1.2 車身設計開發原則

1.2.1 概述

車身設計原則是指從事車身設計工作時，設計人員必須考慮的方面和重點解決的關鍵技術問題。從現代車身設計角度出發，車身設計要素主要體現在以下幾個方面：

（1）車身外形設計方面

1）車身空氣動力特征要素。

2）確定車身尺寸的人體尺寸要素。

3）車身外形設計、內飾造型的美學要素。

4）外形的結構性和裝飾的功能性要素。

（2）車身室內布置設計方面

1）人體工程學要素，包括人體尺寸、人體駕駛和乘坐姿勢、人體操縱范圍、人眼視覺和視野、人車視野、人體運動特征、人的心理感覺等。

2）車身內部設計的安全保護要素。

（3）車身結構設計方面

1）結構設計的強度、剛度要求。

2）輕量化設計要素。

3）結構設計的安全性要求。

4）車身防腐設計要求。

5）車身密封性設計要素。

6）結構設計制造的工藝性要素。

（4）產品開發方面

1）產品開發的市場性要素。

2）系列化產品發展要素。

3）生產、工藝繼承性要素。

車身設計是一個復雜的系統工程，任何一個零件以及總成的設計，均需要考慮其與周邊相關零部件的相互關系。

白車身結構設計主要內容包括：

1）車身主斷面定義與尺寸確定。

2）密封結構確定與密封件選擇。

3）與車身有關設計硬點的確定。

4）左右側圍設計（包括A、B、C、D柱設計，以及前、后翼子板設計）。

5）頂蓋設計（外板、橫梁與縱邊梁設計）。

6）前圍板設計。

7）前艙和前輪轂包設計。

8）前保險杠設計、地板總成設計、前后門總成設計、尾門設計、前艙蓋設計、前風窗設計。覆蓋件安裝在車身上，讓車身形成一個相對閉合的空間。圖1-13是斯柯達科迪亞克（Skoda Kodiaq）車型的白車身結構。

一般情況下，一款新車的開發周期需要3年時間。目前，由于市場競爭日趨激烈，整車開發周期逐漸縮短。因此，目前各大主機廠都在推行模塊化設計和制造策略，比如標致雪鐵龍集團（PSA）的EMP（Efficient Modular Platform）、沃爾沃（VOLVO）集團的SPA（Scalable Product Architecture）、吉利的CMA（Compact Modular Architecture），以及大眾集團的MQB（Modular Querbaukasten）平臺等。大眾集團的MQB平臺是發動機橫置的緊湊型車型平臺。大眾集團還有不同級別的MLB、MSB等車型模塊化平臺，如圖1-14所示。基于模塊化平臺策略，通過模塊化設計和制造，MQB平臺可以做到①降低新車研發制造成本和周期；②同平臺衍生能力強，涵蓋小型車至中型車產品；③提升了同平臺車型之間的零配件通用率；④搭載EA211系列發動機，并支持新能源動力單元，同時可導入高科技配置。

在汽車研發中，基于模塊化平臺車型策略、汽車車身的設計策略（尤其是下車體的設計策略），需要進行相應的升級，這也是目前各大廠商需要考慮的問題。

1.2.2 法規和標準

汽車車身設計過程中，需要滿足的國家標準如表1-1所示。

1.2.3 車身選材

汽車車身材料的選擇必須遵守材料選擇的一般原則。一般，材料選擇主要從以下三方面進行：

1）材料的成形性。

2）材料的使用性。

3）材料的經濟性。

原來車身主要以鋼制車身為主，伴隨著節能減排需求，為了達到輕量化和整車性能要求，輕質材料逐漸在車身上進行了應用。而各大汽車主機廠都在致力于從技術和經濟的角度分析和改善現有材料和工藝的使用條件，探索新材料、新結構和新工藝在車身上應用的可能性，尋求在保證性能、不增加或者少增加成本的前提下降低汽車結構重量的方法，制定并實施降低汽車重量的規劃。

