汽车设计与制造

罗中天

（中央民族大学附属中学，北京 100000）

汽车设计与制造

罗中天

（中央民族大学附属中学，北京 100000）

现代汽车结构主要是由发动机、底盘、车身和电器或电子设备四大主要部分组成。而设计制造的工艺主要集中于车壳的结构设计、车身内部自动化控制系统集成、车体零部件的拼装和焊接。其中车壳和底盘的结构设计，主要主导因素在于当代的车体流线型设计符合空气动力学的原理，并且能够减少风阻，从而降低油耗的损失，除此之外底盘承重范围内的轻量化处理也能节约能量的损耗。车身内部数字化控制系统精确分析车辆的行驶情况从而确定最优控制方案，在一定程度上降低能源损失。车体结构的紧凑性决定了车身的强度和寿命及加工拼接组装焊接工艺等。因此就目前来看，汽车设计与制造如何达到我们理想的最优化设计成为了主要考虑的的方面。

CAD/CAM仿形；冲压成形模拟；焊接；铸造

1 关于汽车发展的介绍

世界上第一台汽车Daimler -Benz于1886年诞生至今，从最早期的根据直观经验来设计汽车到按比例制作传统的车辆模型，再到现如今通过各种计算机的仿真软件进行模拟加工，现在汽车基本上通过流水化生产已经走入了我们的生活当中。当代汽车的设计要求需要符合：（1）应用空气动力学，对车身的流线型设计从而降低风阻系数，从而减少油耗损失。（2）应用人体工程学，对车身内部环境的自动调节以及符合人体坐姿和最佳舒适度的行驶体感。（3）以环保绿色为理念，从汽车能量消耗着手，车体各种动力设备设计最优算法从而降低动能损耗。（4）降低制造成本，缩短设计周期，提高设计质量以及提高汽车市场竞争力。

2 汽车设计的基本要求

2.1 传统车身设计方法

首先初步设计的第一步骤就是先设计效果展示图，即预先设计好对汽车总体的一个草绘图或者计算机仿真图，然后根据所给的效果图初步定义1:5的车身模型，定好车身之后，再去定义剩下部分车身零件的油泥模型。接下来第二步骤就是通过上述油泥模型的修正和改进，进行一个初步的模拟，倘若符合制造要求，再绘制1:1的规划图，1:1的油泥模型和1:1的内部模型。然后第三个步骤就是绘制车身主图版，根据主图版来制造车身部分内外散件和车身主模型，至此完成半成品。再到半成品各个表面取样进行模具设计和图纸设计。

这种设计在最初的阶段中主要靠人工从油模到图纸来确定各个参数，一旦中途出现稍许差错就会导致主体和模型进行大面积的修改，而这些修改往往会导致生产成本增多，生产周期延长，人工劳动力加大以及误差变大导致优化设计难度加大等等系列问题。

2.2 CAD/CAM仿形设计方法

随着计算机的发展，市面上越来越多的仿真软件正在被汽车厂商广泛使用，传统的车身设计方法正在被目前随科技逐渐发展的各类计算机仿形方法所代替。由于计算仿形能够有效的精确地处理由于人为影响和尺寸参数因素影响下的各种复杂精密的曲面车身和部分车组零件，极大效率的缩短汽车的设计周期和加快汽车模型和图纸的完成度和精度，由计算机辅助软件代替了手工繁琐的设计过程，更能加快一辆汽车的研发与设计制造。所以计算机仿真在汽车设计制造中占据了不可或缺的重要一环。

计算机仿形设计（例如CAD/CAM）方法的工作原理为通过现代数字化控制软件建立一个类似soildworks的假设模型，然后通过计算机给定的各类参数来确定复杂曲面的信息，例如曲面的曲率，材料加工成型后的强度和刚度以及曲面的疲劳强度的模拟，甚至于对汽车撞击的多种假设拟合，从而确定车体的设计是否符合或者达到预期的标准。

但是这种模型的建立也需要用到前期传统车身设计中的手绘图纸工艺，通过三坐标测量技术对车身雕塑模型上面1:5比例的模型的点的数据采样与测绘，将这些点的数据分析集成在计算机辅助软件上建立一个数学模型来拟合人们预期对汽车的实际期望，进行结构分析和设计，最终将计算机上传输的数据参数模型用于车间的模具设计与加工。这种设计方法联系到有限元分析，优化了现代化汽车生产加工工艺，在未来将会有广泛的应用。

