汽车车身设计.docx

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汽车车身设计

汽车车身设计

第一章车身设计方法

一、车身的作用：

覆盖底盘、发动机；保护乘员、货物。

二、车身设计方法——有别于汽车其他总成而自成体系的工作方法。

三、车身设计：

对汽车这一工业产品四大总成之一的车身，技术人员凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予其材料、结构、形态、色彩、表面加工以及装饰以新的品质和规格的活动。

四、“设计”的两层含义：

1．与计划有关，即将计划看成是一个整体，如何将整体中的各个部分有效地连贯起来；

2．与表现有关，如用平面图、效果图、模型等将产品的特征表现出来。

五、车身设计程序

1．前期规划布置工作：

市场调研→整车总布置（主要尺寸、长宽高、各大总成相关联尺寸）→车身总布置［（1:

5总布置图）初步确定车身的主要控制尺寸。

如前悬、后悬，前、后风窗的位置和倾角、前围板的位置、发动机高度、座椅位置、操纵机构布置以及内部空间的控制尺寸。

］

2．造型阶段：

造型效果图［（1:

5），6、7个造型师，每人2-4套，选4套，一套效果图15天左右］→方案评选→制作1:

5外形模型（木架和油泥）→方案评选→风洞实验→绘制1:

1线型图（解决线型放大后是否符合小模型线型的要求的问题）→制作1:

1外形模型→制作1:

1内部模型→（模型冻结）

3．设计阶段：

绘制车身主图板

Ø车身主图板网格零线选取：

（1）高度方向的零线：

一般取汽车满载时车架纵梁的上翼缘面（货车）、地板平面（轿车）或通过前轮中心的水平线作为零线（总图纸）

（2）宽度方向的零线：

汽车纵向对称中心线作为零线。

方向盘位置为正

（3）长度方向的零线：

汽车前轮中心的垂线作为零线。

向后为正，向前为负。

注意：

线多则曲率变化快，线疏间隔大曲率变化慢。

Ø绘制车身主图板

（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、行李舱盖等）运动轨迹的校核。

→绘制分总成、零部件图（前围、地板、顶后侧、内饰件、车门）→制作样车→修改设计→制作车身主模型

Ø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。

Ø主模型

（1）主模型可以按车身覆盖件在汽车车身中的位置分为外主模型和内主模型两部分，它们分别表示车身外覆盖件和内部零件的立体表面形状。

（2）外主模型各块的外表面均系车身覆盖件的内表面。

（3）内主模型的特点是它大多与外主模型有配合关系或装配关系，以与其它部件有装配关系的面作为主模型面

→（正式生产）

⏹车身三化：

标准化、通用化、系列化

（1）标准化：

灯泡、播放器等，节约成本，性能稳定

（2）汽车→不同车型间采用相同的零件（车门、座椅、仪表板）——通用化

↓

系列车型（三厢、两厢、Coupe、掀背、旅行、皮卡）——系列化

⏹当前汽车车身结构设计发展的特征：

轻型化、联合化、系统化、优质化、自动化

六、车身的功用与要求

车身提供了车辆弯曲和扭转刚度的四分之三，撞车时提供缓冲作用以吸收撞击能量保护乘员安全。

它与汽车其它部件构成一个优美、完整的艺术造型。

对汽车车身有如下要求：

1．车身结构必须能够承受在整个使用寿命期间可能遇到的所有静力与动力负荷。

为发动机和底盘部件提供必要的覆盖、隔离和保护；

2．车身结构必须提供一个舒适惬意的车内空间，并为运载的货物提供合适的运载空间并且汽车行驶过程中货物完好无损；

3．车身结构必须能够对车内外噪声源进行隔音；

4．保证驾驶员和乘员有适当的视野性，发生事故时对乘员起保护作用；

5．重量轻；

6．低空气阻力系数；

7．材料来源丰富、便宜、制造装配简易、效率高，制造成本低；

8．使用寿命期内，在严寒、炎热的气候条件和腐蚀性环境中都能满足各项使用要求；

9．车身是一件精制的综合艺术品。

第二章车身总布置

一、需要解决的问题：

1、车身与发动机的位置关系

2、车身与底盘的位置关系：

传动轴、悬架、车轮、油箱、行李箱、排气消音系统

3、驾驶室的驾驶和乘座空间：

人机工程

二、车身总布置的原则

1．要考虑汽车是供人乘坐还是供特殊目的用，除设法满足设施正常工作和一些特殊的要求外，主要是围绕人的乘坐提出要求，即提出乘坐舒适性、居住性、操纵方便性、温度调节特性、视野性、上车车方便性及安全性等方面的要求。

