半承载车身结构设计.docx

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半承载车身结构设计

摘要

伴随着社会的高速发展，在全球经济发展的大环境之下，我国各个行业在受到其他国家先进技术冲击的同时，与国外品牌企业的沟通交流的机会也变的越来越多。

汽车行业通过行业展会、科研合作等多种途径，不断的提高了自身实力和核心竞争力，缩小与发达国家之间的差距。

在新的市场需求的驱动下，汽车半承载式车身的更新和优化升级更加迫切。

国内汽车车身生产企业充分挖掘市场潜力，大力研究发展稳固、牢固的汽车车身，在机动车辆向绿色环保化的转变中挥积极作用。

一般生产汽车车身的企业对所生产的车身的安全指数都有严格的要求。

各企业在生产汽车车身的同时，都充分考虑到汽车在运行中可能会出现的种种问题，从而减少汽车因为车身不牢固以及由于车身的联接问题在行驶过程中产生的噪音而引起的噪音大、污染重等现象。

国内汽车半承载车身的研发及制造要与全球号召的安全稳定、成本低廉的主题保持一致。

加大汽车新型半承载车身结构的研发及生产是行业发展的大趋势，同时也迎合了国内基础建设发展的需求。

汽车行业的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。

随着科学技术的发展，各学科间相互渗透，各行业间相互交流，广泛使用新结构、新材料、新工艺，目前半承载车身正向着稳定、高效、可靠、节能方向发展。

本文介绍了汽车半承载式车身的结构组成、结构原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算，由于汽车车身在多样化、安全稳定方面的优点日益突出，并且其使用和维护都很方便，相信在不久的将来，该新型半承载车身结构的应用将会越来越普及。

关键词：

半承载车身稳定结构应用

Abstract

Alongwiththerapiddevelopmentofsociety,undertheenvironmentofglobaleconomicdevelopment.China'svariousindustriesinbytheothercountriestheimpactofadvancedtechnologyatthesametime,opportunitytocommunicatewithforeignbrandenterpriseshasbecomemoreandmore.Automobileindustrythroughindustryexhibitions,researchcooperationandotherways,andconstantlyimprovetheirownstrengthandcorecompetitiveness,narrowingthegapbetweenthedevelopedcountries.

Drivenbythenewmarketdemand,theautomobilesemi-loadvehiclebodyisupdatedandoptimized.Domesticautomobilebodyproductionenterprisestofullytapthemarketpotential,andvigorouslyresearchanddevelopmentofasolid,strongcarbody,inamotorvehicletothegreenenvironmentalprotectionchangeinapositiverole.Generalproductionofautobodyenterprisesontheproductionofthebody'ssafetyindexhasstrictrequirements.Theenterpriseintheproductionofcarbody,atthesametime,givefullconsiderationtothecarmayariseintheoperationofallsortsofquestions,soastoreducethevehiclebecausethebodyisnotstrongandthebodyconnectionprobleminrunningthenoisegeneratedintheprocesscausedbynoise,heavy

Thedevelopmentandmanufactureofthedomesticautomobilesemibearingbodyshouldbeconsistentwiththeglobalcallforsecurityandstability,lowcostandlowcost.Thedevelopmentandproductionofthenewtypehalfbearingbodystructureisthemajortrendofthedevelopmentoftheindustry,butalsotomeettheneedsofthedevelopmentofdomesticinfrastructure.

Thedevelopmentofautomobileindustryiscloselyrelatedtotheprogressofhumansocietyandthelevelofscienceandtechnology.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,interdisciplinarymutualinfiltration,mutualexchangesbetweentheindustry,widelyusednewstructure,newmaterials,newtechnology,atpresentcarryingbodytowardsastable,efficient,reliable,energy-savingdirection.

Thispaperintroducesthesemiautobearingtypebodystructurecomposition,structureprincipleandmainpartsdesignmusthavethetheoreticalcalculation,becauseoftheincreasinglyprominentadvantagesofcarbodyindiverse,safeandstable,andtheoperationandmaintenanceareveryconvenient,Ibelieveinnotlongfuture,thenewsemibearingbodystructurewillbeappliedmoreandmorepopular.

