轿车车身结构及其设计解析

第六章轿车车身结构及其设计

第一节轿车车身结构及其分类

1.1 轿车定义 GB3730.1-88

轿车是用于载送人员及随身物品，且座位布置在两轴之间的四轮汽车。

轿车车身的作用是能为乘员提供一个较舒适的乘坐环境以及一定的安全保护措施，它包括白车身及其附件，并与底盘、发动机、电子电器设备一起构成轿车的四大总成。由于它是轿车上载人的容器，因此要求轿车车身应具有良好的舒适性和安全性。此外，轿车车身又是包容整车的壳体，能够最直观地反映轿车外观形象的特点，从而决定了现代轿车车身设计非常注重外部造型以符合人们对轿车外形的审美要求，更好的开创轿车市场。

1.2 轿车车身结构

早期轿车沿用马车车身，并没有自身独立的车身，被人们称作“没有马的马车”，随着时代的进步，轿车车身成为了轿车的一个重要组成部分。轿车车身由以下几个部分组成：车身本体、车身外装件、内装件和车身电气附件等。

1.2.1车身本体

1—1 三厢式轿车车身结构图

1、发动机盖

2、前档泥板

3、前围上盖板

4、前围板

5、车顶盖

6、前柱

7、上边梁

8、顶盖侧板

9、后围上盖板10、行李箱盖11、后柱12、后围板13、后翼子板14、中柱15、车门16、下边梁17、底板18、前翼子板19、前纵梁20、前横梁21、前裙板22、散热器框架23、发动机盖前支撑板车身本体即白车身，它包含车身的骨架结构，由车身结构件和车身覆盖件组合而成，是主要承载构件的骨架件，其截面形状、受力方向、力如何传递、力矩的位置都是设计时应注意的问题，如图1-1所示为三厢式轿车车身的结构图。

车身结构件主要是车身结构中的梁和支柱，用来支撑车身覆盖件，并通过焊接而成车

身空间骨架，使车身成为整体式壳体结构，其中轿车车身结构件包括车身前部结构件、客厢、车身后部结构件以及连接用结构件。轿车车身结构件是轿车各总成及乘员的承载体，为了保证各个总成安装运转可靠，乘员舒适安全，其强度和刚度应满足要求，如图1-2所示为轿车车身的承载梁框架结构。

1-2轿车车身承载梁框架结构

车身覆盖件大多数是由薄板冲压而成的，且具有不同的曲面形状及大小尺寸。在车身空间骨架基础上，将车身覆盖件安装在车身骨架上，包覆梁、支柱，从而其成为一个完整的封闭体，为乘员以及各总成提供一个良好的空间环境。与其他类型的车车相比，轿车车身表面，其外形、加工工艺等都是最复杂的。正是通过覆盖件来轿车的外形，同时在一定程度上可以增强轿车车身的强度和刚度。

1.2.1.1 轿车车身结构件

车身前部结构件

1) 非承载式车身的前部结构件

对于非承载式车身的轿车而言，轿车车架上装有散热器、发动机、部分传动装置、前悬架等，同时由于车架承担了主要的载荷，因此不要求其前部结构件具有很大的强度和刚度，仅仅是用来包容装在轿车前部的各个总成，防止车轮将污泥甩到发动机或装在车身前部的各个总成上。这些前部结构件，多采用螺栓与车架或车身本体相连接。

2) 承载式车身的前部结构件

承载式车身前部结构件具有承载和包容功能，为了支承轿车散热器、发动机、传动系和前悬架等，同时承受它们的作用力以及振动和冲击等，承载式车身前部结构件应具有较强的刚度和强度，是车身前部的承载构件。在其相应的部位上，装置发动机和前悬架的悬置点，来安装发动机和前悬架，前部结构件构成了一个不可拆卸的整体框架。前大灯框架、前横梁、发动机罩前支撑板焊接组成了车身前部结构的横向承载单元。车身前部结构两侧的纵向承载单元由前翼子板支架、挡泥板，悬架支座、前纵梁等焊接而成，如图1-3所示为承载式车身的前部结构。