目前，汽車用輕質材料可分為兩大類：一類是低密度材料，如鋁合金、鎂合金和復合材料等；另一類是高強度材料，如高強度鋼、超高強度鋼、先進高強度鋼以及熱沖壓成形鋼等。為了應對新材料的應用和結構的變更，提出了新的車身成形工藝。下面分別對車身使用的高強度鋼、鋁合金、鎂合金和復合材料進行簡單介紹。

1. 高強度鋼

在車身承載部位，汽車主機廠通常采用高強度鋼板代替普通鋼板，在保持或者提升車身性能的同時，零部件厚度減薄，從而達到輕量化的目的。鋼板按照屈服強度進行分類，可分為軟鋼、高強度鋼板和超高強度鋼板，如圖1-15所示。高強度鋼又可以分為：普通高強度鋼（Conventional High Strength Steel, CHSS）、先進高強度鋼（Advanced High Strength Steel, AHSS）、超高強度鋼（Ultra High Strength Steel, UHSS）、熱沖壓成形鋼（也稱熱成形鋼）等。圖1-16是斯柯達科迪亞克全鋼車身的高強度鋼使用比例，在A柱、B柱以及乘員艙承受撞擊載荷的關鍵位置使用了熱成形鋼，使用比例達到20.3%，超高強度鋼使用比例達2.1%，先進高強度鋼使用比例達到7.9%。

2. 鋁合金

鋁合金是一種理想的汽車用輕質金屬材料，密度為2.7g/cm³，是鋼材的1/3左右，同時具有優良的減振性能和耐腐蝕性能。全鋁車身與鋼質車身相比較，重量可以減輕30%～50%。汽車車身中經常使用的鋁合金可分為壓鑄鋁合金、鋁合金擠壓型材和鋁合金板材。比較典型的是奧迪A8的全鋁空間框架式車身（Aluminum Space Frame, ASF），如圖1-17所示。除了考慮碰撞安全性，在B柱等局部位置采用鋼板（8%）外，車身其他位置都采用鋁合金。鋁合金板材占車身重量的35%，主要使用在地板、前圍板等位置。在關鍵的接頭位置，主要布置了鋁合金壓鑄件，包括鋁合金薄壁高真空壓鑄減振塔，占車身重量的35%。采用鋁合金擠壓型材形成承載式車身框架占22%。白車身（不包含車門、翼子板與開閉件等）重量僅231kg，而其車身扭轉剛度可達到37600N·m/（°），鋁合金車身的剛度可以達到較高的水平。

目前，國內也已經推出了具有全鋁車身的車型，比如北汽新能源的LITE和奇瑞的小螞蟻。這兩款A00級兩廂緊湊型新能源汽車，都采用框架式全鋁車身，達到了非常好的車身輕量化效果。

鋁合金在車身上的應用，必須要重點考慮鋁合金零件之間的連接工藝，包括采用不同工藝制造的鋁合金零部件之間的連接，以及異質材料（如鋼、鋁）之間的連接方法。在奧迪A8上采用了多種連接工藝，如圖1-18所示，包括了自沖鉚連接（Self -piercing Rivet, SPR）、熔化極惰性氣體保護焊（Melt Inert-gas Welding, MIG）、熱熔攻絲連接（Flow Drill Screw, FDS）和焊接等8種連接工藝。實際上，新型材料的開發與應用，必須要考慮其成形工藝的可實現性與連接問題，尤其是連接工藝的效率和成熟度等問題。這也是目前國內主機廠都在努力提升的技術能力。

3. 鎂合金

鎂合金的密度為1.7g/cm³，是鋁合金密度的2/3，是目前最輕的結構合金。鎂合金具有非常好的減振性能、鑄造性能，以及優良的切削加工性能和較好的尺寸穩定性。但是其表面形成的氧化膜與鋁合金相比非常疏松，從而其耐腐蝕性能差，需要進行表面處理。目前，鎂合金壓鑄件可用于汽車儀表板管梁、汽車座椅骨架、轉向盤骨架、變速器殼體、發動機殼體類零部件、車門內板、輪轂、支架、離合器殼體和車身支架等。

