出于各种不同的目的和要求,汽车的品种很多,车身的形式各异,特别是随着时间的推移和科学技术的迅速发展,设计经验和使用实践日益丰富,结构上不断推陈出新,虽然它离不开结构的继承性,但是新老结构形式交织在一起,难以确切下定义和予以统一命名,往往容易造成混淆,这样就给人们分门别类去认识它和研究它带来一定的困难。尽管一般也可按用途(例如:轿车、大客车、货车和专用汽车车身等)和所用材料(如金属、非金属和钢木混合等)来进行分类,然而,从结构和设计观点按车身承载形式来分类,可以认为是较为明确而又合理的。
按承载形式之不同,可将车身分为非承载式、半承载式和承载式三大类。
(1)非承载式车身
货车(除微型货车外)与在货车的三类或二类底盘基础上改装成的大客车和专用汽车以及大部分高级轿车(出于对舒适性的要求),都装有单独的车架,此时车身系通过多个橡胶垫安装在车架上,当汽车在崎岖不平的路面上行驶时,车架产生的变形由橡胶垫的挠性所吸收,载荷主要由车架来承担,顾名思义,这种车身结构应是不承载的。但实际上,由于车架并非绝对刚性,所以车身仍在一定程度上承受着由车架弯曲和扭转变形所引起的载荷。非承载式也称为有车架式。相当一部分类型的客车、载货汽车和传统轿车,均采用有车架非承载式车身结构。
非承载式车身的优点可归纳为:
(1)减振性能好。发动机和底盘各主要总成,直接装配在介于车身主体的车架上,可以较好地吸收来自各方面的冲击与振动。轮胎与悬架系统除对整车的缓冲吸振作用外,挠性橡胶垫还可以起到辅助缓冲、适当吸收车架的扭转变形和降低噪声的作用,既延长了车身的使用寿命,又提高了乘坐舒适性,所以,目前此种车身结构形式仍较广泛地被采用于高级轿车上。
(2)工艺简单。壳体与底架共同组成车身主体,它与底盘可以分开制造、装配,然后再组装到一起,总装工艺因此而简化。
(3)易于改型。由于以车架作为车身的基础,易于按使用要求对车身进行改装、改型和改造。
另外,车身的维修也比较方便。
其缺点为:
(1)质量大。由于车身壳体不参与承载或很少承载,故要求车架应有足够的强度与刚度,从而导致整车质量增加。
(2)承载面高。由于车架介于车身主体与底盘之间,给降低整车高度带来一定困难。
(2)半承载式车身
半承载式车身的结构与非承载式车身的结构基本相同,也是属于有车架式的。它们之间的区别在于半承载式车身与车架的连接不是柔性的而是刚性连接,即车架与车身焊接或螺栓固定。
由于是刚性连接,所以车身只是部分参与承载,车架是主承载体。
(3)承载式车身
承载式车身的一个突出特征是没有独立的车架,车身由底板、骨架、内外蒙皮、车顶等点焊成刚性框架结构,整个车身构件全部参与承载,所以称之为承载式车身。由于无车架,因此也称为无车架式车身。
对承载式车身而言,由于整个车身参与承载,强度条件好,有利于减轻自重并使结构优化。这不仅是当前客车车身发展的主流,而且已经形成了一边倒的设计趋势。
承载式车身优越性主要体现在:
(1)质量小。由于车身是由薄钢板冲压成型的构件点焊而成,因而具有质量小、刚性好、抗变形能力强等优点。
(2)生产性好。车身采用容易成型的薄钢板冲压,并且采用点焊和多工位自动焊接等现代化生产方式,使车身点焊后的整体变形小,且生产效率高、质量保障性好,适合大批量生产。
(3)结构紧凑。由于没有独立的车架,使汽车整体高度、重心高度、承载面高度都有所降低,可利用空间也有条件相应增大。
(4)安全性好。由薄板冲压成型后点焊而成的车身,具有均匀承受载荷并加以扩散的功能,对冲击能量的吸收性好,使汽车的安全保障性得到改善与提高。
承载式车身的缺点是:底盘部件与车身结合部在汽车运动载荷的冲击下,极易发生疲劳损伤;乘客室也更容易受到来自汽车底盘的振动与噪声的影响;车身损坏后修复难度大。
3.轿车车身的组成
轿车车身由车身本体(俗称白车身)、车身外装件、内装件和车身电气附件等4部分组成。
(1)车身本体
车身本体是轿车承载的主体,它由梁、支柱、加强板等车身结构件和车身覆盖件组合而成,并包括翼子板、车门、发动机罩和行李厢盖等,它是车身内、外装饰件和电气附件的装载基体。
梁和支柱等车身结构件焊接成框架结构,使车身形成一整体式结构,具有一定的强度和合适的刚度,起主体承载作用。
车身覆盖件是指车身上各种具有不同曲面形状及大小尺寸的薄板。车身覆盖件是覆盖安装在车身本体上,使车身形成完整封闭体,同时通过它来满足室内乘员乘坐的要求。同时,通过它来体现轿车的外形并增强轿车车身的强度和刚度。
