2.1 車身

在車輛技術發展初期，車身或者說車廂，是真正與車架連接在一起的箱體，今天的很多貨車和越野車仍然采用這種形式。

車輛車身的主要功能是承載和圍護。在轎車中，車身除提供力學特性外，還提供保護乘客的功能。可以創造舒適的乘坐小環境，如減少顛簸、隔聲隔振、在惡劣天氣下安全行駛。通風和空調系統提供了駕乘的舒適度，信號系統和碰撞保護裝置與安全性密切相關。近幾年歐美國家還把行人保護提到一個較重要的層次，關于行人保護的問題將在叢書中的《汽車車身、底盤理論及制造技術》的車身技術相關章節中進行深入論述。

2.1.1 車身分類

車身從構造上分三大類：車架式、半車架式（半承載式）、自承載式。其中，車架式和自承載式是目前汽車市場上運用最多的形式，圖2-1所示為車身結構分類圖。

1．車架式車身

在車輛技術發展初期，建造一輛車先要建造承重框架，在上面固定行駛機構和驅動機構，并安裝車身。承重框架采用框形式樣，發動機、懸架和其他設備在該框架上都有結合點。簡單的承重架保證了足夠的彎曲-扭轉剛度，同時部分吸收了來自地面的振動，使其不能直接傳遞到車身。有時車架上還可以固定吸聲板。

這樣的車架可以用在不同的車型上，今天仍然用在貨車和很多越野車上，如圖2-2所示。

2．自承載式車身

與所有車架式車身一樣，自承載式車身的車身結構主要有以下作用：

1）傳遞所有的力和力矩。

2）構成駕駛室。

3）劃分能量轉換區間。

4）接納所有的驅動設置和軸系統。

自承載式車身分為前車段、駕駛室和后車段三大結構段。設計上也分為殼式、格柵框架式和無骨架式。

（1）殼式車身 當今大部分自承載式車身都是殼式的（圖2-3），即基本由金屬薄板、凹進式薄板和復合板材組成了車身強度和質量。結構件的蒙皮就像殼體一樣覆蓋在車身上，通過高阻力矩的橫截面，達到了較高的車身剛度，這樣就可以很好地避免自振。對這類車身來說，外界的振動是直接傳遞到車身上的，因此必須要有高剛度。

歷史上，歐寶公司1935年的Olympia車型采用了德國第一批量產的自承載式全鋼車身。

圖2-4所示為尚未安裝車頂和側圍的自承載式白車身。可以看出，除需要安裝發動機等動力裝置外，還需要安裝門和座椅等功能件，同時必須有吸能區，在車身的側面、前面都有結構上的相關設計。車輛最前段的緩沖區可以通過焊接或螺栓連接。前段在事故中損毀后，縱向和橫向的大框架還會繼續部分變形，進一步吸收能量，A柱等部位也是由高強度鋼制造的，以保證事故后的乘員生存空間。

圖2-5所示為白車身底板的局部放大圖，可以看出，前段主要用于安裝動力系統、座椅和緩沖區，通過加強板提高剛度。后段也具有縱橫方向的空間承載結構。同時要說明的是，后段座椅處的撓度不能太小，因為在受到后半部的沖擊時，要能保證乘員生存空間。后半段直接與門檻連在一起，提高了整車的剛度。后防撞梁在安全性上也是非常重要的部件，不能省略。

（2）格柵框架式車身 該形式又稱空間式框架，可以節約能源消耗，其空間形式可以在同等剛度下最多節約40%的車身重量（與全鋼車身相比）。代表車型是奧迪A2和奧迪A8，如圖2-6和圖2-7所示。它通過構造節點聯結起來，外蒙皮、門等外包部件固定在框架上，形成了空間的力學形式，這些在節點上的薄板作為切向應力的承受面。這類空間結構最適合采用輕型材料，同時可以降低連接件的數量，加快生產周期。結構件之間的連接可以采用激光焊、氣體保護焊和鉚接等方式。

（3）無骨架式車身 該形式的特點是車身作為一個整體制造。通過現代材料工藝，如運用復合材料可以方便地生產出具有極高扭轉剛度的整體車身，缺點是對工藝要求很高，只能運用在運動車型等小批量產品上，如圖2-8所示。對敞篷車來說，整體車身較難制造，因為其車體不封閉，必須要安裝附加的剛度增強件。

