作者：吴云溪 卞青青
出版社：电子工业出版社
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汽车车身修复技术试读：
前言
为贯彻《国务院关于加快发展现代职业教育的决定》精神，深化职业教育教学改革，推进课程体系改革和教材建设，以适应经济发展、产业升级和技术进步，培养服务区域发展的技术技能人才，广东科学技术职业学院组织汽车专业骨干教师及相关企业专家共同编写了《汽车车身修复技术》教材。
目前，懂得汽车车身修复新技术、新工艺、新设备、新材料，具有质量意识、安全意识，已经成为事故汽车修复技术技能型人才必须具备的能力。
本书参照事故汽车修复领域职业岗位群的理论知识要求和技能要求，以事故汽车维修工作过程为主线，并引进国际先进的汽车碰撞修复技术，内容包括汽车车身结构、汽车材料及性能、汽车车身板件的修理、车身测量与检验、事故汽车碰撞损伤分析与评估、车身结构件变形的校正、车身钣金件的切割与更换、汽车车身修复车间危险源辨识及风险控制，共8个项目。每个项目设置若干任务，每个任务的工作内容相对独立，按照认知规律设计为任务分析、相关知识、任务实施3个步骤进行学习和训练。
本书由广东科学技术职业学院吴云溪、卞青青任主编，参加编写的人员有吴云溪（项目三、项目六、项目八）、卞青青（项目一、项目二）、文有华（项目四）、赖建生（项目五）、叶玉春（项目七），其他编写人员为于海东、陈海波、周景良、刘家昌、吴杰、黄园园、曾淑琴、曾瑶瑶。
本书可供中、高等职业院校汽车整形技术专业、汽车车身修复专业、汽车运用与维修专业教学使用，也可作为事故汽车修复人员的岗位培训教材或自学用书。
本书编写过程中，得到珠海市龙神有限公司、卡尔拉得优胜汽车修复系统（北京）有限公司的技术支持，在此表示感谢。对本书所参阅和引用文献资料的作者表示诚挚的谢意。
由于编者水平有限，错误和疏漏之处在所难免，望读者批评、指正。
编者
2014年10月28日项目一 汽车车身结构任务一 汽车车身结构工艺、性能及类型一、任务分析
汽车车身结构作为汽车的基本骨架，是汽车中最大的部件，它决定着汽车的基本形状、大小，甚至是用途。由于事故而造成汽车损坏时，如果车身无法修复，该车己达到报废的程度。所以对车身的制造工艺、车身抗碰撞性能、车身强度及刚度等方面都要有相应的规定。
车身结构包括车身壳体、车前板制件、车门、车窗、车身外部装饰件和内部覆饰件等，它对整车的安全性、舒适性及操纵性有着重要的影响，同时汽车的个性化也是通过车身制造工艺表现出来的。二、相关知识
1.车身制造工艺
在车身制造中共有四大工艺，即冲压、焊装、涂装和总装。冲压工艺是指将钢板冲压成车身板件；焊接则是指将冲压成形的车身板件焊接在一起，最后要焊接成一个车身主体及车门、发动机盖、行李箱盖等；涂装工艺则是指对车身钣件进行防锈处理、喷涂漆等；最后一道工艺就是将涂装后的车身与底盘总装成整车。（1）车身的冲压工艺
①车身冲压概述
例如车身上的各种覆盖件、车内撑件、结构加强件，还有大量的汽车零部件，如发动机的排气弯管及消声器、空心凸轮轴、油底壳、发动机支架、框架结构件、横纵梁等都是经冲压成形的，冲压工件的制造工艺水平及质量，在较大程度上对汽车制造质量和成本有直接的影响。
所谓冲压工艺性是指冲压件对工艺品的适应性，即所设计的冲压件在尺寸大小、尺寸精度与基准、结构形状上符合冲压加工的工艺要求，汽车冲压件都应具有良好的工艺品性和经济性，衡量其水平的重要标志有冲压件的工序数、车身总成的分块数量和尺寸大小、冲压件的结构等因素。
②冲压工艺术语
冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。分离工序也称冲裁，其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量要求。成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形，制成所需形状和尺寸的工件。成形工序主要包括拉深、弯曲、翻边、旋压等。
