1.2.5 车身性能要求

如前所述，目前车身主要有两种结构形式，承载式车身与非承载式车身。无论哪种结构，车身都需要同时满足刚度、强度、振动、噪声、安全、空气动力、密封、防腐、操纵稳定性和舒适性等多项性能要求。这些性能要求应该贯穿整车车身结构的设计过程。车身基本性能要求如下：

1. 被动安全性要求

被动安全性要求是车身设计的关键性能之一。被动安全性要求除了对驾驶人和乘员的保护之外，目前也逐步加大对行人的保护要求。对此，各国都建立了相应的汽车安全强制法规。在我国，车身的碰撞安全必须满足下列标准的规定：

① “乘用车正面碰撞的乘员保护”应符合GB 11551的规定。

② “乘用车侧面碰撞的乘员保护”应符合GB 20071的规定。

③ “乘用车正面偏置碰撞的乘员保护”按GB 20913的规定。

④ “汽车安全带安装固定点”应符合GB 14167的规定。

⑤ “侧门强度”应符合GB 15743的规定。

⑥ “汽车前、后端保护装置”应符合GB 17354的规定。

另外，NCAP（New Car Assessment Program）新车评价规程也促进了汽车被动安全性能的提升。NCAP最早始于美国，1978年USNCAP提出5星评价方法，用于在正面碰撞中评价汽车保护车内乘员的性能。全球NCAP评价程序包括ANCAP（澳大利亚）、EuroNCAP（欧洲）、USNCAP（美国）、IIHS（美国保险组织）、CNCAP（中国）、JNCAP（日本）、KNCAP（韩国）、LATINNCAP（拉丁美洲）、ASEANNCAP（东南亚）。在所有的NCAP机构中，EuroNCAP的影响力较大。NCAP具体内容大致包括两方面，即正面碰撞和侧面碰撞。碰撞测试的内容，各个国家所采用的标准不同，美国40%ODB正面碰撞速度为64km/h，侧面碰撞速度为50km/h，我国正面100%刚性壁碰撞速度为50km/h，40%ODB正面碰撞速度为64km/h，侧碰速度为50km/h。进入不同的汽车市场，一般需要按不同国家/地区要求进行NCAP测试，并用星级进行安全性评价。

基于车身被动安全性要求，需要对车身碰撞传力路径进行合理设计。对车身变形区域进行合理划分和设置，如图1-20所示。

一般，需要在汽车开发过程中对车身碰撞力传递路径进行优化，使车身具有合理的抗撞性能。优化后的车身结构件布置使车身成为一个连续完整的受力系统并有合理的载荷路径。主要承受载荷的车身骨架，设计时需要考虑截面形状、受力方向、力的传递路径以及力矩的作用位置等。通常，当外力作用于白车身某一部位时，白车身的所有骨架构件都将不同程度地受到载荷作用，呈现为最佳承载结构。

随着汽车车型更新和安全性要求更加严苛，车身的碰撞路径需要不断迭代优化。比如本田飞度（FIT）汽车，其几代车型开发中，对车身碰撞路径进行逐代优化，如图1-21所示。

2. 车身刚度要求

车身刚度是车身设计最重要的指标之一，也是决定汽车品质和性能的重要指标。车身刚度包括车身静刚度（车身弯曲刚度、扭转刚度和局部刚度等）以及车身动刚度（模态特征、传递特性等）。车身刚度最终影响汽车的NVH性能和车身结构耐久性。

一般，白车身的固有频率要求满足一阶扭转模态达到33～35Hz，一阶弯曲模态达到38～40 Hz。对于纯电动车，固有模态指标会进行相应的修正。刚度目标设定则需要考虑车型定位、竞品车分析等相关信息。

在车型开发过程中，车身模态分布和NVH目标贯穿了整个开发过程。白车身的静态弯曲和扭转刚度的目标值设定非常重要，直接影响到整车NVH性能，并会影响碰撞安全、操控性能、可靠性能以及成本等。在车型开发初期，主要工作是对标测试和分析，研究竞品车车身的NVH特征，设定车身NVH目标。在车型项目开发中期，进行车身的CAE优化以及数模检查、白车身测试以及声学包结构设计与分析。在车型开发后期，进行白车身和内饰车身的气密性检测、车身模态等测试和分析验证。

车身框架由车身结构件组成，其刚度由组成车身框架的梁的刚度和连接接头的刚度共同决定，而车身框架刚度决定了车身的模态振型和频率。框架式车身其他部件的支撑结构，如车门、车身板、前舱盖、行李舱盖等开闭件，以及其他各种结构附件，如转向管柱梁、仪表板、座椅、后视镜等，都安装在车身框架上。

