1.1 車身的分類與組成

1.1.1 車身的分類

車身是汽車重要的組成部分，是汽車四大總成之一。其基本功能是將汽車各組成部件集成連接在一起形成一個整體，并為乘員或物品提供容納空間，如圖1-1所示。車身對整車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、行駛平順性、操縱穩(wěn)定性以及空氣動力學(xué)等性能起著至關(guān)重要的作用。車身結(jié)構(gòu)開發(fā)涉及材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計等諸多領(lǐng)域，其開發(fā)水平是汽車企業(yè)的核心競爭力之一，也體現(xiàn)一個國家的工業(yè)水平和完備程度。

汽車車身有多種結(jié)構(gòu)形式，按照承載方式的不同，可將汽車車身分為非承載式車身與承載式車身，如圖1-2所示，以及介于兩者之間的半承載式車身。

1. 非承載式車身

具有非承載式車身（圖1-2a）的汽車一般含有剛性車架，車身、動力總成與油箱（燃油車）/動力電池（電動車）、車橋與懸架等總成安裝在車架上。其中，車身一般通過柔性襯墊與車架連接。此時，由于車身對整車承載貢獻(xiàn)率較小，可以認(rèn)為車身僅僅起到安裝與容納功能，不參與整車承載。這里的剛性車架并非是完全剛性的，車身還是要受到通過車架的安裝結(jié)構(gòu)傳遞的載荷。由于車架剛度較大且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車身剛度，使得相對于車架，車身承受的整車載荷較小。

圖1-3是具有車架的非承載式車身主體與車架。發(fā)動機(jī)、傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和其他底盤附件等牢固地安裝在車架上，車身通過懸置與車架連接。作用在汽車上的載荷主要由車架來承擔(dān)，車身承載的載荷較小。BJ80越野車就是采用非承載式車身。

（1）非承載式車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

1）非承載式車身結(jié)構(gòu)由于具有剛強(qiáng)度較大的車架結(jié)構(gòu)，能承受更大的負(fù)載，同時也可承受更大的來自路面的載荷，因此具有非承載式車身結(jié)構(gòu)的汽車一般承載能力和通過性更好。

2）動力總成、懸架等總成安裝在剛度較大的車架上，車架則一般通過柔性橡膠襯套與各總成連接。這樣，車架起到了隔離來自發(fā)動機(jī)與路面激勵的作用，此兩者均是汽車的主要激振源。車架在一定程度上提高了乘坐舒適性。另外，車架的存在減小了車身所承載的力，也起到延長車身使用壽命的作用。

3）車架是汽車承載能力的基礎(chǔ)，車身相對獨立地安裝在車架上，便于生產(chǎn)過程中的裝配工序和使用過程中的維修處理。車身的這種獨立性，使得車型的衍生變得更加容易，根據(jù)需要對車身進(jìn)行適當(dāng)變形，即可得到不同車型，豐富了產(chǎn)品系列，滿足了市場的不同需求。

（2）非承載式車身的缺點

1）由于車身不參與整車承載，僅車架承受整車載荷，無法形成空間框架的承載結(jié)構(gòu)，如需保證車架強(qiáng)度、剛度和整車承載能力，車架的質(zhì)量往往會非常大，不利于整車輕量化。

2）車身下方安裝有剛性車架，不利于整車布置與空間的有效利用。

2 . 承載式車身

承載式車身（圖1-2b）則無剛性車架，車身是由下車體的前后縱梁、門檻梁、若干橫梁，以及從上車體的A柱到D柱、上邊梁和頂蓋橫梁等腔體結(jié)構(gòu)梁組成的框架式結(jié)構(gòu)，并與鈑金覆蓋件焊接組成有機(jī)整體。發(fā)動機(jī)與底盤零件、備胎以及其他相關(guān)附件直接安裝在車身上，此時，車身除了具有安裝和容納功能外，還是整車的主要承載結(jié)構(gòu)。

承載式車身沒有剛度和強(qiáng)度較高的車架，是由車身結(jié)構(gòu)承受所有的整車載荷。為了滿足整車操縱穩(wěn)定性、基本NVH^[1]性能與行駛平順性的要求，車身結(jié)構(gòu)必須達(dá)到更高的剛度與強(qiáng)度性能指標(biāo)。并且在發(fā)動機(jī)、底盤零件的安裝位置還應(yīng)做相應(yīng)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以提高這些位置的耐久性。因此，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計上承載式車身應(yīng)比非承載式車身更強(qiáng)，承載式車身可以看成車架與非承載式車身穩(wěn)固焊接在一起的整體。

