2.1 车身

在车辆技术发展初期，车身或者说车厢，是真正与车架连接在一起的箱体，今天的很多货车和越野车仍然采用这种形式。

车辆车身的主要功能是承载和围护。在轿车中，车身除提供力学特性外，还提供保护乘客的功能。可以创造舒适的乘坐小环境，如减少颠簸、隔声隔振、在恶劣天气下安全行驶。通风和空调系统提供了驾乘的舒适度，信号系统和碰撞保护装置与安全性密切相关。近几年欧美国家还把行人保护提到一个较重要的层次，关于行人保护的问题将在丛书中的《汽车车身、底盘理论及制造技术》的车身技术相关章节中进行深入论述。

2.1.1 车身分类

车身从构造上分三大类：车架式、半车架式（半承载式）、自承载式。其中，车架式和自承载式是目前汽车市场上运用最多的形式，图2-1所示为车身结构分类图。

1．车架式车身

在车辆技术发展初期，建造一辆车先要建造承重框架，在上面固定行驶机构和驱动机构，并安装车身。承重框架采用框形式样，发动机、悬架和其他设备在该框架上都有结合点。简单的承重架保证了足够的弯曲-扭转刚度，同时部分吸收了来自地面的振动，使其不能直接传递到车身。有时车架上还可以固定吸声板。

这样的车架可以用在不同的车型上，今天仍然用在货车和很多越野车上，如图2-2所示。

2．自承载式车身

与所有车架式车身一样，自承载式车身的车身结构主要有以下作用：

1）传递所有的力和力矩。

2）构成驾驶室。

3）划分能量转换区间。

4）接纳所有的驱动设置和轴系统。

自承载式车身分为前车段、驾驶室和后车段三大结构段。设计上也分为壳式、格栅框架式和无骨架式。

（1）壳式车身 当今大部分自承载式车身都是壳式的（图2-3），即基本由金属薄板、凹进式薄板和复合板材组成了车身强度和质量。结构件的蒙皮就像壳体一样覆盖在车身上，通过高阻力矩的横截面，达到了较高的车身刚度，这样就可以很好地避免自振。对这类车身来说，外界的振动是直接传递到车身上的，因此必须要有高刚度。

历史上，欧宝公司1935年的Olympia车型采用了德国第一批量产的自承载式全钢车身。

图2-4所示为尚未安装车顶和侧围的自承载式白车身。可以看出，除需要安装发动机等动力装置外，还需要安装门和座椅等功能件，同时必须有吸能区，在车身的侧面、前面都有结构上的相关设计。车辆最前段的缓冲区可以通过焊接或螺栓连接。前段在事故中损毁后，纵向和横向的大框架还会继续部分变形，进一步吸收能量，A柱等部位也是由高强度钢制造的，以保证事故后的乘员生存空间。

图2-5所示为白车身底板的局部放大图，可以看出，前段主要用于安装动力系统、座椅和缓冲区，通过加强板提高刚度。后段也具有纵横方向的空间承载结构。同时要说明的是，后段座椅处的挠度不能太小，因为在受到后半部的冲击时，要能保证乘员生存空间。后半段直接与门槛连在一起，提高了整车的刚度。后防撞梁在安全性上也是非常重要的部件，不能省略。

（2）格栅框架式车身 该形式又称空间式框架，可以节约能源消耗，其空间形式可以在同等刚度下最多节约40%的车身重量（与全钢车身相比）。代表车型是奥迪A2和奥迪A8，如图2-6和图2-7所示。它通过构造节点联结起来，外蒙皮、门等外包部件固定在框架上，形成了空间的力学形式，这些在节点上的薄板作为切向应力的承受面。这类空间结构最适合采用轻型材料，同时可以降低连接件的数量，加快生产周期。结构件之间的连接可以采用激光焊、气体保护焊和铆接等方式。

（3）无骨架式车身 该形式的特点是车身作为一个整体制造。通过现代材料工艺，如运用复合材料可以方便地生产出具有极高扭转刚度的整体车身，缺点是对工艺要求很高，只能运用在运动车型等小批量产品上，如图2-8所示。对敞篷车来说，整体车身较难制造，因为其车体不封闭，必须要安装附加的刚度增强件。

