基于抽屉式的汽车车身设计

卫青珍，乔建刚

(1. 太原科技大学 工程训练中心，山西 太原 030012； 2. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300131)



基于抽屉式的汽车车身设计

卫青珍1，乔建刚2

(1. 太原科技大学 工程训练中心，山西 太原 030012； 2. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300131)

摘要:本文以解决交通拥堵为目的，围绕汽车动力学、 交通工程学、 汽车设计等理论，根据抽屉工作原理，对汽车车身从面向艺术、 面向结构强度、 面向空气动力特性等造型设计角度进行研究，结合美学理论和实际道路交通安全情况对车身进行结构设计，设计了可以伸缩的抽屉式汽车车身，并对设计的结构进行静力学、 动力学分析及强度校核，结果表明： 该车身结构完全满足强度要求，该设计提高了道路和停车场的利用率，为解决道路拥堵探索了一种新的方法，同时也为汽车车身的设计提供了一种新的设计思路.

关键词:汽车车身； 强度校核； 汽车结构分析

0引言

随着经济的快速发展，汽车工业在带动其他行业的发展中，体现出越来越重要的作用. 据权威部门公布的数据显示： 截止到2012年年末，全国私人汽车保有量9 309万辆，其中私人轿车5 308万辆，预计到2020年中国汽车保有量将超过2亿辆. 汽车在给人们的出行到来便捷、 舒适的同时，随之而来的问题是： 道路拥堵、 停车场地紧张、 空气质量下降、 人类赖以生存的环境变坏[1]. 目前全世界的汽车工业发展竞争愈演愈烈，汽车巨头们都纷纷加紧研制开发新车型，然而由于发动机、 底盘等的设计制造技术已经基本成熟，车型的创新点便主要集中体现在车身造型和电子设备等的设计上. 在汽车车身的研究设计方面主要考虑的是节能、 安全、 舒适性，而通过汽车车身设计进行节约停车用地、 解决交通拥堵方面的研究很少； 世界上一些国家和地区为了解决城市道路交通拥挤问题，开征了交通拥堵费(如英国伦敦、 中国香港等城市)，拥堵费的开征不仅增加了人们的经济负担，而且只是在一定程度上减少或限制了人的出行，没有从根本上解决交通拥堵、 对环境的破坏等问题. 伸缩汽车的设计开发可有效解决停车位的短缺、 交通拥堵问题，同时对汽车的设计开发具有重要的意义[2].

1设计内容

图1　汽车车身设计步骤示意图Fig.1　Car’s body design procedure sketch map

抽屉式汽车车身设计从汽车设计理论出发，结合美学理论与实际道路交通安全情况，从面向艺术、 面向结构强度、 面向空气动力特性等角度进行车身造型设计研究，利用计算机辅助设计，把设计的结构进行静、 动力学分析，并对其进行强度校核[3]； 其设计步骤如图1 所示. 这样设计的车身可以在2～5～8座之间互相转换，即上下班时可以是2座车，周末旅行或商务出行可以是5或8座车； 在停车场可以最大限度地减小占用停车场面积，即可以占2座车或多座车车位.

1.1外形设计

首先选择非承载式车身作为设计对象. 因为伸缩汽车的结构比较特殊，要求车身能够自由进行三级伸缩，同时要有一定的强度、 刚度，保证行车安全； 车身与底盘的连接主要通过立柱来实现，伸缩的动力由底盘的移动提供，所以非承载式车身比较适合伸缩汽车的结构要求[4]. 车身总体尺寸最长(全伸展状态6 520 mm)为8座车，最短(全收缩状态3 500 mm)为2座车，车的高和宽均为1 600 mm； 为适应车身的伸缩外形，选择子弹头列车形状； 在确定车身形状、 总体尺寸和承载型式后，再对车身进行结构设计和分析. 其车身结构设计大致按如下步骤进行[5].

1.2结构设计

车身主要由车身壳体、 车门、 车窗、 车前板制件、 座椅等组成； 车体骨架设计应满足车身刚度和强度的要求； 综合考虑各种材料的抗弯强度和抗扭强度以及受冲击载荷的能力及制造的成本与加工工艺的要求，选择16 Mn作为车身结构件的主要材料，因16 Mn能够承受比较大的载荷，且加工工艺比较成熟，在工程要求、 加工工艺要求以及经济性等方面，相对其他材料有比较大的优势，比较适合用于汽车结构件. 客体主要采用目前使用比较广泛的铝合金来制造，可满足强度高、 质量轻、 经济性好等多种要求[6].

车体前部分承受比较大的集中力，如发动机、 变速箱、 驱动桥、 散热器、 翼子板等的重力和前悬架支承反力等. 而车厢部分主要承受分散在地板上的重力，如车体自重、 乘客身体重力和悬挂在门柱上的车门重力等； 行李箱则承受油箱、 备胎和行李等集中重力. 所以，车体结构中易出现载荷分配不均衡和刚度不适应载荷要求的情况，这将影响系统的总变形[7].

车体骨架主要由杆件组成，杆件又可分为3类:

1) 功能杆件. 这些杆件的为满足功能所要求而设置，如门柱、 窗柱、 门揽、 门框上横梁、 风窗框上、 下横梁等.

2) 加强杆件. 这些杆件作用是保证安全加强强度，如大客车顶盖上的纵梁和底架周边的搁梁，在后悬架底架上设置的加强横梁等.

3) 非承载杆件. 这些杆件为安装附件而设置，如顶盖上为安装顶窗而设置的框架等.