●分离工序
·冲裁：冲裁是利用冲模使部分材料或工（序）件与另一部分材料、工（序）件或废料分离的一种冲压工序。
冲裁是切断、落料、冲孔、冲缺、冲槽、切边、切舌、切开、整修等分离工序的总称。
切开是将材料沿敞开轮廓局部而不是完全分离的一种冲压工序。被切开而分离的材料位于或基本位于分离前所处的平面上。
●成形工序
·拉深：拉深是将平直毛坯或工（序）件变为空心件，或者把空心件进一步改变形状和尺寸的一种冲压工序。
经多次拉深工序所得的筒形件，由第二道拉深工序开始，目前有正、反拉深两种方法。正、反拉深的差别在于凸模对毛坯的作用方向正好相反。反拉深是凸模从毛坯的底部反向压下，并使毛坯表面翻转，内表面成为外表面后直径缩小的加工方法。
反拉深特点：
·反拉深材料流动的方向与正拉深相反，有利于相互抵消拉深过程中形成的残余应力。
·反拉深时，材料弯曲与反弯曲的次数较少，冷作硬化也少，有利于成形。正拉深中，位于压料圆圈角部的材料，流向凹模圆角时，内圆弧形成了外圆弧。而在反拉深中，位于内圆弧的材料处在流动中，始终处于内圆弧的位置。
·反拉深将原有的外表面内翻。原有的外表面拉深的划痕将不影响外观。
·反拉深坯料与凹模接触面较正拉深大，材料流动阻力也大，因为一般可不用压料圈。但坯料外圈流经凹模入口圆角时，阻力已明显减少，故大直径薄料拉深仍需要压料，以免起皱。
·反拉深的拉深力比正拉深拉深力大20%左右。
·反拉深坯料内径D套在凹模外面，工件d通过凹模内孔。故凹12模壁厚不能超过1/2（D-d），即反拉深系数不能太大，太大则凹模12壁厚过薄，强度不足。另外，凹模圆角半径不能大于1/4（D-d）。12
·弯曲：利用压力使材料产生塑性变形，从而弯曲成一定曲率、一定角度的形状的冲压工序。
·翻边：是沿外形曲线周围将材料翻成侧立短边的一种工序。
③冲压工艺特点
冲压是在常温下，利用冲压设备上模具对板料施加压力，使板料在模具内产生分离或变形，成为一定形状、尺寸和性能零件的金属加工方法。
工艺设备操作简便，生产率高，便于实现机械化与自动化。冲压可以获得其他加工方法不能制造或难以制造的形状复杂的零件。
④车身冲压设备
●冲压设备的类型
冲压设备的类型很多，常见的类型如图1-1所示。比较常用的是曲柄压力机。图1-1 冲压设备的类型
●曲柄压力机
曲柄压力机是冲压生产中应用最广泛的一种机械压力机，其结构简单，使用方便，动作平稳，工作可靠，在挤压、模锻和粉末冶金等工艺中也广泛应用。曲柄压力机组成如图1-2所示。曲柄压力机由曲柄、连杆和滑块等组成，电动机通过小齿轮、大齿轮及离合器将运动传递给曲柄，曲柄的回转运动通过连杆变成滑块的上下往复直线运动。
●液压机
液压机工作平稳，压力大，操作空间大，设备结构简单。液压机广泛应用于拉深、成形工艺。液压机实物如图1-3所示。图1-2 曲柄压力机组成图1-3 液压机
⑤车身冲压工艺
●冲压工艺的特点
冲压是一种金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料施加压力，使板料产生塑性变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件（冲件）。
●冲压基本工序
冲裁：使板料实现分离的工序（包括冲孔、落料、修边、剖切等）。
弯曲：将板料沿弯曲线呈一定的角度和形状的冲压工序。
拉深：将平面板料变成各种开口空心零件，或把空心件的形状、尺寸做进一步改变的冲压工序。
局部成形：用各种不同性质的局部变形来改变毛坯或冲压成形工序（包括翻边、胀形、校平和整形工序等）。
●冲压工艺流程如图1-4所示。（2）车身的涂装工艺
车身的涂装工艺一般指对白车身进行的涂装工艺，主要包括表面预处理（表面清理和磷化处理）、电泳涂底涂层、涂密封胶和防声绝热浆、涂中间层和涂面涂层等几大工艺过程。其中车身涂装工艺的主要内容是电泳涂底涂层和涂装线上机械化的生产过程。图1-4 冲压工艺流程