2．从整车的经济性和行驶稳定性出发，要有良好的空气动力特性。

3．具有良好的修理底盘各总成、发动机及电气设备等各总成及其零部件的方便性。

4．从降低制造成本考虑，要尽力减小车身质量，并具有良好的冲压、焊接、装配及涂装工艺性。

5．按照汽车的级别，用途及法规选择各种车身附件，同时确定必装件与选装件。

6．在满足性能要求的前提下，尽力减小车身的外形尺寸。

在外形尺寸一定的情况下，尽力扩大车室内空间，尤其是要尽力增大宽度方向的尺寸。

7．充分考虑车身与整车及其各总成的协调，确保良好的密封、通风换气，隔声、隔热及防振动等性能。

·

8．必须满足国内有关的各种法规和标准的要求，同时还要考虑先进工业国家的有关法规，例如美国、日本及欧洲经济共同体诸国的法规。

9．在确定车身尺寸时，要考虑我国的气候条件，特别要注意适应严寒地区的冬装，例如，皮帽、皮鞋、皮手套及棉大衣等。

三、车身总布置内容

1．确定车身内、外尺寸；

2．确定乘坐与操纵空间，对于特殊用途的车辆，还要确定设施与装备的位置和尺寸；

3．校核各项性能及法规要求的尺寸数据，例如，风窗的刮扫面积、座椅的调整量，仪表板的防眩目及视野性等；

4．确定发动机、传动系占用的空间，并对有关总成提出反要求；

5．确定车身的悬置型式及位置；

6．依据车轮跳动图确定翼子板及挡泥板等零部件的位置与结构；

7．对于轿车和大型客车，还要特殊注意备胎、燃料箱，以及各种液罐、蓄电池及行李舱的位置；

8．确定由于车身附件及其他装置的特殊要求引起的车身布置及结构的变动。

例如，装用架空式空调系统时，需采用高车顶等；

9．对于载货汽车，要注意驾驶室与车箱间的关系；

10．充分考虑左、右置转向盘的通用问题。

四、轿车车身布置（见书）

五、客车车身布置（见书）

六、货车车身布置：

驾驶室和发动机

1．长头式：

驾驶室位于发动机之后。

可使驾驶室地板布置得较低，座椅布置也较宽敞，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。

2．短头式：

驾驶室部分地位于发动机之上。

短头式驾驶室可以将发动机部分地伸入驾驶室内，如果布置得当，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。

3．平头式：

驾驶室部分地位于发动机之上。

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，致使座椅布置较为拥挤。

长头式驾驶室改为短头式以后约可增大货箱有效面积达30％。

4．偏置式：

驾驶室偏于一侧的。

驾驶室偏置于发动机的一侧，它是干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，偏置式驾驶室在超重型矿用自卸车上用得很普遍。

第三章人机工程学在车身设计中的应用

一、人机工程学的定义

国际人类工效学学会（InternationalErgonomicsAssociation，简称IEA）为本学科所下的定义是最有权威、最全面的定义，即人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。

人机工程学在产品设计中的应用主要满足人的三种要求，即：

生理学要求、心理学要求和审美要求。

二、人机工程学的研究范围

1．研究“人—机”的合理分工和相互适应的问题。

造型设计中的人—机工程学主要是讨论在充分考虑人和机器特征的前提下，如何做到人、机职能的合理分配。

人—车系统中人是主动者，而车是人的控制对象，是被动者。

因此人、车关系是否协调，要看车身是否符合人的特征。

2．研究被控制对象的状态，即信息如何输入以及人的操纵活动信息如何输出。

显然，这里主要研究的是人的生理过程和心理过程的规律性。

如仪表、警示灯、电子显示器等的特征

3．建立“人—车—环境”系统的原则。

例如，研究如何进行作业空间设计和环境条件对作业的影响等。

根据人的心理和生理特征，应对机器、环境提出相应的要求，即在产品设计时应考虑创造和设计一个良好的工作条件与环境，保证操作者能在最佳环境内高效、可靠、安全地进行工作。