Keywords:

semibearingbodystabilitystructureapplication

2车身总布置设计7

2.1发动机与车门的布置9

2.2外廊尺寸和有关总布置尺寸10

2.3车箱布置及横截面尺寸11

2.4座椅尺寸及操纵机构的布置13

2.5备胎、油箱和蓄电池的布置15

3车架及车身骨架设计17

3.1车架设计19

3.2车身骨架设计20

4半承载车身主要零部件的有限元分析21

4.1大梁的有限元强度分析22

1.1课题的来源与研究的目的和意义

目前，我国生产的半承载式车身结构简陋，稳定性始终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。

但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的半承载式车身的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，半承载式车身的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的半承载式车身势在必行！

相信此种半承载式车身的出现将会大大提高机动车辆的行驶稳定性和安全系数，相对生产半承载式车身，将会对其经济效益方面带来显著的提高，同时也在某种程度上推进了汽车工业的不断发展。

随着国际标准化的实施，世界半承载式车身以采用新材料、新技术、新工艺、新结构为基础，着眼于产品零部件的标准化、系列化、规格化、通用化和专业化以及大批量生产。

根据互换性、模数制、公差与配合的原理，使得组合、多变、拆装的半承载式车身已经进入全面系统设计的阶段，其功能与形式的结合更为完美。

19世纪80年代，德国的MODTT公司将新开发的半承载式车身应用到该公司的子公司—一个专业生产汽车的公司，经过几年的运行，为该公司创造了不菲的利润。

随着技术的发展，能源危机引发全球性的节约能源和环境保护意识的提高，在总结第一代半承载式车身的经验基础上，开发出了性能更佳，功率更大的半承载式车身。

当前，全世界各大机械人厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行半承载式车身的研发工作。

现在国外等著名半承载式车身的品牌中，都有半承载式车身的销售，全世界半承载式车身的应用越来越广泛。

有一点值得注意的是，半承载式车身的市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此半承载式车身是汽车生产企业很乐意生产的汽车部件之一。

西方资本主义国家有巨大的半承载式车身销售市场，机械人工业是西方资本主义国家的机械工业之一。

目前国外特别是美国正在考虑发展半承载式车身的功率最大化，产能最优化的问题。

自九十年代开始，半承载式车身的开发和研制已经被列入美国的重大科技攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合美国汽车工业发展的半承载式车身。

二十世纪以来，我国开始生产半承载式车身，于2003年自行设计出型号不同的半承载式车身之后，为了适应汽车生产厂家的需要，2004年又制造了针对大型客车，货车的半承载式车身。

为了满足半承载式车身生产工业发展需要，我国于2001年研制了大型半承载式车身。

也曾设计制造出高稳定性的半承载式车身，经过多年实践摸索，于2011研制出新型半承载式车身，经运转实践证明效果很好。

近几年又研制出PX1400/170型半承载式车身。

目前，半承载式车身是1970年开始仿制德国的半承载式车身而设计。

2008年开始自行设计生产了半承载式车身。

2009年又设计制造了大型半承载式车身。

90年代已研制出针对大型客车的半承载式车身的系列产品。

后经多年反复研制与实践，相继克服了旧系统不足，零件强度低以及结构上的某些缺点，现己批量生产的新系列半承载式车身有I,II,III,IV,VI等五个规格十四种类型，然而我国机械人业所需的半承载式车身全部依赖进口，这使得国产机械人配备半承载式车身后，成本增加很大，而装备自行开发生产半承载式车身，其成本提高不大，说明半承载式车身的市场前景令人乐观。

1.2本课题研究的内容

本次设计主要针对半承载式车身进行设计，从半承载式车身的整体方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面：