1-3承载式车身前部结构

客厢

客厢是乘客的承载体和包容体，客厢由前围组合件、左右侧围、后围组合件、顶盖梁和地板等结构件共同组成的空间框架，客厢是轿车车身的核心，它要为驾驶员提供一个安全、方便的驾驶条件，为乘员提供一个安全、可靠、舒适的乘坐空间和乘坐环境，因此要求客厢的各个结构件除保证有足够的强度和刚度外，还有便于乘员的乘坐和上下车。微型轿车的客厢虽然十分紧凑，也还是要保证乘员有足够乘坐空间和舒适的乘坐姿势，随着轿车级别的提高，乘坐空间将逐步加大，乘坐的舒适性也能够提高。

1．前围总成

前围总成由前围上盖板总成、前围侧板、前围板、转向柱支架梁等构件组成。前围组合件是一个很重要的组合件，由1.8~2.5mm厚的优质钢板冲压而成，结构上比较复杂。前围将车身前部与客厢分隔开来，用来支撑和防护客厢前部，并防止发动机的噪声、热气等进入客厢，因此应具有良好的密封、隔振和隔音效果，同时对保证车身横向刚度、改善客厢舒适性以及提高撞车时的安全性有重要作用。

1) 前围上盖板组合件

前围上盖板组合件一般由前围上盖板外板、前围上盖板通风板、前围上盖板内板等构件共同组成。前围上盖板组合件把车身左右侧围的前支柱连接起来，同时为了满足车身扭转刚度的要求，通常采用箱型断面结构。对于微型轿车或小型普通轿车，为了要满足经济性、

轻量化的要求，简化了上盖板的结构，同时前围盖板通常采用开口截面，与仪表板组装，从而达到足够的强度。对于中型和大型轿车，由于车身宽度很大，为了保证有足够的强度和刚度，则前围上盖板组合件需要采用封闭截面。设计前围上盖板组合件时，应注意发动机罩后端与上盖板外板或上盖板通风板之间的配合关系；一般将刮水器的电动机装在前围组合件前部，以减小传人客厢内纳噪声；同时还要合理设置流水槽、前风窗的安装方式以及仪表板的安装方式；材料方便应选用防腐蚀性能好的材料。

2) 前围侧板

前围侧板的外形比较复杂，被固定在车身前部支架上。其作用是用来支撑前围组合件，同时连接侧围前支柱，并安装前翼子板。前围侧板要求满足较大的强度和刚度的要求，并且在必要的部位，要采用加强板加强，这主要是由于其要承受由车架传来的弯矩和扭矩的缘故。

3) 前围板

前围板是用来隔开发动机舱与车厢的大型冲压件，其表面上敷涂隔热、隔声等材料，这是为了防止发动机舱高温、噪声对车厢内的乘员产生不良影响。同时前围板具有足够的强度和刚度，这是由于要承受较大的抗扭刚度。作为操纵用的拉线、方向盘立柱、管路以及电器线束通过之用，前围板上有许多孔口，并用来安装各种总成和零件，同时还要配合踏板等部件安装位置，因此，前围板应具有良好的机械性能。

2．左右侧围

轿车客厢侧围的结构件组成了侧围梁框架结构，其应具有比较大强度和刚度，这是由于侧围梁框架结构不仅用于安装车门，即乘员的侧面保护装置，支撑顶盖，连接车身前、后部分的侧面构件，同时还可以固定前后风窗玻璃。轿车侧围的结构与轿车车门数量有关，根据车门数不同，侧围可以分为以下几种型式：

1)四门轿车的侧围

1-4 四门轿车侧围梁框架

在生活中四门轿车是比较最常见的，因此四门轿车的侧围也就见得比较多，轿车侧围

的刚性框架结构主要是由前柱、中柱、后柱、上边梁和门槛等结构件组成的。其中立柱是比较重要的结构件，这是由于车身的整体刚度很大程度上决定于立柱的刚度，并且它同时起到支撑以及门框的作用，如图1-4所示为四门轿车的侧围梁框架。

前柱同时承受车门的重量以及开关车门时的冲击力，同时还要支撑车顶，而且不但要将来自悬架的垂直力和前方纵向的碰撞力传向车顶和门槛梁，且在侧碰撞时，还将与中柱与后柱一起构成抵抗侧向力的主要屏障，受力较大，因此为了使前门柱满足强度以及刚度的要求，从而不出现变形以及车门不下沉的现象，前柱一般都要用加强板，在一些中级轿车中还会采用内衬板结构，从而可使前柱的强度大大提高。前柱的上部是用来安装前挡风玻璃的前风窗柱，并且设计时要尽可能地扩大驾驶员的视野。