3 汽车制造的基本要求

铸造是生产汽车中最为重要的一个部分，为了得到手工达不到的模型，采用铸造的形式通过高温将金属融化注入型腔，通过冷却凝固最终得到铸造件。在生产过程中，运用铸铁制成毛坯的零件很多，大概占据车身总重量的10%，如气缸体、变速器箱体、转向器壳体、后桥壳体、制动鼓、各种支架等。在汽车强度刚度和安全系数符合要求的情况下，通过各种优化降低汽车的整体质量，完成轻量化，进而提升汽车的动力性，降低能源消耗，减少燃油产生的大气污染。汽车整体质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。绿色与节能的需求日益增多，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，汽车铸件的轻量化也成为汽车铸件的重要发展方向之一。

根据铸件的强度与刚度的的安全性考虑，汽车铸件主要设计方法为等厚度设计。由于等厚度设计在设计过程中的最大缺点就是不能很好的将车身轻量化处理。所以采用CAE 分析、拓扑优化等手段，对零部件进行轻量化，使零部件各个部位的应力值接近，即各个部位的壁厚不一致，受力小的部位减薄料厚或不要材料，从而减轻零件的重量。由于铸造能够实现的是对于复杂的大型车身复杂零部件的成形。设计时，采用CAE或拓扑优化等手段，对零部件进行应力分析。根据力的分布，确定零部件的形状和具体局部的材料厚度。通过对铸件加筋、挖孔和变厚化，可使零部件的重量大大降低。

3.1 车身冲压成形模拟

基于过去的经验，普遍认为车体表面成形使用冲压成形是合适的，实际上制造非对称复杂壳体由两焊接冲压件制造，基于完整的流水线生产策略，数值模拟，和初始毛坯尺寸形状确定。因为在生产过程中压缩和拉伸的操作程序对适用于制造壳的冲压板的生产能力的防护方法进行了数值模拟的评价。基于上述的评价，稳定性能好的数字化程序会被选定为冲压模具的生产。然后对板材进行液压成形，综合部分工艺进行了优化与可靠性的约束，生产的模具和产生的流体压力利用有限元程序的计算机计算进行大变形模拟。还有板材原料的作用对变形行为进行了校核。板材液压成形的实验通常以比例尺度与实际尺寸为 1:5的标准执行，液压成形模拟出1:5的实物和小尺寸。以下将会讨论新的部分，即简化模型，模拟的步骤和假设边界条件。

3.2 模型描述

通过冲压车间里面的冲压模具，将板件材料置于凸模与凹模之间，通过液压动力进行冲压，这种方法能够很好的降低机器产生的噪音，能够得到许许多多的冲压件，然后再对这些冲压件进行二次加工，但是往往加工这些模型是考虑模拟和实验的形状作品。所得到的模型往往都是非常复杂的，而传统的冲压工艺难以产生。

3.3 初始毛坯形状和尺寸

定义初始毛坯形状和尺寸是关键的一步，特别是在冲压产品设计复杂形状的时候。这是一个众所周知的事实，如果初始毛坯形状和尺寸设计不合理，冲压操作不会成功达到预期效果，即使应用精心设计的冲压工具。因此，设计初始毛坯的形状和尺寸，采用逆向有限元程序。对于数据的大小和形状，借助于这个程序处理最终产品的参数，随后在计算机上计算初始毛坯形状和尺寸。在计算机程序模拟一个全尺寸的冲压仿真从而预测未知或者复杂的车壳或者其他车体复杂零件形状。