（1）到图书馆里查阅大量相关知识的资料，搜集各类半承载式车身的原理及结构，挑选相关内容记录并学习。

（2）分析半承载式车身的结构与参数

（3）确定设计总体方案。

（4）确定具体设计方案。

（5）半承载式车身的三维图的绘制、CAD装配图、零件图的绘制。

（6）半承载式车身主要零件的有限元分析。

（7）说明书的编写和整理。

1.3车身结构

客车与轨道交通车辆是现代社会中运输旅客的主要交通工具。

在我国，客车是指在设计和技术特性上用于载运乘客及其随身行李的商用车。

由于其载客量大，占地面积小，在我国应用广泛。

客车由发动机、底盘、车身和电器设备等几大部分构成。

作为客车的重要组成部分，车身的设计越来越受到重视，客车车身主要由骨架结构和蒙皮结构两部分组成。

在客车结构中，车身即是承载单元，又是功能单元。

作为承载单元，由车身骨架与底架或车架（小型客车车身壳体与车架）组成的车身结构，在客车行驶中要承受多种载荷的作用。

作为功能单元，车身应该为驾驶员提供便利的工作环境，为乘员提供舒适的乘坐环境，保护他们免受车辆行驶时产生的振动噪声和废气等的侵袭，以及外界恶劣天气的影响；同时在交通事故中，可靠的车身结构和乘员保护系统有助于减轻对乘员和行人造成的伤害；此外，合理的车身外部形状，以便客车行驶时能有效地引导周围的气流，提高车辆的动力性、燃油经济性和行驶稳定性，并改善发动机的冷却条件和车内通风。

因此，客车车身对客车产品的设计制造有着十分重要的影响。

1.4客车车身的分类

由于客车品种繁多，所以车身的分类形式也是多种多样的。

常见的分类方法有按客车的用途、承载形式和车身结构进行分类。

客车分为大型客车、中型客车和小型客车三种。

1、大型客车车身长度＞9m；

2、中型客车6m＜车身长度≤9m；

3、小型客车车身长度≤6m。

其中：

①大型客车分为高三级、高二级、高一级、中级和普通级五个等级。

②中型客车分为高二级、高一级、中级和普通级四个等级。

③小型客车分为高二级、高一级、中级和普通级四个等级。

图5-2长途客车

2车身总布置设计

2.1发动机与车门的布置

1、发动机布置

客车车身的总布置设计在很大程度上与发动机的布置相关联，发动机布置主要有前置、中置和后置三种。

如图5-14所示。

（1）发动机前置后驱（FR）方案

发动机前置后驱方案是4×2型汽车的传统布置方案，主要应用于轻型客车上，如图5-14（a）所示。

这种方案结构简单，工作可靠，操纵方便，发动机的冷却效果好，前后轮的质量分配比较理想。

但由于发动机前置，凸起于车厢地板表面之上，使得车厢的面积利用率差；传动轴从车厢地板下通过，导致地板平面离地距离较高，乘客上下车不方便；此外发动机的噪声、气味和振动难以隔绝，很容易传入车厢内影响乘员的乘坐舒适性；有一扇乘客门布置在轴距范围内，降低了车身的刚度。