4. 復合材料

與金屬材料相比，復合材料尤其是碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）的優勢顯而易見，它的密度通常在1.7g/cm³左右，比鋁合金更輕，且強度較高，使車體更加結實、堅固。發生碰撞時，碳纖維會粉碎性斷開，從而吸收撞擊能量，碳纖維復合材料碰撞吸能水平達到100kJ/kg。相對來說，鋁合金的碰撞吸能大約為30kJ/kg，而鋼的碰撞吸能水平僅有大約20kJ/kg。同時，碳纖維復合材料的斷裂韌性、抗疲勞性、抗蠕變性和拉伸強度都高于一般的金屬。

寶馬i3是全球第一種大面積運用碳纖維復合材料車身的量產車型，其Life模塊90%都是采用CFRP材料。在2015年款寶馬新7系中，寶馬進行了碳纖維復合材料和鋼板復合零部件的設計和應用，首次打造了Carbon Core鋼-鋁-碳纖維三種材料的混合車體，如圖1-19所示。在車體的底部、側面等主要框架部分，寶馬仍舊是以鋁、鋼的材質混搭，在A柱、B柱、C柱以及中央通道等位置處，增加碳纖維復合材料，形成碳纖維復合材料和金屬的復合結構，達到優化剛度和強度的目的。車頂部橫梁直接以碳纖維打造而成，并與車身左右兩側連接。新寶馬7系的白車身重量為323kg，車身扭轉剛度卻達到了42100Nm/（°），達到了非常好的性能指標。

繼寶馬之后，通用、克萊斯勒也開始在自己的汽車上使用更多的碳纖維復合材料設計。但是，碳纖維復合材料的應用面臨著制造成本和維修成本高、成型效率低的難題。除此之外，碳纖維復合材料零部件開發需要同時考慮材料、結構以及工藝的一體化設計和虛擬模擬分析，國內目前量產碳纖維復合材料零部件設計人才匱乏。同時，一般碳纖維復合材料零部件的制作工藝生產效率較低，產品一致性差，很難滿足汽車規模化生產的要求。這些問題制約著主機廠在量產車型中應用碳纖維復合材料，需要同時在制造工藝、設計和材料三方面進行大幅提升。

1.2.4 車身制造工藝

傳統汽車車身是一個復雜的結構件總成，由數百種不同牌號和厚度的鋼板沖壓成形后，經過焊接、鉚接、膠接等方式連接而成。傳統汽車制造有沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大核心工藝。

1. 沖壓工藝

沖壓工藝是所有工序的第一步，采用壓力機和模具對板材進行加壓，使之產生塑形變形或者分離（沖孔、切邊等）。沖壓工序按照加工性質的不同，可以分為兩大類：成形工序和分離工序。對于具體的沖壓零部件，需要根據零部件的形狀、結構、材料和技術要求，結合生產批量和生產設備條件進行具體的工藝分析，確定最終的工藝路線。比如，比較復雜的側圍外板，沖壓工序就包括：落料—拉伸—切邊、沖孔—整形—沖孔—沖孔—檢驗。

其中和車身相關的工藝包括沖壓、焊裝和涂裝，主要由車前艙總成、前圍、后圍、地板總成、左右側圍總成、頂蓋總成等零部件焊裝而成。

2. 焊裝工藝

沖壓好的車身板材需局部加熱或者同時加熱、加壓連接在一起形成車身總成。常用焊接方式包括點焊、凸焊、釬焊、二氧化碳保護焊等，通常設置有焊接生產線，使用焊接機器人來進行。焊裝是車身成形的關鍵，焊接強度直接影響車身強度。焊裝工藝是車身制造工藝的主要部分。車身結構復雜、種類多、產量大，為了保證車身焊裝質量，提高焊裝效率，通常需要進行焊接夾具設計，達到定位與夾緊的效果。