中立柱既要用来支承轿车顶盖，同时还要承受前、后车门的支承力。并且中立柱大都有外凸半径，这是由于中柱要装置一些附加零部件，例如前排座位的安全带，后门的铰链以及下部要安装前门的门锁和定位器。但大的半径妨碍后排乘员上下车。在发生侧面碰撞时，中柱承担大部分的碰撞能量，但该柱抵抗横向力的能力十分有限。为了在结构上保证侧碰撞时汽车的安全性，除了尽可能增大其截面积和采用腹板结构加强它与门槛的联接强度外，还应将车身侧围结构作整体考虑，即借助车门、车锁、门槛以及前柱以及后柱的相互联系，有效地将能量吸收区域扩展到车顶和地板。现代轿车的中立柱截面形状比较复杂，多采用封闭式截面并用加强板来加强，这样可以满足前门和后门同时的作用力的要求，同时保证有较好的力传递性能。为了保证车门的密封性，设计中柱时要考虑其上部与车门的配合。

后柱的上部是用于支撑顶盖的后窗柱，门锁、车门定位器等一些零部件一般安装在后门柱的下部。后立柱不会影响驾驶员的视野及上下车障碍等问题，后柱的尺寸大些也无妨，因此可以采用加大的截面，从而可以加大侧围的刚度。虽然后门在关闭时也受到冲击力的作用，但是后柱受力并不大。用于固定密封条的后柱部分凸缘的位置是根据车顶框架以及纵梁的部分凸缘来确定的，后柱与车身的密封的可靠性是后柱设计的关键。

上边梁的结构比较较复杂，这主要是由于其既要搭接前柱、中柱和后柱及内饰件，同时还要承受较大纵向载荷。为了提高其强度以及抗弯、抗扭刚度，一般上边梁采用高强度钢板冲压而成，且在前支柱与中支柱之间加设加强板与上边梁形成封闭的断面。在焊接装配时，上边梁的上侧翻边与顶盖内表面粘接，下侧翻边与顶盖的垂直翻边点焊连接，这样可以使得上边梁与顶盖满足密封与隔振的要求。同时上边梁与车门也要有良好的密封性。

门槛是地板总成的关键部件，将连接前柱、中柱和后柱下部连接起来，同时在侧面碰撞时，门槛还可以有效地防止客厢侧向变形，从而起到保护乘员安全的重要作用。门槛要承受很大的载荷，因此应尽量加大其断面尺寸或在门槛内增设衬板结构，从而可以提高门槛抗弯强度。同时门槛要具有高度的耐腐蚀性能以及与车门具有良好的密封性。

2)两门轿车的侧围

1-5双门轿车车身侧围梁框架

运动轿车(跑车)多采用两个车门，除没有中柱外，其前柱、后柱、上边梁和门槛等结构件在结构型式上和作用上与四门轿车基本相似。在结构设计中，要处理好各结构件之间的连接关系，尤其是后纵梁的布置设计，从而可以使后地板载荷能有效地传递到车身侧围结构上。两门轿车的侧围的强度和刚度要比四门轿车侧围的要大，这主要使由于两门轿车车门的开口相对较宽，如图1-5所示为双门轿车车身侧围梁框架。

3) 敞篷轿车的侧围

敞篷轿车的侧围仅仅是四门轿车或两门轿车的下半部，除前柱的上半部向上延伸为前窗柱外，侧围的上部没有柄架结构作为承载构件。敞篷轿车采用加强的前柱，后柱和门槛与车架构成一个强大的底部承载结构，来承受作用在轿车上的各种载荷，从而保证轿车侧围有足够的刚度，车门框不会发生变形，使得车门能够与车门框保持良好的密封。在四门敞篷轿车上，有的还要采用特别加强的中柱来提高车门门框的刚度。

4) 侧围结构件的特点

轿车的侧围承担连接轿车前部和轿车后部的作用，对提高轿车的纵向刚度有很大的影响，它的主要特点是：

（1）侧围结构件在它们的外表面上，必须符合车身造型形状所需的曲面。不论在轿车的轴向(x方向)还是在轿车的垂直(Z方向)方向，都要与车门等保持曲线的连续和光顺。

(2) 为了加大侧围结构件的强度与刚度，侧围结构件大多数采用了封闭式截面，在安装车门铰链处还要用加强板来加强。侧围是一个刚度很大的承载结构件，不允许产生局部变形，否则车门会下沉，破坏车门的封闭性等，如果采用整体冲压成型，则可以大大地提高侧围整体刚度，但材料的利用率较低，所需冲压模具也很复杂。