在进行电泳涂底涂层时，要考虑液体的充分流动，因此需要在白车身的某些部位开设一些工艺孔，以保证在电泳过程中，液体的充分浸泡和及时排出；在涂装线的各种工艺传输过程中，要考虑白车身的夹持和保持。目前，现代化的涂装线一般采用多功能穿梭机，在穿梭机上安装吊具与滑橇，实现吊具和滑橇间的自动转挂。因此，在白车身设计时要考虑吊装和翻转时的强度要求和定位要求。（3）车身的焊接工艺
焊接是白车身生产过程中最重要的工艺，主要焊接工艺有电阻点焊、惰性气体保护焊和钎焊等，其中以电阻点焊最为普遍。
电阻点焊工艺适用于厚度为0.5～4.0mm的无镀层低合金金属材料钢板（碳的质量分数一般小于0.15%），两构件的金属材料钢板厚度比一般不超过2.5∶1，特殊情况可以达到3∶1；在车身结构设计过程中，要尽可能避免厚度比大于2.5的两构件间的搭接电阻点焊，由于点焊工艺的特点，车身结构设计过程中要尽可能避免三层金属构件板焊接，禁止四层板焊接。
汽车车身在生产制造过程中机械化程度是很高的，其中采用电阻点焊焊接车身构件的最多，但在汽车车身修复过程中一般都采用手工焊接工艺，主要是惰性气体保护焊和手工电阻电焊。（4）车身的总装工艺
车身装配主要采用模块式装配，除以白车身为主体模块装配以外，还有四大装配模块：车门装配模块、仪表板装配模块、车身内饰装配模块、车身外饰装配模块。
车身产品设计过程中要充分考虑生产过程中的装配工艺要求，包括生产节拍的保证、装配（拆卸）方便性的保证、标准件和装配工具的统筹考虑、工艺装配的要求以及装配过程中的检测要求等。同时，在产品装配工艺设计过程中，要将从设计部门获得的产品设计数据作为工艺设计的基础工艺数据，以装配流程图的方式，直观地描述装配的过程和顺序，并以装配过程为主线，将每一过程所涉及的工艺数据、物料数据、工装数据、工时数据、通用工艺和生产反馈数据等有机地结合在一起、为生产提供完整的指导数据。汽车车身的装配生产线机械化程度较高，因此装配的精度也较高，在汽车车身修复时应尽可能地恢复这些装配要求和精度，这样才能更好地恢复汽车车身构件的功能。
2.车身抗碰撞性能（1）汽车碰撞的形式
汽车碰撞分为五种不同的形式：垂直弯曲、侧弯、皱曲、菱形损坏和扭曲损坏。
①垂直弯曲：当前后碰撞时，汽车会产生垂直弯曲变形，如图1-5（a）所示。
② 侧弯：侧向碰撞时，汽车的前部、中部或后部会向左或向右弯曲，发生侧弯损坏，如图1-5（b）所示。
③皱曲：一般发生在前横梁之后或后轴上部的车架区域，如图1-5（c）所示。
④ 菱形损坏：当汽车的角部受到猛烈撞击时，汽车的一侧发生位移，位其车身和车架不再是方形，而形成一个接近平行四边形的形状，如图1-5（d）所示。
⑤ 扭曲损坏：一般发生在非承载式车身承受很大载荷的车架受到撞击的情况下，这种碰撞使得车架发生翻转，边梁扭曲，超出了水平面，如图1-5（e）所示。图1-5 汽车碰撞的形式（2）汽车被动安全和法规
2003年欧洲行人保护法规2003/102/ECE正式出台，该法规对车辆行人保护方面的性能进行了分阶段的引导要求。2009年根据多年的实际情况，欧洲对行人保护法规进行了修改和调整，推出新法规，即78/2009，欧洲行人保护法规，它的推出及改进是发达国家对行人保护要求的代表。
由中国汽车技术研究中心标准化研究所制定的《汽车对行人的碰撞保护》标准已经由国家质检总局和国家标准委联合发布，并从2010年7月1日起正式批准，成为推荐性国家标准，并已在2013年汽车行人保护法全球法规实施时同步采用。
在法规的制约下，为了提高各自产品的竞争力，各大汽车制造商和一些研究机构纷纷投入专门的技术人员和最先进的计算机设备从事行人安全保护的试验、模拟、分析工作。
①安生标准与法规
我国汽车强制性标准体系主要参考欧洲ECE/EEC法规体系，表1-1中，新颁布的国家强制标准GB 20071《汽车侧面碰撞的乘员保护》和GB 20072《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》已于2006年1月18日批准发布，并于2006年7月1日开始实施。表1-1 国家安全标准
②新车评价规程