3.4 冲压工具

用于形成壳围护板材液压成形的数值模拟，主要考虑的工具包括流体运转、压力室、半模装置或引导冲头。这些模拟的工具，通常被认为是刚性的。

3.5 边界条件

使用板材液压成形生产的最终产品的质量，在很大程度上取决于工艺参数的设定与确定，如压力、摩擦、初始空白的位置和尺寸、冲裁半模装置等。建立适当的程序参数组合后初期的空白往往就能通过几种方法进行计算，在不同模拟环境下，使用商用有限元边界条件代码。所有的模拟工具在金属薄板构成变形的材料（冲床、压力室、零部件和半模装置）通常被认为是刚性的。流体压力被认为是均匀分布在金属板的相对表面。因此，冲头运动和液体压力作用在相反的方向，能形成多种多样的复杂形状。流体的压力变化范围从0到30MPa。接触表面定义了板件和工具表面之间的条件，这些都是基于非线性接触面接触策略制定。通常假定库仑摩擦定律和摩擦系数被认为等于0.01。壳体仿真生产，即铸造之后的冷冲压或板料冲压是使金属板料在冲模中承受压力而被切离或成形的，在程序基础上得出案件考虑工具的配置，可以建立凸模、压边、板材表面之间的联系，而在一定范围内进行运动流体压力的其他副料表面被认为是半模控制。

3.6 优化程序

用于生产的最佳工艺确定后，板件（加工的过程）和定义流体压力的变化适用范围，提出了板材液压成形模拟。这一系列的模拟尝试，获得毛坯的形状和尺寸。（1）定义的最佳位置；（2）确定流体压力和冲床行程最有效的组合；（3）研究使用附加工具的必要性（引导或半模装置）。为减少可能发生的缺陷工件的部分，有选择两个主要标准的最佳条件；（a）尽可能多的应变分布应均匀；（b）应变不应超过最大定义的FLD片材允许双轴应变。几个模拟进行了基于上述两个标准就能创造最佳的制造条件。

3.7 冲压实验工具

首先应当指出的是，实验工具和程序是被设计为对成形参数影响的重要指标，在实验室小型车壳的生产制造与研发中，一种板材液压成形性能评价包括对全尺寸车体板件的生产。所有的测试用40吨液压单动压力机进行。所设计的实验台由一个压力容器、盖板、冲头、导轨、称重传感器、引伸计和一些附件来控制压力。压力容器被设计成能承受液压机加压流体下最大功率下的压力，并对变形的板件留出足够的空间标本。这种旋紧盖板是用来关闭顶部的容器。中间穿过盖板同心孔。在盖板下面密封容器面使用O形圈。还有一块2mm的橡皮。在盖板下的膜片采用密封压力容器。

3.8 冲压实验程序

在板材成形试验开始，在所需的位置和方向经过定位，在最初的空白橡胶膜片的上表面，盖紧板拧好容器然后冲头插入压边圈的位置。整个试验台是放置在一个模具，这定位在单动压力机上。移动沉模具的上板，使用两个液压千斤顶。使用压力器，容器中的流体压力能增加而冲孔将向下移动，分别形成一个复杂的部分。变形过程中，内部压力可以通过压力表记录。同时绘画这组装在版料的液压线，力和凸模行程可以用称重传感器和引伸计记录。最后，成形后，壳的挡泥板和液压机停止运动，流体压力被释放，然后上板使用液压千斤顶提起模具。再将模具放到下一步焊接车间去进行组装。

3.9 汽车零部件的焊接

汽车焊接就是将上述各种冲压件通过焊接的手段来组合拼装在一起，这就是我们所讲的白车身焊接。而工业上面的焊接分为很多种，但按其过程特点不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。通过上述常用的焊接方法对汽车各个部件进行焊接。白车身的焊接主体采用钎焊和熔化焊为主。在焊接车间由计算机辅助机械臂进行智能焊接，这种技术对人体损害较少，减轻劳动力等。焊接也是汽车制造最为重要的一环。

4 汽车未来发展的展望

当前随着社会经济的不断发展，我国汽车生产的不断完善，未来很大一部分工厂将会由车间无人化管理的人工智能取代，人们对于车身的设计模型和发展纪元将会达到前所未有的高峰。开发者在未来如果能够改进坐标系庞大复杂的点的测量以及摆脱对实体模型的需要，进而转化为在辅助软件上通过对实时数据的分析自动将未来汽车的全息虚拟投影图，例如通过头部虚拟装置在脑海中构想出所要涉及的汽车模组，将虚拟的汽车零件拟合和组装，将用户与计算机数据联系起来。进一步说，对于计算机的辅助应用运用在无人化行驶和可远程可持续操控上也需要更加进一步的深入探究。

综上，21世纪的强大计算机辅助软件的运用是当代汽车生产的必然趋势，相信在未来对于汽车系统的科学改进和虚拟设备的研发与实际投入将会是一条不断摸索与探寻的道路。

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F252；F426.471；F224

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