在实际运用中，除上述车身外，还有一些中间形式的车身形式，如半车架、副车架和三明治结构。

1）半车架的形式由自承载车身加一个底部框架构成，车身承担部分整体框架的功能，优点是可以较方便地在框架上布置多种车身类型。这种方案目前主要用在大巴上，在轿车上运用很少，如图2-9所示。

2）副车架起到了框架和自承载的双重作用，图2-10所示副车架可以用在前后轴上，通过隔声板与车身连接，并在其上安装驱动链。副车架的优点是具有较高的结构刚度，还能减少振动。

3）三明治结构车身指由三层结构层组成的车身，即最上面是钢制自承载车身，中间是结构受力框架，最下面是底板。受力框架上安装发动机和驱动装置。这种结构的优点是具有较高的安全系数和较大的利用空间，如图2-11所示。

2.1.2 车身的设计和研究

1．开发平台

汽车作为交通运输工具，除动力机构外，车身的开发时间也很早。今天，车身的设计仍然是消费者购买时的主要考虑因素。汽车设计的主要目的是满足顾客对功能上的要求，同时满足美学上的要求。基本的设计尺寸有长、宽、高、轮距、轴距等几何尺寸，还有车窗倾斜度等其他技术参数。设计中同时要吸收上一代车型的成功之处，改进一些不足。

汽车设计的初始工作是外表的线形设计，同时也要对内部进行设计。驾驶人的操作空间也必须进行良好的设计，综合考虑视线、座位、开关的布设、转向盘的操作等。

出于节省投资和延续设计风格的考虑，经常为车辆建立一种设计平台，可以使市场上已成熟的同一种发动机、驱动器等设备用在不同设计风格的车辆上。图2-12举例说明了大众汽车公司的开发平台。

下面讨论平台开发中有关乘员室的内容和常用依据。

无论车型如何发展变化，在若干年内，对车辆的某些基本要求是相对固定的。许多参数都是基本固定的，如设备的位置、灯光、座位尺寸和其他相关法规要求的部件都是相对不变的，或仅做局部变更与细化。

与开发平台相关的汽车布局粗略分为乘员室、前部（通常是发动机室）、后部（通常是行李箱）和底部。

为最大程度上发挥车辆的作用，乘员室必须适合不同的人群，例如座椅的位置、视野的大小、操作的便利性。

不同驾驶人的区别在于：性别、身高、年龄和国籍等，此外还要考虑特殊人群（儿童、孕妇和残疾人）。

在上述驾驶人区别的基础上，为使乘员室的设计相对简单且统一，又定义了男性组和女性组。该定义以所有身高组的参数作为采样模型基础，并与CAD数据库相关。女性组定义：需考虑到1%的个子很矮的女性、5%的个子较矮的女性、95%的个子高的女性。男性组定义：需考虑到5%的个子较矮的男性、50%的中等身高的男性、95%的个子高的男性。

表2-1说明了5%的个子较矮的女性和95%的个子高的男性的身体参数。

目前所有与人机工程相关的设计都必须考虑表2-1所示数据。

为直观说明问题，下面举例说明两种车型的乘员室布置形式，可以看出其内部空间大小、人与操作面的距离等，如图2-13所示。

2．车身轻型化

随着人们对车辆安全性和舒适性要求的日益提高，法规要求的不断完善，以及使用功能的增加，现在的车辆自重也在不断增加，图2-14所示为车辆重量随年代变化的关系。

为减少能耗就必须降低车辆重量。减小空气阻力和优化传动链虽然也是一个有效的办法，但效果有限。为降低平均油耗和二氧化碳的排放量，就必须使车辆轻型化。

实现轻型化有不同的途径，要从技术、经济等方面进行取舍。目前的轻型化主要有四种途径：方案的轻型化、形式的轻型化、工艺的轻型化、材料的轻型化。

1）方案的轻型化主要指通过负荷计算或模型分析，优化结构总成。

2）形式的轻型化指通过实验和计算来优化零部件的几何尺寸。

3）工艺的轻型化指革新制造过程，优化连接技术，如采用内部高压塑性加工、激光焊接、高强度粘接等手段。

4）材料的轻型化指研究新型材料，提高材料的性能，以更小的密度求得更好的力学性能，如高强度钢、铝合金、镁合金和工程塑料等。

图2-15所示为采用上述轻型化方案，紧凑型整车各部件减少的重量。

3．安全性

对于各种防护措施的研究曾停滞于20世纪60年代。1960—1969年间，交通事故中的死亡者数量连续升高，整个德国仅1970年就因交通事故死亡21322人。比较而言，2004年交通事故死亡人数第一次低于6000人，主要原因是医疗和道路条件的改善，但最重要的还是得益于车辆的安全性措施日臻完善。