新车评价规程的主要目的是准确和全面地为消费者提供汽车安全性能的信息，以帮助他们做出购车决定。其特点是执行机构的中立性质，试验内容更严格和全面，对试验结果的评定更加严格、细化和公正。
汽车碰撞以后，受到反作用力，板件发生弹性变形。为了保证乘员的安全，汽车碰撞后车门应能顺利地打开。汽车在碰撞以后.汽车的安全气囊应能顺利打开。（3）车身抗撞性能设计要求和规定
①车身抗撞性能设计要求
●正面碰撞
确保乘客生存空间，减小乘客舱变形和对乘客舱的侵入。
减小车身速度。
碰撞过程中车门不能打开，碰撞后可以不使用工具打开车门。
●侧面碰撞
抗侧面碰撞设计应当以减小乘客侵入，维持乘客生存空间为重点。
减小侧围结构对乘客舱的侵入量，防止侵入量过大时对乘客的挤压伤害。
减小侧围结构对乘客舱的侵入速度，特别是与乘客接触时车门的速度，减轻对乘客的撞击力。
碰撞过程中车门不能打开，碰撞后可以不使用工具打开非碰撞侧的车门。
●后面碰撞
减小乘客舱变形，通常用后排座位R点的前移量来衡量。减小碰撞中车身的减速度，减轻乘客鞭梢性伤害。
在碰撞中维持油箱的存放空间，减小对油箱、油路的挤压。
●翻滚
汽车翻滚的变形如图1-6所示。图1-6 汽车翻滚的变形
减少乘员舱的变形量，特别是车顶的变形。
要求碰撞过程中车门不能打开，但是碰撞后可以不使用工具即可打开车门。
●低速碰撞
主要避免汽车重要部件的损坏，减少因撞车带来的维修费用。
要求设置低速碰撞吸能区，使低速碰撞车辆的动能主要通过低速碰撞吸能区的变形被吸收，并尽量不使低速度碰撞吸能区后部的车身主要结构发生永久变形。
●行人保护
车身结构设计时应将相关部件的刚度设计得软一些，以缓冲对人体的撞击。
在行人保护措施中，应防止车外凸出物对行人的伤害。
②车身抗撞性能设计规定
●碰撞后，通过座椅R点的横向平面与通过仪表板最后边投影线的横向平面间的距离不小于450mm。
●碰撞后，通过座椅R点的横向平面与通过制动踏板重心的横向平面间的距离不小于650mm。
●放脚位置空间的左右隔板间的距离不小于250mm。
●汽车地板与顶棚的距离减少量不超过10%。
●碰撞过程中车门被不能撞开。
●碰撞后，侧门应能不使用工具被打开。（4）车身抗撞件设计内容
车身抗撞性设计的核心内容就是合理组织车身结构各部分的刚度，因此，可以将车身抗撞性设计的主要内容分为三个方面：车身结构刚度组织、车身结构刚性设计、车身结构吸能设计。具体内容如下。
①车身各个部位的构件的设计
●正面碰撞的刚度设计要求
通过撞击缓冲原理可知，将车身前部结构刚性设计得小一些，同时将乘员舱的刚性设计得大一些，在碰撞中，汽车动能大部分通过前部结构的塑性变形转化为车身结构的应变能，一方面可以减小对乘员舱的作用力，降低在同样条件下对乘员舱刚性的要求；另一方面，可以减小车身速度，为此，需要合理组织车身前部结构和乘员舱的刚性。
·吸能的组织图1-7 车身构件的吸能情况
图1-7所示的是某轿车正面碰撞中前部主要结构的吸能情况，由图看出，乘员舱前部的纵粱（包括前端低速碰撞吸能的部分和后端与乘员舱的过渡部分）是主要的吸能部件，在碰撞过程中由它向后传递的碰撞力也最大。多数轿车的情况都与此类似。因此，在进行吸能组织设计时，应充分发挥主要吸能部件的作用，使它们吸收多数的碰撞动能。
·吸能模式与对薄壁梁变形模式的要求
在正面碰撞中，前部结构变形是一种轴向压溃和弯曲的混合模式，但弯曲变形的吸能效率低，作为乘员舱前部的主要吸能部件是纵梁。碰撞吸能区，一般由前部较软的结构、压缩变形区和乘员舱保护区构成。
·乘员舱的刚性设计包括载荷路径分析设计和主要部件设计
载荷路径分析与设计。对于正面碰撞，在设计碰撞载荷向后传递的路径时，应当考虑纵向的梁形结构是乘员舱前部结构的主要吸能部件；在吸收相同碰撞动能的情况下，对后部支撑结构的作用力也大。如果乘员舱某个部位可以承受较大的纵向力，则可以在其前端布置纵向压缩刚度较大的吸能结构或引导纵向压缩力由此向后传递。
在纵向力向后传递时，应尽量通过多个结构对其进行分流，这一方面可以增强对前部传递来的纵向力的支撑能力；另一方面，可以降低对各分支结构刚性的要求。