（1）承載式車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

1）車身本身形成完整的框架式承載結(jié)構(gòu)，可充分利用三維承載空間，提高承載效率。從結(jié)構(gòu)設(shè)計上來看，有利于集成式結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)，將車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計成多環(huán)狀的封閉空間布置形式，可進(jìn)一步提高承載效率，圖1-4所示為某轎車的籠式車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，能最大限度地利用材料使之充分承受來自外部扭轉(zhuǎn)、彎曲及其組合載荷，達(dá)到輕量化的目的。由于省去了重量較大的車架，汽車輕量化程度大大提高，相應(yīng)總體成本更低。

2）由于沒有車架占用底盤空間，整車空間利用率相應(yīng)提升，因此在相同整車尺寸條件下，承載式車身室內(nèi)空間可以設(shè)計得更大，地板高度可以更低，同尺寸條件下進(jìn)出性更好。

（2）承載式車身的缺點

承載式車身結(jié)構(gòu)主要采用沖壓件點焊拼接而成，零件較多，不適合用于長軸距重載的車型。車身與發(fā)動機(jī)和懸架直接相連，路面和發(fā)動機(jī)激勵更容易傳遞到車身上產(chǎn)生影響乘坐舒適性的噪聲與振動。為降低這種影響，車身需進(jìn)行更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并增加隔振、減振材料，這在一定程度上增加了開發(fā)成本。

基于輕量化與空間利用率的考慮，此類車身常見于中小型乘用車。

3. 半承載式車身結(jié)構(gòu)

半承載式車身結(jié)構(gòu)是一種過渡性的車身結(jié)構(gòu)形式，這種車身還是安裝在車架上，但是車架剛度較非承載式車身的車架剛度小，車身參與承載的程度較非承載式車身高。這類車身可見于部分大客車結(jié)構(gòu)中。

1.1.2 車身的組成

廣義上的汽車車身，包含金屬白車身（Body in White, BIW）、開閉件以及相關(guān)附件，本書研究的車身參數(shù)化建模與概念設(shè)計主要針對白車身結(jié)構(gòu)件，因此本書在介紹車身組成時，僅指白車身結(jié)構(gòu)件。

以乘用車為例對車身結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行說明，根據(jù)車身用途、造型風(fēng)格與廂體數(shù)量的不同，車身結(jié)構(gòu)與組成差異較大，相應(yīng)的命名也有所不同。本書采用行業(yè)較為通用的詞匯對主流汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分以便閱讀。

無論承載式還是非承載式車身，目前主流的白車身主要由金屬板狀結(jié)構(gòu)連接而成；鈑金件與鈑金件之間形成帶腔體的梁狀結(jié)構(gòu)，梁與平板結(jié)合組成整個車身。在梁與梁相交的位置形成復(fù)雜的接頭結(jié)構(gòu)，如A柱接頭、B柱接頭等。這些梁與接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置位置對于白車身結(jié)構(gòu)性能往往起著至關(guān)重要的作用。

如前所述，車身是由眾多鈑金件連接（焊接或鉚接等）而成，根據(jù)連接關(guān)系可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分。合理的結(jié)構(gòu)拆分有利于優(yōu)化車身連接生產(chǎn)工藝，有利于提高模塊化設(shè)計與制造水平。圖1-5為某合資車型的車身結(jié)構(gòu)拼接順序，可以看出整個白車身結(jié)構(gòu)由下車體總成與上車體總成焊接而成。下車體焊接順序是先將前艙、前地板與后地板分別焊接成整體，然后拼接成下車體總成。上車體則是由前側(cè)圍內(nèi)板、后側(cè)圍內(nèi)板與外板總成（含加強(qiáng)板）拼接成側(cè)圍總成，加上頂蓋總成制成上車體總成。上、下車體總成最后拼接成完整的白車身總成。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，上車體與造型風(fēng)格、廂體形式的關(guān)聯(lián)度更緊密。通過更改上車體結(jié)構(gòu)形式與零件位置可以進(jìn)行造型變化，形成不同數(shù)量的廂體。上車體與下車體圍合形成乘員艙和行李艙，其尺寸與結(jié)構(gòu)對乘坐空間與行李艙容積、乘員進(jìn)出性和駕駛員視野等性能影響較大。同時，作為白車身的重要組成部分，上車體結(jié)構(gòu)對車身剛度和模態(tài)等性能也有較大影響。因此，進(jìn)行上車體結(jié)構(gòu)開發(fā)時，要在外造型的約束下，盡可能地增大上述的廂體空間，符合布置與安裝功能要求，滿足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度的要求。