（3）侧围各个结构件要求有特殊的形状，在车门的一边有特殊的沟槽，在与车门嵌合时，用于安装密封条来保证车门的密封。在车窗一边也有一些凸缘，是用来安装车窗玻璃和玻璃密封条的等。在这些结构件分块时就要确定它们的形状，在组焊后形成所需的结构截面，

并且还要考虑焊缝位置的安排。

3. 后围组合件

轿车后围组合件由后围上盖板、杂物搁板、后围板、后围加强梁、左右连接板等结构件组成，后围组合件对保持车身的扭转刚度起着重要的作用。后围上盖板和杂物搁板组合成为具有封闭截面的承载构件，把左右后支柱连接起来，形成客厢后部主要承载横梁。后围板是隔开客厢与车身后部的隔板。为了降低后轮传来的振动和噪声，后围板用后围加强板来加强它的刚度，并涂以隔震和隔音材料，来避免和降低后围板产生的共振。

4. 顶盖框架

轿车的顶盖框架是用来安装轿车顶盖的，它由顶盖前横梁、左右侧围上边梁以及顶盖后横梁等结构件组成。

1-6 轿车顶盖结构

顶盖前、后横梁均为单板冲压件，分别用来连接左右侧围前柱以及后柱上部，是构成风窗玻璃框的一部分。不同类型的轿车上顶盖横梁也是不同的，例如，在微型和小型轿车上，顶盖前横梁多采用开口截面，在中型和中高级轿车上，为了保证横梁的横向刚度，顶盖横梁都是封闭式截面。同时顶盖的前、后横梁的外形，都应符合车身造型设计要求，如图1-6所示。

5. 地板

车身地板是车身的基础，是客厢的承载构件，其强度会影响整车的强度及刚度。车身地板由前地板和后地板组成。按照车身地板的结构形式可将其分为骨架式结构和分块式结构两种。地板经过冲压，得到前段有凸起的凸包，可以用来装置轿车传动系的变速器、传动轴等一些总成或部件，后段冲压凸起的后排座的坐垫框，同时坐垫框的下部还可以安放燃油箱，这样可以增加地板的刚度。对于发动机前置前驱以及后置后驱的轿车来说，传动轴不从地板下部通过，因此地板可以降低，这样可以有利于座椅的布置以及乘坐舒适性的提高。对于发动机前置后驱的轿车来说，由于传动轴需要通过地板，因此应尽量减小地板上的凸包高度。

1-7 轿车车身后部结构

车身后部结构件

轿车后部结构形式与轿车的整体结构形式有关。折背式轿车后部的行李舱是由客厢的后围板、行李舱的左右内侧板、行李舱的尾板、行李箱盖、后地板以及后地板横梁等构件组成。直背式轿车的后部主要由背门和门框组成。其行李舱是由向后延伸的轿车侧围以及与后窗组成一体的大型后舱盖构成的。舱背式轿车的行李舱与轿车的客厢是相通的，采用一个大的后舱门作为轿车的后舱门，这样可以扩大轿车装载货物的容量，如图1-7所示为轿车车身后部结构。

通常轿车的燃油箱、备轮、工具箱和一定重量的行李被安置在轿车的后部。由于行李舱地板两侧有两个凸起的后轮罩，占据了很大的空间，因此在布置上要充分考虑有效空间的利用，备轮的取出和装人的方便性等。轿车的燃油箱一般布置在后排坐垫框下面，可以充分利用空间。同时在轿车受到后面碰撞时，要保证燃油箱不会撞坏而泄露燃油或燃油箱拖地摩擦而引起火灾，另外布置备轮时应尽可能的扩大行李的存放空间，并能便于的取出和装入。

1.2.1.2 车身覆盖件

车身前部覆盖件主要包括：发动机罩、前翼子板等。

（1）发动机罩

发动机罩一般是由外板和内板组成。如图1-8所示为发动机罩结构图。外板形状是由左右对称的曲面组成的空间曲面板。内板为薄钢板，并且基本上是骨架形式，从而可以增强发动机盖的刚度。发动机罩要有隔音、隔热、质量轻、刚性好的特性，为了满足吸振和降噪的