如灯光、内饰色彩、材质特性等

三、人对车和车内工作环境的关系

1．人对机器工作环境的生理适应主要由以下几个方面形成：

（1）人体结构尺寸：

包括静态的人体测量数据和动态的人体解剖学特点。

（2）生物力学：

人机工程学中的生物力学主要是研究人体的力学特点，包括人体各部分的力量、活动范围、速度和人体组织对不同力量的阻力，人体各部分的重量、重心变化及动作惯性，还有与人的不同姿势有关的功能特性等等。

（3）人的感知特性：

人在生产过程中从接到信号到开始工作，有一个时间差，这个时间差跟人的感知特性有密不可分的关系。

实验结果表明，简单的感觉运动由得到信号到开始动作，依赖于调整反应动作的“感觉通道”。

人对信息反应最为灵敏的三个感觉通道分别是触觉、听觉和视觉。

2．人机工程学与人的心理影响主要体现在色彩、照明、听觉等因素。

四、人体的人—机工程学参数

1．静态测量人体尺度

人体尺度一般是指人体高度、宽度和胸廓前后径，以及各部分肢体的大小等。

通常是在静止状态下直接测量（对不同种族、年龄、性别的人体各部尺寸以及活动范围作静态的测量）后，进行数据统计分析得到。

（图3-11）

2．车身与人体尺寸有关的布置尺寸（表3-1）

五、人体尺寸统计规律

为便于讨论人机工程学应用，先介绍几个基本概念。

1．百分位数

欲得到某一参量的分布规律，一般要进行有目的的抽样测量工作。

对于人体尺寸，将抽取的“样本”实测尺寸值由小到大排列于数轴上，再将这一尺寸段均分成100份，则将第几份点上的数值作为该百分位数。

例如，第50份点上的数值为1.688m，则称第50百分位数为1.688m，一般称为P50:

1.688。

2．满足度：

系表示产品尺寸有多少人（X％）能很适合的参数。

3．按照满足度的要求,百分位数在设计产品或制订标准时的使用规则

（1）当产品设计的尺寸不适当时，不仅不适用，而且有害于健康或易造成危险（如飞行员头盔）。

设计该产品时应采用P99、P1为上、下限值，满足度应为98％；

（2）对于一般军用产品，设计时满足度应超过90％；

（3）对于一般民用产品，设计时采用P95、P5为上、下限，满足度应为90％；

（4）与整个人体尺寸有关的产品设计时应采用P95或P90，对于涉及约束或限制人体的产品，应采用P5为设计依据（楼梯）；

（5）对于不属于第4项范围的，但要求用折衷的办法，且只用一个规格最大限度地满足整个群体需要的产品，设计时满足度应选用P50（方向盘）。

例：

汽车座椅前后移动量分别以P5女人和P95男人为标准，则满足度>90％；后排空间取P95男人；内饰顶盖取P95男人。

4．人体百分位尺寸的计算

人体各部位尺寸符合正态分布规律。

当不需要100％的置信度而只需95％或90％的置信度时，可不必将有关人员一个一个地全部测量，只需测量其中很少一部分人员即可。

抽样人数可按式计算：

式中：

——第

百分位数对应的人体尺寸；

——均值，可查表；

——标准差，可查表。

——第百分位对应的常数，可查表。

六、驾驶室布置的基准点——H点和R点

1．H点是大腿与躯干相连的旋转点，即胯点，体现在H点测量装置上为大腿与躯干相连的轴的中心线，标为H点。

2．R点是在设计之初进行总布置时，通常是根据总布置的要求先确定一个“乘坐参考点”，即座椅调整至正常驾驶位置范围中最后、最下时的胯点，并称该胯点为R点，以R点做为设计参考量开始设计，待样车制出后，将座椅调整至正常驾驶位置范围中最后、最下位置，再测跨点，此时测得的胯点称为“实际H点”。

3．实际H点与R点相认证，并按实际H点确认或修改设计。

假如测定的H点不超出以R点为中心的水平边长30mm、铅直边长20mm的矩形方框范围，并且靠背角与设计值之间差值不大于3’，则认为H点与R点的相对位置满足要求，即R点的位置是可用的。