现代汽车制造商的一个重要任务就是发展主动安全性技术，减少撞击并减少撞击产生的能量。图2-16说明了汽车的安全性分类和措施。

安全性对车身制造的重要要求：

对于车辆安全性开发，一个重要的标准就是车身碰撞实验，该实验是很多法规，如德国标准StVZO、欧洲标准ECC和EG/EWG、美国标准FMVSS中的安全性标准基础之一，这些准则都是车辆在本国或国际道路上取得行驶许可的前提。这部分安全性法规的内容还包括有关车辆开发的其他技术领域，如对乘员保护、制动和视野等的约定。车辆的开发必须符合这些法规的要求，尽最大可能更好地解决问题。当然，为考虑普遍性，总体来说也有最低技术标准，这些是得到上路许可的必要条件。图2-17所示为轿车的安全性准则所涉及的范围。

目前，欧美国家进一步提出了行人保护的问题，并已列入相关法规。15%的车祸死亡者是行人，为保护行人就必须在法律上制定车辆的行人保护准则。2005年开始是第一阶段，2010年起是第二阶段，即实行较严厉的法规。人车碰撞的过程是比较复杂的，与人体面向汽车的身高、站立位置和角度有关，也与车辆的速度和对人体的碰撞点有关。不同的碰撞因素就造成各种行人运动学问题及不同的损伤程度。以统计的方法逐一检验不同的碰撞情况是非常耗费时间和金钱的，因此各国开发了共同认可的简化检测实验方法。

简化实验即采用不同的头颅模型来做实验，也对四肢、躯干等部位的受伤害情况做研究。研究重点主要是行人在车辆前部的碰撞情况。图2-18所示为具有不同质量的大人和儿童的头颅模型及腿部模型，以不同速度和角度被车身撞击时的情况。

对于人体的力学承受极限，如骨折、器官损伤和其他的伤害都有一个程度上的分类，该分类就是为研究行人保护而设定的。美国联邦交通安全法中对受伤害程度进行了分级，见表2-2。

单个人体的生理极限通过模拟和假人来推测，有时也可用人或动物来做轻微模拟实验。实验中的承受极限与年龄、性别、身体状况和体重密切相关。

一台整车的实际安全性应由事故数据来评价。为检测车辆的安全性，必须通过碰撞实验来模拟最真实的交通事故。不同的厂商开发了不同的测试条件和评价方法，因此测试的结果很难相互比较。

图2-19所示的NCAP冲击实验描述了不同碰撞法规对正面和侧面碰撞的实验方法，可以看出各国采用了不同的碰撞速度、碰撞力和碰撞角度，相应的实际评价也有所不同，这些可以供我们参考。

与车辆主动安全性技术相对应的是被动安全性技术。车辆被动安全性与车身的制造相关，一旦车辆量产，其被动安全性也就基本固定了。通过实验和模拟可以看出，车身受到撞击时的变形是一个复杂的过程，变形过程持续50～150ms，通过弹性和塑性变形来描述。详细计算撞击过程也是比较困难的，因为在如此短的时间内，发生了很大的能量转化，产生很大的变形和很高的能量密度。局部车体所采用的材料特性极限和结构特性都会相互影响。

车祸中车身的塑性和弹性变形对乘员的伤害程度有很大影响，因此必须控制这种变形。为满足法规对交通事故中的乘员保护要求，汽车生产商必须通过所谓的受力梁（板）来减小变形加速度，这种构件可通过相关材料和其结构形式来解决。在设计中要注意的是，图2-20所示的前面的受力梁最多可吸收70%的冲击能量，是一种常用的成熟方案。