通常，乘员舱用于向后传递纵向力的主要路径有两条：如图1-8所示。一条是通过乘员舱底部纵梁和门槛梁向后传递，这条路径承受纵向力的能力最大。另一条路径是纵向力经前指梁和铰链柱、A柱、车门及其抗侧撞粱和门槛梁向后传递；此路径上较大的载荷会导致前门框的较大变形，使碰撞后车门开启困难，因此该路径前部结构的吸能能力通常较小。
对主要部件的要求。为了满足为前部吸能结构提供牢固支撑的要求，应将乘员舱刚度设计得大一些，也就是乘员舱与载荷路径相关结构在承受前部传递的载荷时应有较大的刚度。这其中比较重要的是前纵梁与门槛梁间过渡结构的刚度和门槛粱的轴向压缩刚度，还有A柱与铰链柱的接头、A柱上接头和铰链柱下接头承受纵向力的刚度。为了在偏置碰撞中更有效地发挥两侧结构的能图1-8 车身正面撞击力的传递路径
力，采用弯曲刚度较大且端部结构连接刚度大的前风窗下横梁和仪表板安装横梁是有益的。
另外，乘员舱结构刚度不应随着变形的增加而突然减小，因为在碰撞速度更大的时候，需要通过乘员舱变形进一步吸收剩余的碰撞能量。图1-9 车身侧面碰撞的传递路径
●侧面碰撞的刚度设计要求
·侧向撞击的传递
当汽车侧面受到撞击时，车门在侧向撞击力的作用下，产生向车内运动的趋势，这种趋势受到车门框的阻挠，同时，车门框受到车门传递来的侧向力的作用。如果车门内布置了抗侧撞梁，前门受到的侧向撞击力将主要被传递到铰链柱和B柱；后门受到的侧向撞击力将主要被传递到B柱和C柱。图1-9是汽车受到侧向撞击时，侧向力在车身结构中的传递情况。
·载荷路径的设计
为了减小汽车侧面受到撞击后对乘员舱的侵入，在设计侧向撞击力在车身结构中传递的路径时，应注意：乘员舱横向结构对侧向结构向车内的运动或变形起到了重要的抵抗作用；侧围结构自身的刚度对其向车内的运动或变形也起到了重要的作用；车门抗侧撞梁和B柱将侧向撞击力分流给侧围框架，并经乘员舱的横向结构传递到非撞击侧。如何将侧围结构组织成一个刚性的整体，对于减小车门对乘员舱的侵入非常重要。
·对主要部件刚度特性的要求
车门。通过设置抗侧撞梁，可以将车门受到的载荷分散给两侧立柱，减小车门受撞击区域的变形。图1-10为车门中抗侧撞梁的布置。在设计时，应当防止碰撞过程中抗侧撞梁出现受弯失稳。通过对车门铰链和门锁的设计，使车门抗侧撞梁与车身结合为一体。有利于将车门所受的撞击力有效地传给两侧的立体。
B柱。通过前面的分析可知，B柱抵抗向车内弯曲变形的弯曲刚度是非常重要的，希望将这个刚度设计得足够大。另外，由于B柱各截面形状很复杂，在各截面处抵抗弯曲的能力是不同的，其分布也很重要，如果分布不合理，在撞击中B柱会产生受弯失稳，这时的B柱抵抗侧向撞击的能力会急剧下降。汽车侧面受撞击时，通常B柱中段受到的弯矩较大。为防止因局部进入塑性变形阶段而产生塑性变形，通常采取加强措施，图1-11中B柱加强板的作用就在于此。通过分析侧面碰撞中B柱弯矩的分布情况，可以找出B柱上的薄弱环节，并为进一步补强提供依据。图1-10 车门抗侧撞梁图1-11 车身B柱加强板结构
门槛梁。侧撞时门槛梁的变形主要是向车内侧的弯曲变形。为防止这种变形，门槛粱中部受到侧向撞击力后向车内变形的弯曲刚度大小和分布都很重要，这一点与对B柱的要求相似。为了提高门槛梁的弯曲刚度或改变其分布，同样可以使用加强板，也可以采用其他方法，如填充发泡材料等。对车顶边梁的要求与此相似。
接头结构。为了防止出现饺链效应，应当提高接头结构的刚度，以使侧面撞击载荷可以通过接头结构传递给其他主要承载结构。
乘员舱底部横向结构。在侧面碰撞中，乘员舱横向结构对侧围结构起到了支撑的作用，起主要作用的是横向的梁结构，如顶盖横梁、前风窗下横梁、仪表板安装横梁和地板横梁等。从车身结构抗侧面碰撞设计要求的角度，应当提高它们的刚度并防止在受到轴向载荷时发生弯曲失稳。图1-12为某轿车乘员舱主要横向梁结构的布置情况。图1-12 车身横向梁结构布置
●后面碰撞的刚度设计要求