假如不满足要求，再测两次，这三次测量中只要有两次满足要求，则认为满足要求；若有两次以上不满足要求，则取三次测量的平均值作为该座椅的实际H点位置。

⏹驾驶员位置（图3-14）

⏹轿车车身横断面（图3-23）

⏹轿车内部布置尺寸（图3-13）

⏹K值对车门形状影响（图3-19、3-20）

⏹门立柱与座椅相对位置的推荐值（图3-16、3-18）

⏹脚踏板位置（图3-10）

七、眼椭圆及应用

1．定义：

眼椭圆系指汽车驾驶员以正常驾驶姿，势坐在座椅上时，其眼睛在车身座标中的位置范围。

由于驾驶员的身材、坐的姿势及驾驶习惯等存在着差异，使汽车驾驶员眼睛的位置并不是某个固定点。

通过对数以千计的汽车驾驶员的实测、统计分析得出的结论是，汽车驾驶员眼睛位置的分布位置是一个椭圆。

这样，眼椭圆即成了汽车驾驶员眼睛位置分布的代名词。

2．眼椭圆的发展背景

国际标准ISO一4513《道路车辆一视野性能一关于驾驶员眼睛位置一眼椭圆的确定方法》已为25个会员国承认，其中包括美国、日本及苏联等国家。

3．眼椭圆的定位（见书）

4．眼椭圆的应用

（1）前视野

在侧视图中，过前风窗上限相应的点，向眼椭圆上缘做切线，该切线与水平线的夹角就是上视角；过前风窗下限相应的点（平头载货汽车）或过发动机罩的顶点（轿车或长头载货汽车），向眼椭圆下缘做切线，该切线与水平线的夹角就是下视角。

利用上、下视角即可校核前视野是否符合汽车标准的要求（图3-49）。

●轿车的重要视野范围：

（2）以眼椭圆为基准，可以测取前、侧、后方的盲区面积尺寸，据此可校核前、侧、后视野是否符合汽车标准的要求。

●后视镜的可视最小范围

（3）以眼椭圆为基准校核转向盘的位置

以眼椭圆为基准校核转向盘位置时，转向盘的上缘未进入汽车标准规定的下视角区域内，且转向盘不遮挡驾驶员观察仪表的视野，则认为转向盘的布置是合理的。

（4）对轿车前风窗玻璃刮扫面积的规定

正常校核时，首先在车身侧视图与俯视图上绘出一定百分位的眼椭圆，然后作眼椭圆的上、下、左、右四个切平面，与前风窗玻璃相交，得出四条交线，便围成了前视野所需求的刮扫区域（图4-4）。

（5）以眼椭圆为基准，对仪表位置（视距、视角）、仪表视认性及表面反光等进行校核。

●驾驶时注视的范围和厌烦感觉显示位置

八、手操作范围:

对各种按钮开关的控制

手操作范围——轿车手控作业区【ISO3978—1997（C）】

该标准规定驾驶员系三点式安全带、一手握转向盘、右脚踏加速踏板，另一只用三个指头操纵直径为25mm的球头手柄时手能伸及的范围。

手控作用区是用图示的各个参考量为基准的，这些参考量都有具体的规定，超出此范围时，应对手控作用区做必要的修正。

手控作用区包络面能被男、女比例为50：

50、75：

25、90：

10的全部驾驶员中的95％的人员所伸达。

包络面尺寸为水平前、后尺寸，以座椅坐标为基准，包络面从驾驶员位置中心向外伸展400mm，向内伸展600mm，向H点以下伸展100mm，向打点以上伸展800mm。

若超出此范围，当超出130mm以内时，可根据表中数据用图解线分析法推得出。

●见书4-4节全部

●手动控制器的设计

研究手的运动规律。

对于手动控制器的设计是很重要的：

1．手的垂直方向运动速度比水平运动速度快；

2．手从上往下运动的速度比从下往上运动的速度快；

3．在水平面内，手的前后运动速度比左右运动速度快，旋转运动比直线运动快；

4．对一般人来说，右手活动比左手快，顺时针活动比逆时针活动快；

5．单手操作比双手操作既快又准；

●控制装置的选择

控制装置的选择主要是按使用功能和操作要求进行选择，这对于安全生产、提高工效非常重要。

一般应遵循如下几个原则：

1．快速、精细的操作，主要采用手动或指动控制器；

2．手动控制器应安排在容易接触到和易看到的空间；

3．对于按钮，它们的间距应为15mm，各手控制器的间距不小于50mm；

4．手揿按钮、旋钮适用于费力小、移动幅度不大及高精度的阶梯式或连续式调节；

5．长臂杆、手柄、手轮、踏板则适用于费力、幅度大和低精度的操作；

手控操作力在20—50N，开关类配置间隔在60—90mm为宜。

●踏板力（图3-40、3-41）、头部包络线、膝部包络线、胃部包络线

九、从满足乘坐和操作空间出发，具体说明一下车身总布置的内容与方法：

布置是以驾驶员座椅为中心进行的，首先根据车种和型式及踵点位置确定驾驶员座椅的位置及尺寸，画出其各调节功能下的各个可能的位置（对于多功能调节座椅，只给出与尺寸和位置相关的参数）；

