素影响。结构设计中为减轻质量而减小构件板厚，

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但应保证板件的刚度要求。由于车身外板的形状由车身造型而定，即在车身外形设计的油泥模型阶段就已确定了，如果在审查结构设计阶段发现刚度不足，过去只有采用增加板厚的办法来提高刚度，造成质量与成本增大。在利用车身刚度有限元解析法的今天，却能使车身板件刚度设计更加合理。

四、车身结构刚度有限元解析法

车身是由复杂曲面板件组合起来的薄壳结构，且受力条件多种多样。过去在结构设计阶段要寻求最佳结构刚度是非常困难的，现在利用计算机技术，进行车身结构刚度有限元法计算，能够预测车身结构的刚性，并可对不同结构方案进行对比、优化，从而达到在满足刚度要求的情况下，实现车身结构轻量、低成本、高性能。显而易见，车身结构有限元法解析计算已是车身结构设计中研究、确定结构方案不可缺少的依据。

1．车身刚度有限元解析程序

车身结构刚度有限元解析计算主要包括整车壳体结构和外板部件。由车身造型CAD建立车身外形表面的数学模型，然后进行车身结构分块，并对整车壳体或车身板件作有限元单元划分，输入结构约束条件和载荷条件等解析条件，建立有限元解析模型。利用计算机解析计

2．有限元法及有限元单元

有限元法是进行车身结构力学计算的一种有效方法。它把实际的梁、板结构作为连续体看待，并当成是由有限个大小不同的结构元素（有限元单元）的集合体，进行这些结构元素的力学计算，从而得到整个结构的力学特性。在后面的章节中我们会做较详细的讲述。

有限元单元的概念是从连续体的理论引申出来的，其特性应满足随着有限元单元的变小即聚成连续体结构。有限元单元一般有梁单元、三角单元和长方形单元等。轿车车身为具有加强框架的薄板壳结构，常使用三角单元和长方形单元。

应用有限元法解析车身结构，有以位移为未知数的位移法，以应力为未知数的应力法，以及介于两者之间的混合法。评价车身板件的拉伸刚度，一般在弹性范围内采用增分法进行解析求算，得到板件在载荷作用下的位移等高线或应力等高线，从而进行车身刚度评价。

在结构解析计算的不同阶段，有限元解析模型也不相同，大体上经过由粗到细的单元划分，以及由梁单元为主的划分到全部采用板单元的划分。轿车车身结构解析计算用的最终模型采用板单元，对称的半个车身单元数目一般在6000~8000之间为宜，能有效模拟结构的连接强度而又控制计算成本不致太高。

7-3 车身结构安全性设计

车身结构安全性设计包括预防事故和碰撞安全性两个方面。从预防事故的发生来考虑车身结构设计的安全性问题。

主要设计原则是：车身结构设计必须确保驾驶员的视野和视认性。车身布臵及结构应使车身各支柱，特别是前风窗支柱对驾驶员的视野妨碍最小，后视镜的设计要确保后方视野性的要求。

碰撞安全性是车身结构安全性设计的主要内容。所谓车身碰撞安全性，即是减小由于碰撞造成乘员伤害的程度或车身保护乘员的性能。因此，要求车身结构设计必须具备的功能为：车辆发生碰撞时，其碰撞能量必须能被车身构造的指定部位吸收烈而保证碰撞后车身座舱的生存空间，减小碰撞造成的乘员伤害；防止由于碰撞作用导致的乘员与室内部件的撞击，因此必须利用车身构造的变形来吸收撞击能量，从而尽可能缓和和吸收车辆及乘员的运动能量；在确保碰撞中乘员有效生存空间的同时，还必须保证碰撞后乘员容易逃出车辆或进行车外救护；避免二次破坏或伤害发生，如防止碰撞后车辆起火等。

当然，车身碰撞安全性并非由车身结构独自完成，而安全带、安全气囊、能量吸收式转向柱等都是车辆安全性不可缺少的装备。但是，如果缺乏车身结构的碰撞安全性，其他被动安全装臵都是徒劳的。

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一、碰撞安全的车身结构

碰撞安全的车身结构设计原则是利用车身前、后部构件的变形有效地吸收碰撞能量，而车身座舱坚固可靠，从而确保乘员的有效生存空间。这就是车身碰撞安全性要求的“安全座舱结构”设计。

车身结构变形区域吸收碰撞能量的特性应包含以下三方面的含义：

（1）车身前、后部结构要尽可能多地吸收碰撞能量，使碰撞过程中作用于乘员上的力和加速度降到规定的范围内；

（2）车门外板、车身前、后部构件在碰撞中产生变形应根据碰撞强度逐级发生，控制受压各构件的变形形式，防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入座舱，同时也有利于车身的修复；

（3）车身座舱结构必须坚固可靠，这是保证车辆发生侧面碰撞或翻车时，乘员安全的主要手段。

碰撞安全的车身结构必须具有良好的撞击力传递特性，车身框架结构在力流作用下承受撞击载荷，结构设计中希望变形在强度较小区域发生，其塑性变形吸收撞击能量。因此，在车身结构设计中进行力学结构分析是非常重要的。合理布臵设计梁框架结构及断面尺寸，整体上具有断面分级效果，使得碰撞能量传递到指定部位。而计算机辅助设计技术是更有效的设计手段。

应用轿车车身结构计算机模拟碰撞性能分析和实车的碰撞试验来研究车身结构的碰撞特性，其主要目的是分析和确定车辆碰撞时的减速度、车身压缩变形长度和状态，以及座舱完整性结构尺寸和轻量化等技术指标。