对于低速的后面碰撞，抗撞性设计的主要目的是减少因维修带来的费用，这一点和正面低速碰撞相似，相关内容将在低速碰撞中讲解。当碰撞速度较大时，希望降低车身的减速度以降低乘员舱受伤害的可能，并希望乘员舱的变形小。将后部结构设计得软一些，即通过设置吸能结构缓冲撞击可以实现这些要求，这种措施和正面碰撞相似。为了防止后面碰撞中由于后部结构变形对燃油箱的挤压，通常将燃油箱布置在压缩变形区之外。当车轮参与碰撞时，后轮前面刚度较大的载荷路径开始参与对撞击的抵抗，车身后部结构的压缩一般不再明显增加，所以许多轿车的燃油箱被布置在后轮的前面。
后面碰撞中，撞击力向车前方传递的路径通常主要有两条，如图1-13所示。第一条由后保险杠，经后纵梁传递给门槛梁；第二条由后车轮后部结构，经后车轮传递给门槛梁。对于第一条载荷路径，由于当轮胎参与碰撞后，它与其前面轴向刚度较大的门槛梁接触，导致对撞击的抵抗明显增加，所以碰撞吸能区通常被布置在后轮后部，而将后轮作为变形限制器加以利用。
为了实现轿车轻量化，车身后部长度有变短的趋势。因此，应当提高后部结构吸能的效率。在轿车总体设计时，有时后纵梁前端不得不采用折曲的形状。因此，不仅要控制其能量吸收特性，而且必须控制它的变形模式，防止发生严重的弯曲变形。
●滚翻的刚度设计要求
车顶变形引起乘员生存空间丧失是滚翻事故中乘员伤害的主要原因之一。因此，针对滚翻进行抗撞设计时，减小车顶的变形是设计的重点。
滚翻事故中，车顶与地面接触，在地面的作用下发生变形，车顶的结构受力情况如图1-14所示。车顶受到来自地面的作用主要可分为前、后方向的载荷，侧向载荷和垂直向下载荷，这些载荷都通过车顶立柱及相应接头传递到刚度相对较大的车身底部和前、后围结构。图1-13 车身后面碰撞冲击力传递路径图1-14 车身车顶的结构受力情况
由前面对安全框架的分析可知，为了减小车顶结构在滚翻中的变形，应当通过立柱、车顶边梁、横梁和相应接头结构组成的框架整体抵抗车顶受到的载荷。为此，在车身结构设计中应当注意合理组织框架的结构，将作用在局部的载荷分散给整个框架；合理匹配框架各部分的刚度，防止因应力集中造成失稳而导致这种机制的失效；提高立柱和车顶边梁、横梁的弯曲、轴向刚度，以及接头对各分支弯矩的抵抗刚度。
●低速碰撞的刚度设计要求
根据车身抗撞性的设计要求，为了在低速碰撞时，减少因撞车带来的维修费用，应当在汽车前端设置低速吸能区。低速吸能区一般由能量吸收式保险杠构成，也可以在其后部和前纵梁之间再布置低压缩刚度的结构，它们与主要结构的连接是可拆卸的方式，如螺栓连接。
吸能式保险杠由保险杠外板、能量吸收体和骨架构成。按能量吸收的不同，可分为不同的类型。能量吸收体的种类有泡沫材料、蜂窝材料、波纹管和筒状油液缓冲器等。图1-15是筒状油液缓冲器结构的示意图。这种装置通过油的黏性阻尼力抵抗碰撞，吸收碰撞能量，具有能量吸收率高、热敏性能稳定等优点。图1-15 筒状油液缓冲器结构的示意图
●减轻对行人的伤害的刚度设计要求
为了减轻对行人的伤害，应当对车身结构相应部分进行软化或在其周围使用能量吸收材料。具体措施包括：为减轻行人与汽车一次碰撞的伤害，应对保险杠、前散热器罩和发动机舱盖前端等部分进行软化；为了减轻行人与汽车二次碰撞的伤害，应在发动机舱盖和风窗玻璃周围使用能量吸收材料。图1-16所示的是从保护行人出发设计的汽车头部的“软”外形。为了防止车身外凸出物对行人的伤害，可采用将门把手等装置设计成内凹式，采用具有缓冲机构的后视镜等措施。图1-16 汽车头部的“软”外形
②熟悉车身构件的吸能原理
●薄壁梁轴向受撞击后的变形模式
汽车结构中的薄壁纵梁在轴向受到撞击后，有两种基本的变形模式：轴向压溃和弯曲。仅当汽车发生前部或后部的正面碰撞或小角度（5°～10°）碰撞时，作为主要吸能部件的前、后纵梁才会出现单纯的轴向压溃变形；而在通常的碰撞事故中，车身前部和后部的大多数梁形结构经常发生的是轴向压溃和弯曲的联合变形。更复杂的变形模式（如扭转），多发生在乘员舱梁形结构间的过渡处，如在侧面碰撞中，门槛梁与柱接头处会受到扭转载荷的作用。