在實際運用中，除上述車身外，還有一些中間形式的車身形式，如半車架、副車架和三明治結構。

1）半車架的形式由自承載車身加一個底部框架構成，車身承擔部分整體框架的功能，優點是可以較方便地在框架上布置多種車身類型。這種方案目前主要用在大巴上，在轎車上運用很少，如圖2-9所示。

2）副車架起到了框架和自承載的雙重作用，圖2-10所示副車架可以用在前后軸上，通過隔聲板與車身連接，并在其上安裝驅動鏈。副車架的優點是具有較高的結構剛度，還能減少振動。

3）三明治結構車身指由三層結構層組成的車身，即最上面是鋼制自承載車身，中間是結構受力框架，最下面是底板。受力框架上安裝發動機和驅動裝置。這種結構的優點是具有較高的安全系數和較大的利用空間，如圖2-11所示。

2.1.2 車身的設計和研究

1．開發平臺

汽車作為交通運輸工具，除動力機構外，車身的開發時間也很早。今天，車身的設計仍然是消費者購買時的主要考慮因素。汽車設計的主要目的是滿足顧客對功能上的要求，同時滿足美學上的要求。基本的設計尺寸有長、寬、高、輪距、軸距等幾何尺寸，還有車窗傾斜度等其他技術參數。設計中同時要吸收上一代車型的成功之處，改進一些不足。

汽車設計的初始工作是外表的線形設計，同時也要對內部進行設計。駕駛人的操作空間也必須進行良好的設計，綜合考慮視線、座位、開關的布設、轉向盤的操作等。

出于節省投資和延續設計風格的考慮，經常為車輛建立一種設計平臺，可以使市場上已成熟的同一種發動機、驅動器等設備用在不同設計風格的車輛上。圖2-12舉例說明了大眾汽車公司的開發平臺。

下面討論平臺開發中有關乘員室的內容和常用依據。

無論車型如何發展變化，在若干年內，對車輛的某些基本要求是相對固定的。許多參數都是基本固定的，如設備的位置、燈光、座位尺寸和其他相關法規要求的部件都是相對不變的，或僅做局部變更與細化。

與開發平臺相關的汽車布局粗略分為乘員室、前部（通常是發動機室）、后部（通常是行李箱）和底部。

為最大程度上發揮車輛的作用，乘員室必須適合不同的人群，例如座椅的位置、視野的大小、操作的便利性。

不同駕駛人的區別在于：性別、身高、年齡和國籍等，此外還要考慮特殊人群（兒童、孕婦和殘疾人）。

在上述駕駛人區別的基礎上，為使乘員室的設計相對簡單且統一，又定義了男性組和女性組。該定義以所有身高組的參數作為采樣模型基礎，并與CAD數據庫相關。女性組定義：需考慮到1%的個子很矮的女性、5%的個子較矮的女性、95%的個子高的女性。男性組定義：需考慮到5%的個子較矮的男性、50%的中等身高的男性、95%的個子高的男性。

表2-1說明了5%的個子較矮的女性和95%的個子高的男性的身體參數。

目前所有與人機工程相關的設計都必須考慮表2-1所示數據。

為直觀說明問題，下面舉例說明兩種車型的乘員室布置形式，可以看出其內部空間大小、人與操作面的距離等，如圖2-13所示。

2．車身輕型化

隨著人們對車輛安全性和舒適性要求的日益提高，法規要求的不斷完善，以及使用功能的增加，現在的車輛自重也在不斷增加，圖2-14所示為車輛重量隨年代變化的關系。

為減少能耗就必須降低車輛重量。減小空氣阻力和優化傳動鏈雖然也是一個有效的辦法，但效果有限。為降低平均油耗和二氧化碳的排放量，就必須使車輛輕型化。

實現輕型化有不同的途徑，要從技術、經濟等方面進行取舍。目前的輕型化主要有四種途徑：方案的輕型化、形式的輕型化、工藝的輕型化、材料的輕型化。

1）方案的輕型化主要指通過負荷計算或模型分析，優化結構總成。

2）形式的輕型化指通過實驗和計算來優化零部件的幾何尺寸。

3）工藝的輕型化指革新制造過程，優化連接技術，如采用內部高壓塑性加工、激光焊接、高強度粘接等手段。

4）材料的輕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學性能，如高強度鋼、鋁合金、鎂合金和工程塑料等。

