车身是汽车重要的组成部分,是汽车四大总成之一。其基本功能是将汽车各组成部件集成连接在一起形成一个整体,并为乘员或物品提供容纳空间,如图1-1所示。车身对整车的动力性、燃油经济性、行驶平顺性、操纵稳定性以及空气动力学等性能起着至关重要的作用。车身结构开发涉及材料、制造工艺、结构设计等诸多领域,其开发水平是汽车企业的核心竞争力之一,也体现一个国家的工业水平和完备程度。
图1-1 典型白车身结构
汽车车身有多种结构形式,按照承载方式的不同,可将汽车车身分为非承载式车身与承载式车身,如图1-2所示,以及介于两者之间的半承载式车身。
图1-2 车身结构形式
1. 非承载式车身
具有非承载式车身(图1-2a)的汽车一般含有刚性车架,车身、动力总成与油箱(燃油车)/动力电池(电动车)、车桥与悬架等总成安装在车架上。其中,车身一般通过柔性衬垫与车架连接。此时,由于车身对整车承载贡献率较小,可以认为车身仅仅起到安装与容纳功能,不参与整车承载。这里的刚性车架并非是完全刚性的,车身还是要受到通过车架的安装结构传递的载荷。由于车架刚度较大且远远大于车身刚度,使得相对于车架,车身承受的整车载荷较小。
图1-3是具有车架的非承载式车身主体与车架。发动机、传动系、行驶系、转向系和其他底盘附件等牢固地安装在车架上,车身通过悬置与车架连接。作用在汽车上的载荷主要由车架来承担,车身承载的载荷较小。BJ80越野车就是采用非承载式车身。
(1)非承载式车身结构的优点
1)非承载式车身结构由于具有刚强度较大的车架结构,能承受更大的负载,同时也可承受更大的来自路面的载荷,因此具有非承载式车身结构的汽车一般承载能力和通过性更好。
2)动力总成、悬架等总成安装在刚度较大的车架上,车架则一般通过柔性橡胶衬套与各总成连接。这样,车架起到了隔离来自发动机与路面激励的作用,此两者均是汽车的主要激振源。车架在一定程度上提高了乘坐舒适性。另外,车架的存在减小了车身所承载的力,也起到延长车身使用寿命的作用。
图1-3 非承载式车身结构示意图
3)车架是汽车承载能力的基础,车身相对独立地安装在车架上,便于生产过程中的装配工序和使用过程中的维修处理。车身的这种独立性,使得车型的衍生变得更加容易,根据需要对车身进行适当变形,即可得到不同车型,丰富了产品系列,满足了市场的不同需求。
(2)非承载式车身的缺点
1)由于车身不参与整车承载,仅车架承受整车载荷,无法形成空间框架的承载结构,如需保证车架强度、刚度和整车承载能力,车架的质量往往会非常大,不利于整车轻量化。
2)车身下方安装有刚性车架,不利于整车布置与空间的有效利用。
小结 大中型商用车由于承载性能需求较大,或者由于功能需求使得车身无法形成封闭腔体,往往采用非承载式车身;对于中高级乘用车,其发动机重量大、轴距较长、附加设备多,整车整备质量相应增大,此时也常采用非承载式的车身形式。总的来讲,鉴于非承载式车身的车辆具有上述利弊,此类车身常见于中大型车辆。
2 . 承载式车身
承载式车身(图1-2b)则无刚性车架,车身是由下车体的前后纵梁、门槛梁、若干横梁,以及从上车体的A柱到D柱、上边梁和顶盖横梁等腔体结构梁组成的框架式结构,并与钣金覆盖件焊接组成有机整体。发动机与底盘零件、备胎以及其他相关附件直接安装在车身上,此时,车身除了具有安装和容纳功能外,还是整车的主要承载结构。
承载式车身没有刚度和强度较高的车架,是由车身结构承受所有的整车载荷。为了满足整车操纵稳定性、基本NVH 性能与行驶平顺性的要求,车身结构必须达到更高的刚度与强度性能指标。并且在发动机、底盘零件的安装位置还应做相应的加强结构以提高这些位置的耐久性。因此,在车身结构设计上承载式车身应比非承载式车身更强,承载式车身可以看成车架与非承载式车身稳固焊接在一起的整体。
(1)承载式车身结构的优点
1)车身本身形成完整的框架式承载结构,可充分利用三维承载空间,提高承载效率。从结构设计上来看,有利于集成式结构设计开发,将车身框架结构设计成多环状的封闭空间布置形式,可进一步提高承载效率,图1-4所示为某轿车的笼式车身结构设计,能最大限度地利用材料使之充分承受来自外部扭转、弯曲及其组合载荷,达到轻量化的目的。由于省去了重量较大的车架,汽车轻量化程度大大提高,相应总体成本更低。
图1-4 某轿车笼式车身结构设计
2)由于没有车架占用底盘空间,整车空间利用率相应提升,因此在相同整车尺寸条件下,承载式车身室内空间可以设计得更大,地板高度可以更低,同尺寸条件下进出性更好。
(2)承载式车身的缺点
承载式车身结构主要采用冲压件点焊拼接而成,零件较多,不适合用于长轴距重载的车型。车身与发动机和悬架直接相连,路面和发动机激励更容易传递到车身上产生影响乘坐舒适性的噪声与振动。为降低这种影响,车身需进行更合理的结构设计,并增加隔振、减振材料,这在一定程度上增加了开发成本。
基于轻量化与空间利用率的考虑,此类车身常见于中小型乘用车。
3. 半承载式车身结构
半承载式车身结构是一种过渡性的车身结构形式,这种车身还是安装在车架上,但是车架刚度较非承载式车身的车架刚度小,车身参与承载的程度较非承载式车身高。这类车身可见于部分大客车结构中。