(2)车身外装件
车身外装件是指车身外部起保护或装饰作用的一些部件,以及具有某种功能的车外附件。主要外装件有:前、后保险杠;各种车身外部装饰条;密封条;车外后视镜;散热器罩;车门机构及附件等。
前、后保险杠的作用是当轿车发生纵向碰撞时起一定的保护作用,减轻汽车的破坏程度;二是起装饰作用。因此,轿车前、后保险杠的外部造型应与轿车的整体造型协调一致。
密封条除了起密封作用外,其外露部分的形状与颜色应与整车相匹配,起装饰作用。
其他外装件除了完成车身应具有的功能外,都应对整车起装饰和点缀的作用。
(3)车身内装件车身内装件是指车内对人体起保护作用且有内装饰作用的部件,以及具有某种功能的车内附件。主要内装件有:仪表板;座椅及安全带、安全气囊;遮阳板;车内后视镜;车门、地板及轿车内饰等。
(4)车身电气附件
车身电气附件指除用于轿车底盘以外的所有电气及电子装置;如:各种仪表及开关;前照灯、尾灯、指示灯、雾灯、照明灯;音响及收视装置及设备;空调装置;刮水器;洗涤器;除霜装置;以及只有某些功能的电气、电子装置,例如全球定位系统(GPS)、集成安全系统(ISS)等。
(5)车身零部件的名词及定义
参见汽车行业标准《QC/T514—1999轿车车身名词术语》。
4.轿车车身的分类
(1)按发动机位置及驱动方式分
在现代轿车中,发动机及传动系的驱动方式主要有以下几种布置形式,如图27所示。
注:中置发动机前驱或后驱车型少见,多用于赛车上,因此传动布置示意图中未录。
(2)按外形分
现代轿车车型较多,但就轿车车身的外形分类可分为:阶梯式、短背式、斜背式、平背式四种。
(1)阶梯式车身有明显的发动机室、乘客室、行李厢,车身顶盖与后车身部呈折线连接。
(2)短背式车身的特点是后窗与行李厢盖为一整体的后部车门,车身顶盖向后延伸与车身后部也成折线。
(3)斜背式车身的特点是后风窗与行李厢连接线近似平直线,车身形状呈流线型,能较好地满足空气动力学的要求。如图210所示。
(4)平背式车身的后背近似于直线,多用于越野车或其他有特种用途的汽车。
(3)按承载方式分
按承载方式可分为承载式、半承载式和非承载式。
5.非承载式轿车结构
如前所述,非承载式车身是由坚固的车架作为汽车的底座,车身和汽车所有的零部件、总成等都安装固定在车架上。所以车架必须具有足够的强度和刚度,既能保证车辆其他总成的安装定位要求,在车辆正常行驶时保持其正确的安装位置,又能保证在发生碰撞事故时承受足够的冲击力,保证车上人员和主要总成部件的安全。在对这类车身进行修理时,车架往往是最重要的部位。
现代车辆的车架通常采用U形截面梁或盒型截面梁结构来增强其强度,形车架截面(左)和盒型车架截面示。在材料上多采用高强度钢。常见车架多为边梁式结构,即车架的主体是两根沿车身方向纵向排列的侧梁,两侧梁之间辅以横梁。横梁用来加强车架并作为车轮、发动机和悬架系统的支撑。车架上与车身和其他总成相应的安装位置都设计有各种支架、托架或打孔等用于安装这些总成和零部件。
大多数的轿车车架中部比较宽,前、后部较窄,称为“框式车架”。
宽阔的中部可以为汽车提供更好的支撑,而前部较窄则便于车辆的行驶转向,后部窄一些可以为后轮留出安装空间,使车身的总体高度得以降低。如图215所示是装有中心车架横梁的框式车架,该车架的特点是在地板构件的内边有一个中心横梁(中心车架梁),因此其抵抗侧向撞击的能力更强。在前轮的后面和后轮的前面的扭力箱结构(图示中的黑色部分)可以更好地吸收车辆行驶时产生的震动,使乘坐更加舒适,同时在车辆发生纵向撞击时,扭力箱结构可以更好地吸收碰撞能量。大多数的非承载式车身的车架都采用这种形式。
非承载式车辆的车身基本上可以分为前部车身和主车身两部分。前部车身的组成有散热器支架、前翼子板和前挡泥板等,如图216所示,这些部件通常用螺栓固定在一起,易于分解。散热器支架是由上下支架和左右支架焊接在一起的单体结构。有些非承载式车身的前翼子板安装与承载式车身的前翼子板安装稍有区别,其上边的内部和后端采用点焊连接,而非螺栓连接,这样做既可以加强翼子板的刚度和强度,又可以与前挡泥板一起来降低传动到驾驶室的震动和噪音,还有助于抵抗侧向的撞击,保护悬架系统和发动机等部件总成。该种车身的前翼子板的内板(挡泥板)结构与承载式车身也不同,因为非承载式车身的前悬架是安装在车架梁上,所以它只是一个起密封隔尘作用的挡板,结构要简单得多。而承载式车身的翼子板内板兼为前悬架的安装支撑,其结构和受力等要复杂许多。