而下車體或車架則主要用于安裝動力總成及冷卻模塊，懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、油箱、備胎等底盤結(jié)構(gòu)和附件總成，以及座椅與儀表板等內(nèi)外飾總成，并承受這些總成所傳遞的載荷。因此，下車體應(yīng)該有足夠的剛度與強(qiáng)度，在安裝位置附近，還要設(shè)計加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來保證足夠的安裝剛度與強(qiáng)度。下車體也是碰撞過程中主要的吸能結(jié)構(gòu)，對整車安全性能影響巨大。下車體與動力總成、底盤等安裝總成的組合是汽車基本功能件，對整車使用性能影響也是巨大的，這些總成通過組合形成的整體可稱為汽車平臺。在汽車平臺化開發(fā)過程中，平臺往往可以為不同車型所共用，或者僅需做少量更改便可達(dá)到共用的目的，通過平臺化開發(fā)可減少開發(fā)周期與成本。

圖1-6為某白車身與其上、下車體結(jié)構(gòu)組成示意圖。上車體總成包含側(cè)圍總成、頂蓋外板、頂蓋橫梁、衣帽架總成和后圍總成。

1. 車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)

車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)主要由側(cè)圍框架、后輪罩以及相關(guān)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性連接而成。側(cè)圍框架則主要由A柱、B柱、C柱、D柱、門檻梁和頂蓋邊梁等組成，如圖1-7所示。

（1）A柱 側(cè)圍各位置的結(jié)構(gòu)有不同的功能與性能要求。A柱上部需要安裝前風(fēng)窗玻璃，其截面大小對駕駛員視野盲區(qū)有重要影響。為減少由A柱產(chǎn)生的視野盲區(qū)，其梁截面應(yīng)盡可能地做窄。然而，在正面碰撞過程中，A柱上邊梁是一條重要能量傳遞路徑。過窄的A柱在碰撞過程中容易發(fā)生屈曲，影響安全性能。A柱下部分需安裝側(cè)前門和儀表板橫梁，在正面碰撞過程中，需承受通過前圍橫梁傳遞的碰撞能量。并且A柱對車身整體的結(jié)構(gòu)剛度也有一定影響，需要綜合考慮進(jìn)行設(shè)計。

（2）B柱 B柱由B柱內(nèi)板、外板與加強(qiáng)板連接而成。B柱上安裝有側(cè)前門鎖扣與側(cè)后門鉸鏈，并起著支撐前、后側(cè)門的作用。由于車身整體造型的需要，B柱上、下截面變化較大，一般呈現(xiàn)上小下大的結(jié)構(gòu)形狀。在性能上，B柱對整車側(cè)面碰撞性能影響較大。側(cè)面碰撞時，由于吸能空間較小，因此要求吸能結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要大；且由于空間受限，B柱常采用高強(qiáng)度級別的材料（如高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼等）以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與碰撞性能。

（3）C柱 C柱上部分隔離后側(cè)窗與后門洞形成立柱，下部分由后輪罩與側(cè)圍外板形成腔體。在功能上，C柱上需安裝后門鎖扣。通常，C柱通過輪罩和側(cè)圍外板與下車體和后側(cè)圍連接，相對增加了結(jié)構(gòu)連接的強(qiáng)度和剛度。

（4）頂蓋邊梁 頂蓋邊梁連接著上述各立柱，與立柱交叉形成相應(yīng)的接頭結(jié)構(gòu)。頂蓋邊梁上需要安裝頂蓋總成，對頂蓋起重要的支撐作用。在性能上，頂蓋邊梁對車身結(jié)構(gòu)剛度和抗頂壓性能影響較大，在正面和側(cè)面碰撞中能分散碰撞能量，因此截面設(shè)計不宜過小。

（5）門檻梁 門檻梁是上、下車體之間連接的重要組成部分，與各立柱組成側(cè)圍完整的框架結(jié)構(gòu)。門檻梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱對車身剛度影響很大，尤其是彎曲剛度。在側(cè)面碰撞過程中，門檻梁也起到關(guān)鍵的吸能和抗沖擊作用，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度來抵抗撞擊產(chǎn)生的變形。在正面碰撞中，門檻梁也起到重要的沖擊載荷傳遞作用，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)適當(dāng)增加門檻梁內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以滿足各項相關(guān)性能的要求。

2. 車身頂蓋結(jié)構(gòu)

頂蓋是車身重要的覆蓋件結(jié)構(gòu)，受車身尺寸、造型和乘員艙空間的限制，車身頂蓋結(jié)構(gòu)往往設(shè)計得比較薄，其上的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)占用空間也非常有限。在頂蓋設(shè)計中，可以形成較大腔體結(jié)構(gòu)的零件主要有頂蓋前橫梁和頂蓋后橫梁。頂蓋前橫梁一般會安裝前風(fēng)窗，對風(fēng)窗局部模態(tài)性能有直接影響；三廂車后橫梁一般安裝后風(fēng)窗，其重要性與前橫梁類似；兩廂車后橫梁會安裝尾門鉸鏈，并形成尾門洞結(jié)構(gòu)，對車身扭轉(zhuǎn)剛度與模態(tài)都有非常重要的影響。