對于傳統全鋼質車身，低碳鋼具有良好的焊接性能，焊接是車身制造中使用最廣泛的連接方式。隨著熱成形鋼等超高強度鋼的應用，鋼的碳含量在降低，其焊接性能也有所降低，需要對焊接工藝進行持續優化，達到焊接強度要求。

3. 涂裝工藝

涂裝工藝是指將涂料均勻涂覆在車身覆蓋件表面上并干燥成膜的工藝。涂裝有兩個重要作用：一是整車防腐，二是增加美觀。主要包括以下工序：漆前預處理、噴漆（底漆、中涂、面漆等）工藝和烘干工藝。一般，車身涂裝的典型工藝包括：①涂三層烘三次體系（漆膜總厚度為70～100μm）；②涂三層烘二次體系（漆膜總厚度為70～100μm）；③涂二層烘二次體系（漆膜總厚度為55～75μm）。整個過程需要有大量的化學試劑處理和精細的工藝參數控制，對涂料以及各項加工設備的要求都很高。

4. 總裝工藝

總裝工藝是將汽車零部件按規定的技術要求，選擇合理的裝配方法進行組合、調試，最終形成可以行駛的汽車產品的過程，是整車制造的最后一個環節。前邊的三道工序（沖壓、焊裝、涂裝）完成的漆后白車身在總裝進行整車裝配。

除了以上傳統鈑金車身的四大車身制造工藝，對于全鋁車身和碳纖維復合材料車身，傳統的四大工藝還需要進行相應的調整和改變。

對于全鋁車身，其焊接制造工藝需要進行重新考慮。由于鋁合金材料對熱比較敏感，如果繼續使用大量的傳統焊接工藝，會存在焊接強度低以及產品尺寸的精度控制問題。因此在全鋁車身上，需要更多地考慮新型的連接工藝，比如自沖鉚、結構膠粘接技術等冷連接技術，避免在車身連接處產生熱變形。

對于碳纖維復合材料車身，傳統的沖壓和焊接工藝需升級為模塑成型工藝和粘接工藝。寶馬公司是碳纖維復合材料在汽車中應用的領先者。寶馬公司將7～11層厚度的碳纖維織物根據需要進行切割，采用高壓樹脂傳遞模塑工藝（HP-RTM），最后才變成能夠安裝到寶馬i3 Life上的零部件。寶馬i3的白車身有130個零部件，碳纖維復合材料零部件采用粘接工藝，并實現100%的自動化，碳纖維復合材料車身的粘接長度達到160m。碳纖維復合材料框架通過金屬緊固件和膠黏劑，與底盤、動力系統等進行“合體”，成為完整車身。

1.2.5 車身性能要求

如前所述，目前車身主要有兩種結構形式，承載式車身與非承載式車身。無論哪種結構，車身都需要同時滿足剛度、強度、振動、噪聲、安全、空氣動力、密封、防腐、操縱穩定性和舒適性等多項性能要求。這些性能要求應該貫穿整車車身結構的設計過程。車身基本性能要求如下：

1. 被動安全性要求

被動安全性要求是車身設計的關鍵性能之一。被動安全性要求除了對駕駛人和乘員的保護之外，目前也逐步加大對行人的保護要求。對此，各國都建立了相應的汽車安全強制法規。在我國，車身的碰撞安全必須滿足下列標準的規定：