3. 车身的疲劳耐久要求

在汽车行驶过程中，车身结构通常会受到交变载荷的作用，经过一定的时间，一些零部件会出现裂纹，甚至发生断裂等疲劳失效，严重影响整车安全。据统计，汽车90% 以上的零部件损坏都属于疲劳失效。耐久性试验一直是疲劳或耐久性能评估的主要手段，但是通过试验来发现问题，成本往往非常高。为确保车身结构在规定的使用期内不会发生疲劳破坏，在车身设计阶段必须对车身结构进行疲劳分析，对样车进行相应的疲劳强化测试。汽车的疲劳耐久性设计是主机厂必须掌握的整车性能开发技术。

在交变载荷作用下工作的零件或者构件，如果仅按照静载荷去设计和校核，在使用过程中往往会发生突然破坏，具有很大的危险性。疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状和尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。造成疲劳破坏的重复变化载荷，称为疲劳载荷，分为三类，第一类是载荷幅值基本不变的等幅载荷或常幅载荷，第二类是载荷幅值按一定规律变化的阶梯载荷，第三类是载荷幅值随机任意变化的随机载荷。汽车行驶中常遇到的是随机载荷。

材料或构件疲劳性能的好坏用疲劳强度来衡量，即材料或构件在交变载荷作用下的强度。疲劳强度的大小用疲劳极限来衡量，即材料或构件可以承受无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。一般，疲劳耐久分析采用CAE分析软件，如nCode、Msc.fatigue、FE-Safe等。

在车身上，一般可进行白车身焊点疲劳的模拟分析，图1-22是采用nCode计算得到的某车型的车身焊点疲劳寿命分布图。

4. 车身轻量化要求

轻量化的首要目的是节能减排。另外，车身减重可以减少底盘系统负重，从而可进行底盘等系统的轻量化设计，具有轻量化二次效应。

随着汽车车身技术的不断发展，车身结构的合理优化布置以及轻质车身材料的应用，是目前车身轻量化设计的主流。每年在德国巴特瑙海姆都会举办欧洲车身会议，对国际上最先进的车身设计和制造技术进行交流。通常采用白车身轻量化系数（ L ）来评估其轻量化水平，图1-23是计算白车身轻量化系数（ L ）的示意图， L 越低，则轻量化水平越高。 L 的计算公式为

式中， m 为白车身重量（kg）； C _t 为白车身扭转刚度[N·m/（°）]； A 为平均轮距×轴距（m ² ）。

从欧洲车身会议发布的平均白车身系数随时间的发展趋势中可以看到，白车身的轻量化技术在逐步提升，车身的轻量化系数逐渐降低。

目前，车身轻量化主要考虑通过有限元分析和结构优化设计进行车身结构的设计优化，同时，积极采用高强度钢板减薄以及铝合金、碳纤维增强复合材料等轻质材料进行车身轻量化设计。图1-24是奥迪Q7的钢铝混合车身，图1-25是路虎（Range Rover）的全铝车身，图1-26是宝马i3的碳纤维车身。这三种典型车身是不同车身结构形式和用材的典型代表。目前车身用材的发展趋势是多材料混合应用，即合适材料用在车身合适的位置。

5. 车身防腐要求

现代轿车车身主要由钢板冲压焊接而成，钢板强度高且易加工，但是容易生锈。钢板锈蚀会导致车身外观劣化，同时会降低车身强度，恶化车身性能。防腐是目前钢制车身必须要考虑的问题。不同主机厂对整车防腐要求有不同的设计目标，同时按照车身位置不同，防腐指标要求也不同。钢制白车身加开闭件都要进行涂装，在钢制零部件表面覆盖电泳涂层，达到防腐设计要求。

车身防腐设计主要包括三个方面：①在车身结构设计时布置适当的电泳孔和排气孔，使电泳液进入到车身结构中，并排出车身结构内部空气，使车身均匀涂覆电泳液，达到防腐目的。②在前舱盖、车门和行李舱盖的内外板接合处卷边，并填充密封胶或者黏接剂，封住端面。③车身底部喷涂PVC底漆，形成较厚的防沙石损伤涂层。

6. 人机与总布置要求

车身总布置在整车总布置的基础上进行，在车身总布置设计过程中需充分考虑人机工程学要求，保证不同用车人群的乘坐舒适性、视野、安全性、操纵性以及上下车方便性等。人机与总布置要求主要内容包括驾驶人座椅布置、驾驶人眼椭圆和头廓包络设计、驾驶人视野设计，以及乘员头部空间和轿车顶盖布置等。