圖2-15所示為采用上述輕型化方案，緊湊型整車各部件減少的重量。

3．安全性

對于各種防護措施的研究曾停滯于20世紀60年代。1960—1969年間，交通事故中的死亡者數量連續升高，整個德國僅1970年就因交通事故死亡21322人。比較而言，2004年交通事故死亡人數第一次低于6000人，主要原因是醫療和道路條件的改善，但最重要的還是得益于車輛的安全性措施日臻完善。

現代汽車制造商的一個重要任務就是發展主動安全性技術，減少撞擊并減少撞擊產生的能量。圖2-16說明了汽車的安全性分類和措施。

安全性對車身制造的重要要求：

對于車輛安全性開發，一個重要的標準就是車身碰撞實驗，該實驗是很多法規，如德國標準StVZO、歐洲標準ECC和EG/EWG、美國標準FMVSS中的安全性標準基礎之一，這些準則都是車輛在本國或國際道路上取得行駛許可的前提。這部分安全性法規的內容還包括有關車輛開發的其他技術領域，如對乘員保護、制動和視野等的約定。車輛的開發必須符合這些法規的要求，盡最大可能更好地解決問題。當然，為考慮普遍性，總體來說也有最低技術標準，這些是得到上路許可的必要條件。圖2-17所示為轎車的安全性準則所涉及的范圍。

目前，歐美國家進一步提出了行人保護的問題，并已列入相關法規。15%的車禍死亡者是行人，為保護行人就必須在法律上制定車輛的行人保護準則。2005年開始是第一階段，2010年起是第二階段，即實行較嚴厲的法規。人車碰撞的過程是比較復雜的，與人體面向汽車的身高、站立位置和角度有關，也與車輛的速度和對人體的碰撞點有關。不同的碰撞因素就造成各種行人運動學問題及不同的損傷程度。以統計的方法逐一檢驗不同的碰撞情況是非常耗費時間和金錢的，因此各國開發了共同認可的簡化檢測實驗方法。

簡化實驗即采用不同的頭顱模型來做實驗，也對四肢、軀干等部位的受傷害情況做研究。研究重點主要是行人在車輛前部的碰撞情況。圖2-18所示為具有不同質量的大人和兒童的頭顱模型及腿部模型，以不同速度和角度被車身撞擊時的情況。

對于人體的力學承受極限，如骨折、器官損傷和其他的傷害都有一個程度上的分類，該分類就是為研究行人保護而設定的。美國聯邦交通安全法中對受傷害程度進行了分級，見表2-2。

單個人體的生理極限通過模擬和假人來推測，有時也可用人或動物來做輕微模擬實驗。實驗中的承受極限與年齡、性別、身體狀況和體重密切相關。

一臺整車的實際安全性應由事故數據來評價。為檢測車輛的安全性，必須通過碰撞實驗來模擬最真實的交通事故。不同的廠商開發了不同的測試條件和評價方法，因此測試的結果很難相互比較。

圖2-19所示的NCAP沖擊實驗描述了不同碰撞法規對正面和側面碰撞的實驗方法，可以看出各國采用了不同的碰撞速度、碰撞力和碰撞角度，相應的實際評價也有所不同，這些可以供我們參考。

與車輛主動安全性技術相對應的是被動安全性技術。車輛被動安全性與車身的制造相關，一旦車輛量產，其被動安全性也就基本固定了。通過實驗和模擬可以看出，車身受到撞擊時的變形是一個復雜的過程，變形過程持續50～150ms，通過彈性和塑性變形來描述。詳細計算撞擊過程也是比較困難的，因為在如此短的時間內，發生了很大的能量轉化，產生很大的變形和很高的能量密度。局部車體所采用的材料特性極限和結構特性都會相互影響。

車禍中車身的塑性和彈性變形對乘員的傷害程度有很大影響，因此必須控制這種變形。為滿足法規對交通事故中的乘員保護要求，汽車生產商必須通過所謂的受力梁（板）來減小變形加速度，這種構件可通過相關材料和其結構形式來解決。在設計中要注意的是，圖2-20所示的前面的受力梁最多可吸收70%的沖擊能量，是一種常用的成熟方案。