① “乘用車正面碰撞的乘員保護”應符合GB 11551的規定。

② “乘用車側面碰撞的乘員保護”應符合GB 20071的規定。

③ “乘用車正面偏置碰撞的乘員保護”按GB 20913的規定。

④ “汽車安全帶安裝固定點”應符合GB 14167的規定。

⑤ “側門強度”應符合GB 15743的規定。

⑥ “汽車前、后端保護裝置”應符合GB 17354的規定。

另外，NCAP（New Car Assessment Program）新車評價規程也促進了汽車被動安全性能的提升。NCAP最早始于美國，1978年USNCAP提出5星評價方法，用于在正面碰撞中評價汽車保護車內乘員的性能。全球NCAP評價程序包括ANCAP（澳大利亞）、EuroNCAP（歐洲）、USNCAP（美國）、IIHS（美國保險組織）、CNCAP（中國）、JNCAP（日本）、KNCAP（韓國）、LATINNCAP（拉丁美洲）、ASEANNCAP（東南亞）。在所有的NCAP機構中，EuroNCAP的影響力較大。NCAP具體內容大致包括兩方面，即正面碰撞和側面碰撞。碰撞測試的內容，各個國家所采用的標準不同，美國40%ODB正面碰撞速度為64km/h，側面碰撞速度為50km/h，我國正面100%剛性壁碰撞速度為50km/h，40%ODB正面碰撞速度為64km/h，側碰速度為50km/h。進入不同的汽車市場，一般需要按不同國家/地區要求進行NCAP測試，并用星級進行安全性評價。

基于車身被動安全性要求，需要對車身碰撞傳力路徑進行合理設計。對車身變形區域進行合理劃分和設置，如圖1-20所示。

一般，需要在汽車開發過程中對車身碰撞力傳遞路徑進行優化，使車身具有合理的抗撞性能。優化后的車身結構件布置使車身成為一個連續完整的受力系統并有合理的載荷路徑。主要承受載荷的車身骨架，設計時需要考慮截面形狀、受力方向、力的傳遞路徑以及力矩的作用位置等。通常，當外力作用于白車身某一部位時，白車身的所有骨架構件都將不同程度地受到載荷作用，呈現為最佳承載結構。

隨著汽車車型更新和安全性要求更加嚴苛，車身的碰撞路徑需要不斷迭代優化。比如本田飛度（FIT）汽車，其幾代車型開發中，對車身碰撞路徑進行逐代優化，如圖1-21所示。

2. 車身剛度要求

車身剛度是車身設計最重要的指標之一，也是決定汽車品質和性能的重要指標。車身剛度包括車身靜剛度（車身彎曲剛度、扭轉剛度和局部剛度等）以及車身動剛度（模態特征、傳遞特性等）。車身剛度最終影響汽車的NVH性能和車身結構耐久性。

一般，白車身的固有頻率要求滿足一階扭轉模態達到33～35Hz，一階彎曲模態達到38～40 Hz。對于純電動車，固有模態指標會進行相應的修正。剛度目標設定則需要考慮車型定位、競品車分析等相關信息。

在車型開發過程中，車身模態分布和NVH目標貫穿了整個開發過程。白車身的靜態彎曲和扭轉剛度的目標值設定非常重要，直接影響到整車NVH性能，并會影響碰撞安全、操控性能、可靠性能以及成本等。在車型開發初期，主要工作是對標測試和分析，研究競品車車身的NVH特征，設定車身NVH目標。在車型項目開發中期，進行車身的CAE優化以及數模檢查、白車身測試以及聲學包結構設計與分析。在車型開發后期，進行白車身和內飾車身的氣密性檢測、車身模態等測試和分析驗證。

車身框架由車身結構件組成，其剛度由組成車身框架的梁的剛度和連接接頭的剛度共同決定，而車身框架剛度決定了車身的模態振型和頻率。框架式車身其他部件的支撐結構，如車門、車身板、前艙蓋、行李艙蓋等開閉件，以及其他各種結構附件，如轉向管柱梁、儀表板、座椅、后視鏡等，都安裝在車身框架上。

3. 車身的疲勞耐久要求

在汽車行駛過程中，車身結構通常會受到交變載荷的作用，經過一定的時間，一些零部件會出現裂紋，甚至發生斷裂等疲勞失效，嚴重影響整車安全。據統計，汽車90% 以上的零部件損壞都屬于疲勞失效。耐久性試驗一直是疲勞或耐久性能評估的主要手段，但是通過試驗來發現問題，成本往往非常高。為確保車身結構在規定的使用期內不會發生疲勞破壞，在車身設計階段必須對車身結構進行疲勞分析，對樣車進行相應的疲勞強化測試。汽車的疲勞耐久性設計是主機廠必須掌握的整車性能開發技術。