再画出眼椭圆，确定出H点，进而确定仪表板的位置，确定上、下、左、右各方视野；

然后用人体模型确定转向盘安装角度，定出转向盘下边缘至座垫表面、靠背的距离。

进而画出手操纵手柄、按钮、拉钮的位置；

最后确定前风窗玻璃的安装角度及其上、下、左、右支柱位置、地板位置及顶盖的位置。

将上述各项初步确定后，对其进行性能，法规及标准校核，进行修改不合适的尺寸，按此循环；直至完全符合要求为止。

第四章车体结构分析与设计

●刚度设计的分配

碰撞能量吸收构想：

（1）轻微碰撞时仅保险杠变形；

（2）低速行驶碰撞时，也要将损失控制在仅是车辆前部耗费些修理费；

（3）出现大事故时，由发动机舱整体吸收能量，解救驾驶室内的乘员。

因而，从车辆前部开始依次损坏，并尽量多地吸收能量，使驾驶室变形降到最小的车身结构是必须的。

●车身结构防护措施

车身壳体的正确结构应是：

1．使乘客舱具有较大的刚度以便在碰撞时尽量减小变形，同时使车身的头部、尾部等其它离乘员较远的部分的刚度相对较小，在碰撞时得以产生较大的变形而吸收撞击能量，显然，如果车身乘客舱按照汽车行驶时的载荷来设计，其刚度就显得不足，还需要进行局部加强。

乘客舱较易加固的是地板、前围内板、后围板等宽大的部件。

2．门、窗孔洞的周边则是薄弱环节，但风窗支柱和中立柱的断面尺寸又不宜过大，所以只能在其内部贴上较厚的加强钣。

3．在汽车碰撞时，为避免整个乘客舱的构架产生剪切变形或坍塌，最重要的是加固门、窗周边的拐角部分，可在其上贴上加强板或加大拐角处的过渡圆角。

●车身结构件的设计

要使乘客舱获得必要的刚度，不能仅靠局部补强的办法，而应就整个车身结构通盘考虑。

1．杆件或梁在弯曲时变形较大而在拉伸或压缩时变形较小。

因此，车身客舱构件应合理布置，使之尽量少承受弯曲载荷。

在汽车头部或尾部受撞击时，可通过倾斜的构件将力传递至客舱的纵向构件，使之承受压缩或拉伸。

2．为了使车身头部和尾部的刚度较小，可以在粗大的构件或强固的部件上开孔或开槽来削弱其刚度，或者使构件在汽车碰撞时承受弯曲载荷。

车身前部安装发动机和前悬架的纵、横梁都较粗大，因此某些现代轿车的前部纵梁不是平直的，而是有意弯折成Z字形以便在碰撞时折叠变形并吸收冲击能量。

纵梁设计原则：

（1）轻微碰撞时和碰撞初期，前纵梁前端部压坏起折皱；

（2）此后，前纵梁弯曲，进一步吸收大的能量；

（3）坚硬且没损坏的发动机被夹在发动机挡板（与客舱的隔板）与碰撞对方车辆之间，发动机挡板变形，其周围为骨架件等的框。

而后，残留的运动能量则由支撑这个框的支柱和中间边梁分散吸收，这样便控制了发动机进入客舱内。

3．为使乘客舱侧面较强固以便承受较大的撞击力．车身的门槛通常较粗大，并用横梁将左右两根门槛连接起来共同受力。

此外在门外钣的内表面还常常贴有瓦楞状加强饭。

●安全防护装置安全要求

发生汽车碰撞事故时，运动急剧停止、缺乏缓冲距离以及人体与尖硬物接触都会导致严重伤亡，因此，汽车安全防护装置的基本功能和结构原理可归结为：

1．产生软缓冲作用，亦即构件以适当的变形距离吸收撞击能量，或者说使速度逐渐下降而避免出现较大的减速度和碰撞力；

2．加大人体与汽车构件的接触面积，避免产生点接触从而使碰撞造成的单位面积挤压力减少或使碰撞力转移到人体非要害部位。

3．对乘员施加约束使之避免在汽车碰撞时与车内物体撞击或被甩出车外——安全带。