根據(jù)配置的需要，頂蓋上可能安裝有不同尺寸的天窗，如圖1-8所示，此時需設(shè)計對應(yīng)的加強(qiáng)安裝結(jié)構(gòu)。由頂蓋橫梁、前后橫梁、頂蓋外板組成的總成，若與側(cè)圍框架形成對應(yīng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，則有利于提高車身的結(jié)構(gòu)剛度、模態(tài)頻率和碰撞等各項性能。在白車身設(shè)計和優(yōu)化時，應(yīng)盡可能地保持環(huán)狀結(jié)構(gòu)的完整性，提高材料利用率。

由于造型、空間和駕駛員視野，以及乘員進(jìn)出性等美觀與人機(jī)工程性能需求，上車體各結(jié)構(gòu)的尺寸受限，這種趨勢越來越明顯。由于空間上對上車體的限制，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)更加注重下車體結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)設(shè)計。一般來講，承載式車身的下車體結(jié)構(gòu)是其主要的承載結(jié)構(gòu)，同時也屬于平臺總成，當(dāng)進(jìn)行平臺開發(fā)時，需同時滿足不同車型對各項性能的要求，因此經(jīng)常采用縱橫梁交錯結(jié)構(gòu)，保證既滿足功能需求，又能達(dá)到規(guī)定的性能要求。下車體一般可分為前艙總成、前地板總成和后地板總成，如圖1-9所示。

3. 前艙總成結(jié)構(gòu)

前艙即發(fā)動機(jī)艙，對于具有承載式車身的汽車而言，前艙總成結(jié)構(gòu)需要安裝動力總成、冷卻水箱和風(fēng)扇等艙內(nèi)零件，也需安裝前副車架與前懸架等底盤結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上，從前到后一般可分為水箱框架（上、下支架）、前縱梁及其延伸梁、減振塔支座、前圍橫梁與前圍板等子總成，如圖1-10所示。

分析和測量白車身彎扭剛度時的加載或約束位置一般設(shè)在前艙，因此前艙結(jié)構(gòu)對白車身剛度的影響是巨大的。前艙是整車正面碰撞過程中重要的吸能結(jié)構(gòu)，在100%正碰中約占到總吸收能量的70%，結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)與整車碰撞總能量進(jìn)行相應(yīng)匹配，并設(shè)計相關(guān)壓潰與吸能環(huán)節(jié)，實現(xiàn)合理的變形屬性、吸收碰撞沖擊產(chǎn)生的動能。前艙也是發(fā)動機(jī)和底盤的安裝位置，需傳遞發(fā)動機(jī)和底盤傳遞過來的激勵與載荷，因此其局部安裝剛度和耐久性能也是需要重點考慮的問題，以降低結(jié)構(gòu)疲勞破壞風(fēng)險。

4 . 前地板總成結(jié)構(gòu)

前地板總成在下車體的中間位置，與上車體前圍等總成圍合成完整的乘員艙，其上一般需要安裝前排座椅與前后連通的管路線束等零件。前地板總成如圖1-11所示，主要分為地板平板、座椅安裝橫梁（前、后橫梁）和可能有的中央通道及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

前地板是乘員艙的主要組成部分，也是乘員直接接觸到的主要部位，前排座椅安裝在座椅橫梁上，乘員從此處感受地板垂向變形和外部傳遞來的振動，因此地板局部剛度和座椅安裝剛度是非常重要的。較好的局部結(jié)構(gòu)有利于降低汽車行駛過程中乘員的垂向位移和接觸位置的振動感受，提高乘坐舒適性。座椅橫梁也是側(cè)面碰撞過程中重要的承載結(jié)構(gòu)，提高其側(cè)向壓潰性能有利于在側(cè)面碰撞過程中保持乘員艙完整，保護(hù)乘員安全。

5 . 后地板總成結(jié)構(gòu)

后地板總成處于下車體后端，是行李艙或備胎艙的主要組成部分，對于承載式車身結(jié)構(gòu)，其上需要安裝后副車架與懸架、油箱、備胎以及后座椅等總成結(jié)構(gòu)。后地板總成一般包含后地板與備胎艙大板、后輪罩總成、后橫梁總成與后縱梁總成等，如圖1-12所示。

后地板總成上安裝有后副車架和后懸架等底盤結(jié)構(gòu)，將后輪載荷傳遞到車身上，在分析和測量車身剛度時一般在此總成上設(shè)置約束位置，因此其結(jié)構(gòu)對車身整體剛度影響較大。后地板也是行李與備胎的承載結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)上也應(yīng)滿足相應(yīng)的要求。在追尾碰撞過程中，后地板結(jié)構(gòu)尤其是后縱梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)計達(dá)到一定強(qiáng)度和剛度，以保護(hù)后排乘客乘坐的舒適性和油箱結(jié)構(gòu)的安全性。