显然，1)、 2)类是车身的主要承载件，应有足够的强度和刚度，并能构成一个完整连续的受力系统. 薄壳式车身结构虽然无完整的骨架，但壳体和各结构件组装后，也应是一个完整的受力框架[5].

此外，汽车的发展趋势是扩大车身光照总面积，这将必然使腰线以上支柱的截面减小； 考虑到提高空气动力性能的要求，前风窗支柱倾角也要设计的比较大； 为提高整个车身的构件的扭转刚度，采用闭口截面.

1.3受力分析

汽车在行车过程中，汽车车身上所受应力常为交变应力，应力集中可能诱发进展性裂缝，导致疲劳损坏，这是车身结构损坏的原因之一. 因此，在结构设计时要避免截面急剧变化，特别是要注意合理增加加强板和接头的设计. 有时为了提高承载力，要在弯曲部分加上加强梁，但加强梁的两端容易出现刚度突变，导致应力集中而断裂. 所以宜将加强梁两端的形状改为类似双曲线形就会使应力集中大大改善.

在经过受力分析后，对其伸长时的纵梁、 横梁、 立柱及3梁收缩时的纵梁进行强度计算，以获得各梁(壁厚8 mm)、 柱(壁厚4 mm)的设计尺寸，其梁、 柱的强度计算公式[8]为

(1)

式中：σmax为梁的最大正应力；Mmax为梁上的最大弯矩；WZ为梁截面系数； [σ] 为许用弯曲正应力.

关于材料的许用弯曲应力[8]，一般近似用许用拉压应力作为其许用的弯曲应力. 对于承受弯曲应力的梁，横向力的作用可以忽略不计，通过利用计算机程序进行辅助计算，其计算结果如表1 所示.

表1　计算结果

2校核

由于车身受力比较复杂，现提出一种简捷的评价伸缩汽车构件弯曲刚度的方法： 由《工程力学》知道简支梁受作用于跨距中点的集中载荷P时的最大挠度

(2)

式中：P为跨距中点的集中载荷；L为轴距；E弹性；Jx为抗弯刚度系数；Y为挠度.

如轴距采用“m”为单位，则当p=1 000 N时，式(2)可简化为：ymax=l3/Jx(cm)，根据使用要求和经验，车架的最大挠度ymax≤0.085 cm，即：Jx/l3≥12，所以设计的车架纵梁的刚度是足够的. 一般车型的Jx/l3值都有约为规定值的2倍(动载荷系数)，即：Jx≥24l3，因为还要考虑动载荷的缘故，随着载荷量的增大，此值也会相应提高. 由计算结果分析可知，承担本车身的车架完全满足弯曲刚度的要求.

3结论

汽车将朝着更加人性化、 自动化、 绿色、 环保、 高科技的方向发展，本文围绕汽车构造、 材料力学、 交通工程学的理论，结合道路交通安全相关知识，从总体分析、 结构设计、 强度校核等方面进行研究，设计出了可以缓解交通拥挤、 减少占地面积的可以伸缩的抽屉式汽车，经过初步强度校核分析可知，该抽屉式汽车车架强度和刚度都能够满足设计要求，但是汽车在行车过程中受的载荷是交变、 复杂的，将利用有限元法对其做深入的分析； 同时通过本文的研究为汽车的发展方向探索了一种新的思路.

参考文献：

[1]黄海. 我国汽车保有量五年将翻一番[J].专用汽车，2006(1)： 37.

Huang Hai. the Retain quantity of the car in China will increase one times in five years[J]. Special Purpose Vehicle, 2006(1)： 37. (in Chinese)

[2]贾辉. 汽车创新设计的途径探索[J]. 轻型汽车技术，2010(9)： 4-8.

Jia Hui. The exploration of ways for automotive innovation design[J]. Light Vehicles, 2010(9): 4-8. (in Chinese)

[3]乔建刚. 驾驶行为与交通安全[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2006.

[4]Qiao Jiangang, Rong Jian, Ren Futian, et al. Study on relation between traffic safety and driver’s psychology and physiology responds E[J]. Progress in Safety Science and Technology (Vol Ⅳ), Partb, 2004(9): 2594-2597.

[5]陈家瑞. 汽车构造，第三版(下册)[M].北京： 人民交通出版社，1994.

[6]文九巴. 机械工程材料[M]. 北京： 机械工业出版社，2002.

[7]濮良贵, 纪名刚. 机械设计(第七板)[M]. 北京： 高等教育出版社，2000.

[8]刘申全. 工程力学(下册)[M].山西： 山西科学技术出版社，2001.

Research of Automobile’s Body Design Base on Drawer Model

WEI Qingzhen1, QIAO Jiangang2

(1. Engineering Training Center, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030012, China;2. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300131 China)

Abstract:In order to solve the traffic jam,based on the theory of vehicle dynamics, traffic engineering, and automobile design , according to the principle of drawer work, a retractable drawer type car body is designed.The car body is studied from the art, structure oriented strength, and air dynamic characteristics of the body design angel, combining with the theory of aesthetic and practical road traffic safety situation of body structure design.We analysis statics ,dynamics and check the intensity of the structure.The intensity of the body structure completely meet the requirements.the design not only improve the utilize rate of road, reduce the area of parking, find a new way to resolve the traffic jam, at same time, provide a new design way to car’s body.

Key words:car’s body； strength check; car’s structural analysis

中图分类号:U49

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.011

作者简介：卫青珍(1965-)，女，工程师，主要从事机械设计自动化研究.

基金项目：交通工程北京市重点实验室基金资助项目； 山西省科技攻关计划项目资助(2007031174)

收稿日期:2015-10-25

文章编号:1671-7449(2016)02-0156-04