针对中开门设计导致车身强度降低的缺点，可以采用车门前开的布置，这样可以改善车身的刚度，但是前悬必须得加长，可能出现前轴超载的现象。

（2）发动机中置后驱（MR）方案

发动机中置后轮驱动方案如图5-14（b）所示，传动系统的这种方案布置有利于实现较为理想的质量分配，车厢面积的利用率高，乘客门可以布置在车辆前轴之间。

但是发动机维修困难，所以对发动机的可靠性要求很高；由于中置车厢地板下，发动机冷却效果差，地板高度也难以降低；此外，发动机的噪声、气味和振动还是可以传入车厢内。

所以这种布置方式只在部分大中型客车上采用，并未获得推广。

（a）发动机前置后轮驱动

（b）发动机中置后轮驱动

图5-14客车发动机布置方案

2、客车车门布置

客车车门有乘客门、驾驶门和应急门三种。

对于不同尺寸不同类型的车型，其布置形式各不相同。

客车乘客门是乘客上下车的出口，是客车设计的重要组成部分，按通道宽度可分为单引道门和双引道门。

单引道门主要用于乘客上下车不频繁的长途客车、旅游客车和团体客车上，轻型客车应用也比较广泛；双引道则主要用于乘客上下车频繁的城市客车上。

乘客门在设计布置时候需满足国家标准的规定，一般布置在客车右侧，其中至少应有一个乘客门在车辆的前半部。

但对在道路中央设置的公共汽车专用道上运营使用的公共汽车，由于公交站台位置的原因需在车身左侧上下乘客时，允许在车身左侧开设乘客门，而车身右侧则不允许再设乘客门。

一般乘客门的数量设置如表5-1所示：

表5-1客车乘客门的最少数量-

客车类型

Ⅰ级

Ⅱ级、Ⅲ级

车长L/m

L≤10

10＜L≤13.7

L≥13.7

L≤12

L＞12

乘客门最少数量

1

2

3

1

2

驾驶门是驾驶员上下车专用门，设置在方向盘同侧，一般中低档乘客门中置的大型客车和一些中型客车采用。

应急门又称安全门，当客车内发生危险时，乘客可通过应急门进行紧急撤离，一般应用在特大型的长途或旅游客车上。

国家标准并未对应急门的布置做出明确限制，但是合理布置应急门的位置是相当重要的，通常布置在客车右侧中部偏后位置。

2.2外廊尺寸和有关总布置尺寸

国家标准对客车的相关尺寸做了详细的规定。

客车的外廊尺寸见GB1589-2004《汽车外廓尺寸限界》中的规定，客车外廓尺寸的最大限值如表5-2所示：

表5-2客车外廓尺寸的最大限值

外廓限值类型

限值

总高

4m（对于定线行驶的双层客车为4.2m）

总宽（不包括后视镜）

2.5m

总长

二轴客车

12m

三轴客车

13.7m

单铰接客车

18m

GB/T13094-1991《客车通用技术条件》规定了客车的其它总布置尺寸要求，如表5-3所示：

表5-3客车其它总布置尺寸要求

规定项目

限值

按近角

≥12°

离去角

≥9°

转弯半径

≤12m

转弯时的通道宽度

≤6.7m

最小离地间隙

长途或旅游客车

≥270mm

城市客车

≥240mm

此外，《客车通用技术条件》还对前、后悬长，轴距等许多总布置尺寸作了相应规定。

如窗距的确定，需要满足10t顶置载荷作用的要求。

2.3车箱布置及横截面尺寸

1、座椅布置

客车一般根据用途、乘客数及车长布置座位排列方式和排数。

城市客车行驶的车站距离近，乘客频繁流动，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、双排座的布置方案，以增大过道的宽度和站立面积。

近年来，城市公共交通迅速发展，为了满足人们上、下班及节假日时候客流高峰的需要，可以沿车辆两侧壁布置座椅，这样可以显著的增加乘客站立面积，从而增大载客量。

但是这种座椅纵向布置的方案恶化了一般使用情况下乘坐的舒适性，此外，由于进行汽车承载系统（包括车身骨架、底架和行驶系）的强度设计中必须考虑高峰载荷值，所以将会使汽车的自重相应，在占大部分使用时间的非客流高峰时刻，汽车设计的强度是过剩的，这样显然是不经济的。

图5-15所示的是VOLVO汽车公司的7700-02城市大客车的平面布置。

该车的发动机装在地板下面，有效载客面积22.52

乘客座椅面积10.82

，总容量为110人，客流高峰时刻可容纳120人以上。

为了充分利用车厢面积，前轮罩上设了一排朝前布置的座椅，而后轮罩上则设了两排座椅，分别朝前和朝后布置。

城市客车车厢的平面布置在相当大的程度上受城市居民收入水平的影响。

在西欧一些国家，城市客车的座位布置一般为前部1+1，后部2+2的形式，但是随着经济的发展和城市居民收入水平的提高，城市客车的舒适性也逐步提高，座位数朝着增加趋势发展。

于此相反，在我国及一些发展中国家，城市人口密集，居民收入水平有限，城市客车的座位布置多采取前部1+1，后部2+2的形式。

图5-15VOLVO7700-02城市大客车平面布置

图5-16豪华长途大客车平面布置图

长途客车由于乘客乘坐时间长，车站距离也较远，客流量一般比较稳定，座椅布置主要应保证乘坐的舒适性，而且尽可能使乘客面朝前方乘坐。

为了增加载客量，可在两排座椅中间的过道处增设活动座椅。

图5-16所示的是国内某客车企业投产的一款豪华长途大客车平面布置图，该车的发动机后置，与城市客车相比，其特点是只开了一扇乘客门，座椅舒适性好且间距较大、过道较窄，同时在车厢的中间还设有卫生间，车厢内的前部和中部各装有一台壁挂电视机。