对于吸能而言，轴向折叠压缩被认为是效率最高的变形模式。然而，由于与之相关的各种不稳定因素的存在，这种单纯的变形模式是最难实现的。图1-17所示为典型的方形薄壁梁轴向压溃变形。在这种情况下，变形由相互一致的折叠组成。
弯曲是一种吸能效率较低的变形模式，在碰撞中，车身前部结构总有发生这种变形的倾向。即使对于通过轴向压溃吸能的结构，除非采用特殊措施提高对斜向载荷的稳定性抵抗力，否则当受到斜向载荷时也会发生弯曲变形而导致设计失败。由于过早的损失吸能能力将彻底改变结构的压缩特性，而这种情况又通常是以一种不可预测的方式出现的。因此，在进行车身抗撞性设计时，防止出现这种情况是非常重要的。图1-18所示为方形薄壁梁在轴向压缩载荷作用下发生的弯曲变形。图1-17 薄壁梁轴向压溃变形图1-18 车身方形薄壁梁的弯曲变形
●薄壁梁结构吸能。
·轴向压溃变形的产生。薄壁梁轴向压溃变形的产生可以分为如下几步：
在撞击之后轴向载荷迅速增加；
当轴向载荷达到某数值时，最薄弱的侧板发生屈曲，这称为局部屈曲，如图1-19（a）所示，在这种局部屈曲的影响下，其他侧板先后屈曲，并在整个板上产生屈曲变形波；
随着侧板变形的增加，在棱线处产生`应力集中，此处对应于半波长的中间，如图1-19（b）所示；
当载荷达到最大值，棱线应力集中的部位发生屈服与塑性变形，薄壁梁被压溃，沿着先前产生的压缩波开始发生折叠，如图1-19（c）所示；图1-19 车身构件薄壁梁轴向压溃变形
接着产生第一次屈曲和屈服。由于在第一次局部屈曲时各侧面的整个板上都产生了小变形波，因此随后的峰值载荷都比第一个峰值载荷明显减小。
·触发结构的应用。由对薄壁梁轴向压溃变形过程的分析可知，在第一次局部屈曲时，梁各侧面的整个板上产生的变形波，使轴向载荷随后的峰值都比第一个峰值明显减小。因此，可以利用该原理使薄壁梁预先产生微小的变形波，以减少轴向压缩时第一个峰值载荷的大小，这称为“预压缩技术”，波纹管轴向压缩的情况与此类似。
3.车身强度、刚度、振动、疲劳、闭合件等方面的要求（1）车身强度的要求
汽车车身强度是指车身的抗扭曲能力、1000MPa是指材料的抗压性，它属于高刚性材料，强化前后悬挂各部分的刚性及车身整体架构的刚性，让抗扭强度增强，横向刚度增强。（2）车身刚度的要求
车身刚度是车身性能评价的一个非常重要的指标，在对车身刚度分析的过程中，不仅要对车身的整体刚度进行刚度评价，还要对窗框、门框、车门、上下立柱接头等重要部位的局部刚度进行刚度评价。（3）车身振动的要求
车身是一个多自由度的弹性系统，在外界的激励作用下将产生振动和无限多的固有振型，如果车身的整车刚度和局部刚度不合适，将会产生共振，使人体不适应，还会带来噪声和部件的疲劳损坏。汽车车身减少振动的要求：
①当激振频率与车身固有频率接近时，就会引起车身的共振。由路面不平引起的激励频率多在20Hz以下，该汽车车身的一阶弹性模态频率（31.81Hz）避开这个范围的车身设计才合理。
② 该车前、后悬架系统频率为1～2Hz，而该汽车车身的一阶弹性模态频率为31.81Hz，表明车身设计避开了该车悬架系统的固有频率，车身设计合理。
③发动机怠速时转速为820～850r/min，怠速频率为27～30Hz，因此可判断，怠速时车身与发动机不会发生共振。
④ 正常行驶时发动机爆发频率为70～120Hz，而发动机振动主要由车身底架承受，在这个频带范围内整个车身底架所有振型连续圆滑且振动幅度小的车身设计才合理。（4）车身疲劳的要求
在车身结构上通常采用改变零件的局部形状尺寸、调整局部零部件的位置、增加加强筋或辅助零件、整体采用较厚的钢板或采用拼焊板材料的方法来提高车身抗疲劳性能。
采用改变零件的局部形状尺寸、调整局部零部件的位置要对原有的零部件进行改动，并有可能影响到全车整体的布局，在制造工艺上，有可能要调整模具，成本高，一般不宜采用；增加加强筋或辅助零件、整体采用较厚的钢板的方法，适用于形状并不十分复杂的零部件。使用拼焊板技术不用改变零部件的位置，根据车身不同部位强度的要求，合理使用一些不同强度的材料，不需要焊接加强筋，减轻车身的质量，减少车身零件的数量，这是最优的结构优化方法。由于拼焊板可以一次成形，减少了大量冲压加工的设备和工序，缩减了模具的安装过程，简化了车身制造过程。（5）车身闭合件的要求