主车身由前围板、下车身、顶板和车身侧板等组成,形成驾驶室和后备箱,其结构与承载式车身相似,前围板由左右前车身立柱(A柱)、内板、外板和前盖板等组成,它将发动机舱和驾驶室分隔开。下车身主要是主车身地板和后备箱地板,在主车身地板上纵贯一传动轴槽,形成一个槽型截面通道,这对加强车身纵向的强度很有帮助。在主车身地板的下面一般有横向的加强横梁,加强横梁与主车身地板焊接在一起,再连接到车架,这样使乘坐室、顶边梁、车门和车身的侧面强度得到加强。主车身的顶板和侧板结构与承载式车身基本一致,其结构将在承载式车身结构中加以介绍。
6.承载式轿车结构
(1)现代承载式轿车防碰撞功能
承载式车身没有单独的车架,车身结构件与覆盖件都采用焊接的形式连接在一起,这种设计有助于在发生碰撞事故时保护车内的成员。
承载式车身与非承载式车身的安全性意义是有区别的,用重型低碳钢制成的车架依靠其弧度和刚度抵抗、减弱和限制碰撞损伤,从而起到保护车内成员的作用,碰撞损伤也常局限于碰撞部位周围;而承载式车身依靠全车身的构件和覆盖件整体承受碰撞力,其刚性较大的构件可以将碰撞力传递和分散到车身的各个部位,再由各个部位分别吸收撞击能量。这种结构可能会引起远离碰撞点的车身部件发生损伤变形,因此,在进行承载式车身的检查和修复作业时,要特别注意整个车身总体结构尺寸的变化和各个主要部件的连接状况。
碰撞吸能区是承载式车身中特意做得比较薄弱的区域,以便在碰撞中溃缩。碰撞吸能区对连带损坏有一些控制作用,并使乘客室更加安全,因为它们被设计成按照预定的方式溃缩。
箭头表明了在承载式车身中能量是如何分散开的。吸能区是用于在高速碰撞中减缓乘客室冲击的前、后段。厚重的箱形立柱和车门梁件用来避免在侧面碰撞中乘客室被侵入变形。
一般将汽车分为前、中、后三部分,这三部分刚度是分级的,中部乘客室刚度最高,前部发动机室、后部行李厢室,具有较大的韧性。一般汽车正面碰撞试验(50km/h),前部压缩30%~40%,而中部仅收缩1%~2%。
吸能区的特征主要表现如下形式:截面突然变窄、截面突然弯曲、梁上有孔洞(非安装孔)、折皱的设计等。维修时,吸能区不能被加强,不能被分割,最好整体更换。
(2)前置发动机前轮驱动(FF)轿车车身结构
前置发动机前轮驱动(FF)轿车车身典型结构。
(1)发动机支撑方式:
a.副车架式。副车架不是和车身焊接成一体,而是用螺栓固定的方式安装在车身上。因为将发动机悬架系统、传动桥、转向系统固定于副梁上,上述机构所产生的振动不会直接传递到车身,这种方式的静肃性优于其他固定方式。例如在凌志ES300等中高档车辆应用较多。
b.中间梁式。如图222所示,中间梁是安装于发动机中央的下方,和发动机成垂直角,是用来固定发动机前后方的支座,而发动机的左右方向则是以前侧梁来固定。目前从COROLLA等级到CRMRY等级的部分车辆都采用中间梁式。
c.直接固定式。如图223所示,直接固定式取代副梁式和中间梁式,将发动机直接固定于加强梁上,如:前横梁、前侧梁、方向机齿轮箱支撑梁。目前,STARLET到TERCEL等级的小型车都采用此种方式。
(2)FF车辆前车身结构。承载式车身的车身前部结构形式和刚度非常关键。车身的前部不仅装有前悬架部件和转向操纵装置,而且装有车辆的动力系统发动机、变速器、驱动轴等。另外,当汽车受到正向冲击时,也靠前车身来有效地吸收冲击能量。因此,车身前部受力相当复杂。要保证车辆的正常行驶,前部车身在构造上不仅要求合理的布置,也要确保足够的强度、刚度,对位置准确度和耐久性、可靠性的要求也十分严格。
前车身主要由翼子板、前侧梁、前围板、散热器支架、发动机罩和前保险杠等构件组成,这些部件除发动机罩、前翼子板和保险杠采用螺栓连接以外,其他部件多采用焊接以加强车身的强度。
前轮驱动和后轮驱动汽车的前悬架几乎是相同的,两种汽车都使用滑柱式独立前悬架,前车身的精度对前轮定位有直接影响,在完成前车身修理后,一定要检查前轮的定位。
副梁式前车身结构中间梁式和直接固定式。
发动机罩由内、外板组合而成,外板为空间曲面板,其外表形状与整车造型协调一致,体现轿车的外形特征。内板由薄钢板经整体拉延后成形,内板筋条网格布置,凸筋的布局既增加美感、提高刚度,又考虑到它们在发动机罩上的位置避让,诸如铰链、锁机构等零件的需要。