设计中还应考虑到，相对坚硬的轴、发动机、蓄电池和其他部件应有足够的向后的变形区，以确保在事故中不挤入乘员室，减少对乘员的伤害。对短头的小车型来说，由于结构变形区间较小，要把发动机设计成在冲撞后向下滑落。图2-21所示为这一滑落式设计。

4．样车车身的试验

样车的设计虽然有计算机来辅助，但总体技术要求是否符合设计预期值，仍需要做样车车身试验。样车车身的试验内容有刚度试验、声学试验、动态（行驶）强度试验等。在此仅进行简要介绍，具体试验方法属于车辆试验学的范围。

（1）刚度试验 为检验车辆的动态声学和行驶特性，主要检测车身的弯曲和扭转刚度。扭转试验表现为车身绕着一个轴，在一个力矩作用下的扭转，如图2-22所示。相当于检测路面的不平度引起的车身和安装部件的相对运动。目前汽车的扭转刚度要求能达到30000N·m/（°）或更高。车辆经过长期行驶后，车身刚度的下降对行驶特性也会产生影响，这点在行驶动力学里已经引起重视。

现在的车辆设计和制造中，提高车身扭转刚度有如下常用办法：

1）优化型材的截面过渡区和连接方式。

2）采用局部的加强肋（板）。

3）优化焊点布置。

4）采用高弹性模量的材料。

具体采用何种方式还必须考虑到制造成本。

（2）弯曲试验 主要描述在固定力的作用下，前后轴之间的车身的弯曲下沉，模拟在行驶过程中通过的波浪形地面。高弯曲刚度通过增加型材高度和提高前后纵梁来实现。弯曲试验必须在白车身上进行，按照图2-23所示方法正确地布置受力和传导方式。

（3）声学试验 整车是一个极为复杂的振动系统，作为振动的激励，来源于不圆的旋转车轮、驱动器及路面不平度等。原则上讲，一辆轿车的固有频率不能与其他振动系统结合，要采取隔离措施。

减少车辆外部噪声对生态环境是有利的。同样，减少车辆内部噪声对驾乘人员也是有利的，可以集中精力，不易受到干扰，体现了车辆的舒适性，这也是市场竞争的结果。

车辆内部的噪声来源于空气声和固体声，空气声通过车体间隙向乘员室渗透，固体声通过车辆本身的结构向内传递，或通过空气声的激励使车身产生次级空气声，继续向内散射。具体传递途径如图2-24所示。

固体声的主要来源是发动机，当发动机转速从900r/min提高到6000r/min时，激励频率为30～200Hz，形成一种令人烦躁的噪声。发动机诱导出的力和转矩，通过驱动链的支撑点进一步被诱导，最后引起车身的振动。为减少固体声的传递，在相关部件的悬置系统中采用了橡胶弹性元件（图2-25）。综合结果在很大程度上降低了噪声，同时改变了行驶动力学特性。关于弹性运动学的研究，将在《汽车车身、底盘理论及制造技术》中有关底盘技术的部分进行进一步介绍。笔者在斯图加特大学汽车和发动机研究所曾做过保时捷Boxter系列跑车的后轴弹性运动学研究，其结果在后面的相关章节中进行介绍。

（4）动态（行驶）强度试验 这项试验作为考验车辆短期和长期耐久性的手段，属于动力学试验的范畴。耐久性主要测试在交变载荷下的材料特性。可以通过耐久性的韦勒曲线图和具体的几何形状来分析。耐久性试验还必须提炼出材料和相关形状的共同特性，使复杂的耐久性试验变得简单，再根据可靠性理论进一步分析。相对长期载荷来说，有短期强度的概念，计算中主要参考Manson-Coffin关系图。该关系图与韦勒曲线的区别在于，短期强度研究的是较低载荷下的塑性变形及可靠性。

动态试验还涉及断裂力学和失效理论，研究零件的断裂失效和分布范围，也可以计算应力峰值，估算裂纹的发展。

车身的结构强度试验主要在液压冲击台上完成，如图2-26所示，该设备主要模拟复杂行驶条件下的应力集中。目前也有专用的试验场地，进行强化的、接近破坏性的动态试验。