2、客车横截面及相关尺寸

客车横截面如图5-17所示，GB13053-2008《客车车内尺寸》对其各尺寸做了详细说明。

图中

为乘客座椅中心平面至侧围的距离，

为侧窗下缘高，

为侧窗上缘高，

为侧窗扶手高，

为顶盖扶手高，

为扶手空间，

为乘客门高，

为一级踏步高，

为一级踏步深，

为踏步高，

为踏步深，

为通道宽，

为高地板高，

为行李架宽，

为行李架入口高，

为行李架倾角。

图5-17客车横截面

3、内行李架、通风道及各种附件的设计布置

内行李架、通风道及相关附件都是客车内饰的重要组成部分。

客车上的附件主要有车载电视、灯具、通风道及出风口、音响及扬声器等。

在长途和旅游客车上，车载电视一般布置在驾驶员右上方的顶棚部位，便于全车乘客观看，对于车体较长的客车，可在客车中部位置增加一个显示器，这样方便坐在车后面的乘客观看。

城市客车的车载电视布置在驾驶员座椅后部及中部靠进车顶的位置。

扬声器根据不同车型的需求，选择相应的数量和型号，安装位置一般在车内顶棚。

客车内置行李架的设计布置需满足国家标准的规定，一般宽度不小于300mm，上部空间高度不小于200mm，具有大行李舱的客车不小于150mm；行李架对车壁的倾斜不小于5°，若行李架为水平，入口处需加挡护装置；行李舱容积应保证每位乘客不少于0.1m3。

客车内置行李架有航空式行李架和敞开式行李架两种。

一般是和通风道进行组合后布置在内顶盖的两侧。

航空式行李架主要应用在长途和旅游客车上，是将行李架与通风道融为一体，由可掀起的带有弧线轮廓线的活动门组成的封闭式结构。

通常将出风口，阅读灯面板、音响、扬声器和照明灯面板整齐排列于通风道下平面，位于座椅上方。

敞开式行李架常用于低档客车上，是航空式行李架的简化，取消活动门。

城市客车一般不设置行李架。

5、地板平面高度

车厢地板平面的高度受发动机和传动系安装布置方式的限制。

对于利用与货车通用的标准后桥，并且采取前置发动机布置方案的情况，地板平面的高度H主要取决于以下参数：

车轮半径

、后桥壳高度

以及包括悬架压缩动挠度、缓冲块压凹后的附加挠度与地板厚度在内的

值（参见图5-18）。

图5-18驱动桥形式对城市客车地板高度的影响

（a）标准货车驱动桥（b）主减速器偏向一边并与轮边减速器一体的U型驱动桥

（c）带有轮边减速器的U型驱动桥

2.4座椅尺寸及操纵机构的布置

客车上座椅是最多的附件总成，其结构的安全性、乘坐舒适性和材料的环保性等与乘客密切相关，越来越受到人们的重视。

客车座椅一般分为乘客座椅和驾驶员座椅，两者在尺寸和结构设计上有着一定的区别。

1、乘客座椅的相关尺寸

乘客座椅的尺寸如5-20所示，不同型号的大客车，其座椅座垫的前缘到搁脚支板的距离以及座垫和靠背的倾角都可以取为常数，但是布置在轮拱或后置发动机舱盖上的座椅，其高度一般需要相应的提高，这是就有必要为乘客设计以搁脚的台阶或是稍微改变座垫和靠背的倾角。

座垫距离地板的高度大约为450mm，一般不超过500mm。

升高座椅的高度就有可能缩短座椅之间的间距，有时候为了增加车内的座位数，提高车内面积的利用率，就采用此方法，同时还要改变靠背的倾角和其他尺寸。

图5-20大客车乘客座椅的布置和尺寸图5-21驾驶员座椅标准尺寸

2、驾驶员座椅的相关尺寸

驾驶员座椅的尺寸如图5-21所示。

由试验研究结果可以获取驾驶员坐姿对其工作的影响，在座垫高度选定的情况下，随着方向盘倾角

的减小，驾驶员作用在方向盘上的力随之增大。

因此，为了减轻驾驶员的劳动强度，应该尽量减小方向盘的倾角。

此外，还应合理的选择其他参数，以保证驾驶员的乘坐舒适性。

由此可见，在载质量很大的汽车上，应布置倾角很小的方向盘。

减小方向盘倾角之所以能够增大作用力，原因主要是当方向盘的倾角很小时，从手臂一直到肩膀的肌肉都参与工作；而当倾角很大