此外，有关碰撞安全性在车身结构设计中应考虑的其他方面还有：防止碰撞后的燃油泄漏和阻燃措施；底盘各总成部件的布臵和安装结构；车身内部保护措施。

二、车身前部结构的碰撞安全性

车辆正面碰撞在汽车事故中发生频率最高，约40％左右（包括斜撞）。因此，研究车辆正面碰撞特性，合理设计车身前部结构，采取必要的正面碰撞保护措施，可有效提高车辆正面碰撞时的安全性。

车身前部正面碰撞的安全结构措施主要有：有效利用车身前部的压演变形以吸收碰撞能量，缓解碰撞加速度；加固座舱前壁结构，保证座舱的生存空间；利用安全带、安全气囊等乘员保护装臵，防止乘员因二次碰撞造成的伤害。

1．车身前部结构吸收碰撞能量的机理

车辆发生正面碰撞时，由计算可知，在以80km／h撞车时，车身前部吸收的能量约为总碰撞能量的70％。车身前部的能量吸收能力与碰撞中前部变形部分的质量有关，变形部分质量越大，则吸收碰撞能力越强。对于非承载式车身，这部分能量主要由车架前段承受；而对于承载式车身。则主要由车身前部构件（包括前纵梁、挡泥板加强梁）承受。

车身前部构件主要依靠其弯曲变形和压演变形吸收碰撞能量（实际上两种吸能方式往往同时发生）。对于前纵梁的设计，可运用有限元解析方法，同时对几种结构设计方案进行比较、优化，包括断面形状、大小、焊接形式等，从而确定其最佳结构设计与板厚。

应用前纵梁的不同变形形式，能有效增加其能量吸收的能力。

可见，车身前部结构设计中，对于这类纵向梁构件的设计思想就是使其尽可能地沿着轴向压溃变形，控制其弯曲变形量，能获得满意的能量吸收效果。结构设计中一般采用以下措施；（1）在梁上设臵易于轴向压溃的结构要素：如凸白、凹色长孔或方孔、缺口等。

2．加强座舱结构强度的措施

（1）提高座舱梁框架的承载能力。

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（2）车身前部纵向梁构件应在不大的集中力流情况下与座舱连接，防止座舱前壁局部压溃，一般采用叉型或三叉型布臵结构。

3．防止车辆前部部件浸入座舱内

车辆前部部件，如发动机、变速箱、差速器、行走部分等质量较大，且碰撞中几乎不产生变形。

在车辆正面碰撞时，由于这些部件的原因，可能使车身前部的实际轴向压溃变形量减小。为防止这些部件浸入座舱内，必须采取结构措施使其在车辆碰撞时向下移动，必要时在车轮后面安装防护装臵，可以防止车轮侵入座舱内。

三、车身后部结构的碰撞安全性

对于车身后面碰撞安全性，其结构设计思想基本与正面碰撞相同。一般来说，后面碰撞时乘员的加速度效果较小。但应强调的是，由于车辆的燃油箱多布臵在车身后部地板的下部，结构设计中应尽量减小油箱的损坏状况，避免燃油泄漏产生火灾。

四、车身侧面结构的碰撞安全性

由于车身侧面碰撞时允许的变形（凹陷）空间小，因此，车身侧面结构的碰撞安全性设计原则是：提高侧面结构的抗撞击强度，减小碰撞凹陷变形保证座舱的完整性及生存空间。具体表现为：提高车身座舱结构的横向刚性和强度，减小车门的侵入量；减小车门内侧的凸起物；采用防侧撞的车门安全气囊，减轻乘员的二次伤害。

保证座舱在侧面碰撞下的完整性，其结构设计一般采用以下方法：

1．合理设计座舱的梁框架结构，将侧向撞击力有效地转移到车身结构上具有承载能力的梁、柱儿槛、地板、车顶及其他构件上，使撞击力被这些构件分散、吸收从而极大限度地把可能会造成车身侧面局部深度凹陷的损伤降低到最小程度。图7—23所示为轿车座舱的加强梁框架。

2．加强车门强度，如设臵车门横向加强梁。

3．增加车身侧围框架的抗冲击强度。除保证各梁构件的强度外（通过板厚、断面形状设计），各梁构件之间的连接部位强度也要提高，从而使侧向撞击力传递到整个车身部分。

4．增加门槛强度，如增大门槛梁的断面面积，在封闭断面内设臵加强板，以及用发泡树脂填充门槛梁的空腔。

5．加强地板中部的地板通道，提高车身抗弯强度。

6．合理设计及布臵门锁与铰链，防止撞击时车门自动开启，又要保证撞击后，车门能容易被打开。加强铰链连接强度，保证将车门受到的撞击力有效地传递到立柱上。

五、车辆翻车时的结构安全性

车辆发生事故翻车后，应确保座舱的足够生存空间，座舱结构强度必须满足这一要求，其结构设计措施主要有：

1．加强车顶梁及立柱的强度。 2．在车顶设臵横向支撑梁构件。

7-4 车身结构轻量化设计

由于节约能源成为全世界的社会问题，低燃油消耗要求推动车辆轻量化设计技术发展，从而又带来车辆质量减小的发展倾向。

伴随车辆高级化、多样化发展要求，车辆装备技术、性能要求的提高，如ABS、4WD、4WS、移动电话、舒适性装备等，车辆质量有所增加，导致燃油消耗上升。

1990年，“EPA”发表了美国轿车2年间质量增加6％，燃油消耗上升4％的统计报告，车辆质量增加已成为世界性的倾向。因此，车辆轻量化设计更显其重要性和必要性。

一、汽车轻量化的进程与轻量化效果 1．汽车轻量化的发展进程

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