設計中還應考慮到，相對堅硬的軸、發動機、蓄電池和其他部件應有足夠的向后的變形區，以確保在事故中不擠入乘員室，減少對乘員的傷害。對短頭的小車型來說，由于結構變形區間較小，要把發動機設計成在沖撞后向下滑落。圖2-21所示為這一滑落式設計。

4．樣車車身的試驗

樣車的設計雖然有計算機來輔助，但總體技術要求是否符合設計預期值，仍需要做樣車車身試驗。樣車車身的試驗內容有剛度試驗、聲學試驗、動態（行駛）強度試驗等。在此僅進行簡要介紹，具體試驗方法屬于車輛試驗學的范圍。

（1）剛度試驗 為檢驗車輛的動態聲學和行駛特性，主要檢測車身的彎曲和扭轉剛度。扭轉試驗表現為車身繞著一個軸，在一個力矩作用下的扭轉，如圖2-22所示。相當于檢測路面的不平度引起的車身和安裝部件的相對運動。目前汽車的扭轉剛度要求能達到30000N·m/（°）或更高。車輛經過長期行駛后，車身剛度的下降對行駛特性也會產生影響，這點在行駛動力學里已經引起重視。

現在的車輛設計和制造中，提高車身扭轉剛度有如下常用辦法：

1）優化型材的截面過渡區和連接方式。

2）采用局部的加強肋（板）。

3）優化焊點布置。

4）采用高彈性模量的材料。

具體采用何種方式還必須考慮到制造成本。

（2）彎曲試驗 主要描述在固定力的作用下，前后軸之間的車身的彎曲下沉，模擬在行駛過程中通過的波浪形地面。高彎曲剛度通過增加型材高度和提高前后縱梁來實現。彎曲試驗必須在白車身上進行，按照圖2-23所示方法正確地布置受力和傳導方式。

（3）聲學試驗 整車是一個極為復雜的振動系統，作為振動的激勵，來源于不圓的旋轉車輪、驅動器及路面不平度等。原則上講，一輛轎車的固有頻率不能與其他振動系統結合，要采取隔離措施。

減少車輛外部噪聲對生態環境是有利的。同樣，減少車輛內部噪聲對駕乘人員也是有利的，可以集中精力，不易受到干擾，體現了車輛的舒適性，這也是市場競爭的結果。

車輛內部的噪聲來源于空氣聲和固體聲，空氣聲通過車體間隙向乘員室滲透，固體聲通過車輛本身的結構向內傳遞，或通過空氣聲的激勵使車身產生次級空氣聲，繼續向內散射。具體傳遞途徑如圖2-24所示。

固體聲的主要來源是發動機，當發動機轉速從900r/min提高到6000r/min時，激勵頻率為30～200Hz，形成一種令人煩躁的噪聲。發動機誘導出的力和轉矩，通過驅動鏈的支撐點進一步被誘導，最后引起車身的振動。為減少固體聲的傳遞，在相關部件的懸置系統中采用了橡膠彈性元件（圖2-25）。綜合結果在很大程度上降低了噪聲，同時改變了行駛動力學特性。關于彈性運動學的研究，將在《汽車車身、底盤理論及制造技術》中有關底盤技術的部分進行進一步介紹。筆者在斯圖加特大學汽車和發動機研究所曾做過保時捷Boxter系列跑車的后軸彈性運動學研究，其結果在后面的相關章節中進行介紹。

（4）動態（行駛）強度試驗 這項試驗作為考驗車輛短期和長期耐久性的手段，屬于動力學試驗的范疇。耐久性主要測試在交變載荷下的材料特性。可以通過耐久性的韋勒曲線圖和具體的幾何形狀來分析。耐久性試驗還必須提煉出材料和相關形狀的共同特性，使復雜的耐久性試驗變得簡單，再根據可靠性理論進一步分析。相對長期載荷來說，有短期強度的概念，計算中主要參考Manson-Coffin關系圖。該關系圖與韋勒曲線的區別在于，短期強度研究的是較低載荷下的塑性變形及可靠性。

動態試驗還涉及斷裂力學和失效理論，研究零件的斷裂失效和分布范圍，也可以計算應力峰值，估算裂紋的發展。

車身的結構強度試驗主要在液壓沖擊臺上完成，如圖2-26所示，該設備主要模擬復雜行駛條件下的應力集中。目前也有專用的試驗場地，進行強化的、接近破壞性的動態試驗。