在交變載荷作用下工作的零件或者構件，如果僅按照靜載荷去設計和校核，在使用過程中往往會發生突然破壞，具有很大的危險性。疲勞破壞的抗力與材料的組成、構件的形狀和尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環境都有關系。造成疲勞破壞的重復變化載荷，稱為疲勞載荷，分為三類，第一類是載荷幅值基本不變的等幅載荷或常幅載荷，第二類是載荷幅值按一定規律變化的階梯載荷，第三類是載荷幅值隨機任意變化的隨機載荷。汽車行駛中常遇到的是隨機載荷。

材料或構件疲勞性能的好壞用疲勞強度來衡量，即材料或構件在交變載荷作用下的強度。疲勞強度的大小用疲勞極限來衡量，即材料或構件可以承受無限次循環而不發生疲勞破壞的最大應力。一般，疲勞耐久分析采用CAE分析軟件，如nCode、Msc.fatigue、FE-Safe等。

在車身上，一般可進行白車身焊點疲勞的模擬分析，圖1-22是采用nCode計算得到的某車型的車身焊點疲勞壽命分布圖。

4. 車身輕量化要求

輕量化的首要目的是節能減排。另外，車身減重可以減少底盤系統負重，從而可進行底盤等系統的輕量化設計，具有輕量化二次效應。

隨著汽車車身技術的不斷發展，車身結構的合理優化布置以及輕質車身材料的應用，是目前車身輕量化設計的主流。每年在德國巴特瑙海姆都會舉辦歐洲車身會議，對國際上最先進的車身設計和制造技術進行交流。通常采用白車身輕量化系數（L）來評估其輕量化水平，圖1-23是計算白車身輕量化系數（L）的示意圖，L越低，則輕量化水平越高。L的計算公式為

式中，m為白車身重量（kg）；C_t為白車身扭轉剛度[N·m/（°）]；A為平均輪距×軸距（m²）。

從歐洲車身會議發布的平均白車身系數隨時間的發展趨勢中可以看到，白車身的輕量化技術在逐步提升，車身的輕量化系數逐漸降低。

目前，車身輕量化主要考慮通過有限元分析和結構優化設計進行車身結構的設計優化，同時，積極采用高強度鋼板減薄以及鋁合金、碳纖維增強復合材料等輕質材料進行車身輕量化設計。圖1-24是奧迪Q7的鋼鋁混合車身，圖1-25是路虎（Range Rover）的全鋁車身，圖1-26是寶馬i3的碳纖維車身。這三種典型車身是不同車身結構形式和用材的典型代表。目前車身用材的發展趨勢是多材料混合應用，即合適材料用在車身合適的位置。

5. 車身防腐要求

現代轎車車身主要由鋼板沖壓焊接而成，鋼板強度高且易加工，但是容易生銹。鋼板銹蝕會導致車身外觀劣化，同時會降低車身強度，惡化車身性能。防腐是目前鋼制車身必須要考慮的問題。不同主機廠對整車防腐要求有不同的設計目標，同時按照車身位置不同，防腐指標要求也不同。鋼制白車身加開閉件都要進行涂裝，在鋼制零部件表面覆蓋電泳涂層，達到防腐設計要求。

車身防腐設計主要包括三個方面：①在車身結構設計時布置適當的電泳孔和排氣孔，使電泳液進入到車身結構中，并排出車身結構內部空氣，使車身均勻涂覆電泳液，達到防腐目的。②在前艙蓋、車門和行李艙蓋的內外板接合處卷邊，并填充密封膠或者黏接劑，封住端面。③車身底部噴涂PVC底漆，形成較厚的防沙石損傷涂層。

6. 人機與總布置要求

車身總布置在整車總布置的基礎上進行，在車身總布置設計過程中需充分考慮人機工程學要求，保證不同用車人群的乘坐舒適性、視野、安全性、操縱性以及上下車方便性等。人機與總布置要求主要內容包括駕駛人座椅布置、駕駛人眼橢圓和頭廓包絡設計、駕駛人視野設計，以及乘員頭部空間和轎車頂蓋布置等。