①车身闭合件
其主要包含发动机罩盖、行李舱、铰链机构、锁止机构等，详细要求如下：
●保证盖有足够的开度，开启过程中不与车身其他部分干涉；
●为了确保打开关闭闭合件时轻便灵活，铰链机构一般采用平衡弹簧；
●车身闭合件要有足够的强度和刚度，以保证运动正确、可靠、耐用。
②发动机罩盖和行李舱
大多数汽车发动机罩前部用锁固定，后部通过铰链悬挂于车身前围板上，是往后开启的形式，如图1-20所示。行李厢盖悬挂于后围挡板上，后端用锁固定，是往前开启的形式，如图1-21所示。两盖都由内、外板组成，外板是车身上的大型覆盖件，其形状必须满足车身造型的要求；为增加其刚度并可靠地固定在车身上，一般由内板起加强作用。图1-20 发动机罩盖图1-21 行李箱盖结构
内板沿罩、盖的外板四周设置，通过翻边压合或黏结与外板组合。在内板上焊接有安装铰链、锁和支撑杆用的加强板，为了结构轻量化，可通过拓扑优化计算方法，在内板上挖去受力小（应变能小）的材料。
与发动机罩配合的部件是由翼子板、前围板、散热器框架等形成的一个刚性周边。为避免发动机罩与周边框架接触而产生振响，沿周边设有一些附加的发动机罩的支点—橡胶缓冲块。为保证发动机罩与周边之间的间隙均匀，发动机罩是可以调整的，所以往往在铰链臂上或车身挡板上做有椭圆孔，而铰链与车身是通过螺钉和活动螺母板连接的。对行李厢盖来说，为了保护行李，在关闭状态整个行李厢盖的周边应该紧紧地压在行李厢框架的橡胶密封条上。由于轿车上行李厢口几乎是沿水平布置的，故更应注意密封性。图1-22（a）所示为密封条固定在行李厢口上，而图1-22（b）所示为密封条固定在行李厢盖上。当气温很低时，后者的密封条会与厢口冻结在一起；打开行李厢盖时，密封条可能从胶结面上被拉下来，所以必须采取沿厢口侧设流水槽或其他措施。图1-22 盖的密封结构
③熟悉铰链机构和锁止结构
●铰链机构的基本要求
·保正盖有足够的开度，并在开启过程中不与车身其他部分干涉。行李厢盖的开度一般为40°～50°，发动机罩盖开度则可达90°，主要是为了拆卸发动机方便。
·开闭盖必须轻便、灵活，因此铰链机构采用平衡弹簧。
·有足够的强度和刚度，以保征运动正确、可靠耐久。
带有平衡弹簧的铰链称为平衡铰链，有简单平衡铰链和连杆式平衡铰链之分。简单平衡铰链绕固定轴旋转，如图1-23所示，可通过恰当地选择轴线位置及铰链臂的形状，避免盖在开启过程中与车身干涉，并保证一定的开度。由于简单平衡铰链结构简单，故较多采用。
但有些车身因为结构布置或车身外形等原因，不宜采用这种简单铰链，而应采用连杆式平衡铰链，如图1-24所示。连杆式平衡铰链在开启盖时其瞬间旋转中心是不断变化的，可以通过改变机构连杆尺寸来实现所要求的任何运动轨迹和开度，所以也有许多汽车采用这种铰链。图1-23 简单平衡铰链结构图1-24 连杆式平衡铰链
若已知盖的重量和工作开度时盖的重心位置（初设计时可以估算），根据机构的几何关系，可算出相应的为了平衡盖的重力矩所需的弹簧力。平衡机构弹簧特性应使盖在关闭位置时，弹簧力对铰链销轴线的力矩能够平衡盖的重力矩，而在盖开启至最大位置时，所需弹簧的平衡力矩应略大于盖的重力矩，以使开启轻便。
●锁止机构
发动机罩锁止机构通常由上、下锁体，操纵机构和安全钩等组成。现多用柱销锁或卡板锁。
图1-25（a）所示是卡板式的锁止机构，是行李厢盖锁止机构的典型结构，一般关上厢盖便自动锁紧，采用整车的操作方法便可打开。图1-25（b）是按钮式的锁止结构，按钮钥匙芯埋藏在按钮内；只要不是用钥匙锁上，即便关上厢盖，用按钮也可打开。在行李厢盖锁止装置上装有安全机构，这种安全机构必须通过操作锁止器上的操纵杆或与锁止器相连的钥匙芯才能打开；如用遥控开启装置，一般采用缆线控制，操作手柄设置在驾驶席旁边，图1-26所示。此外，还有电磁式开启装置。图1-25 行李箱锁止装置图1-26 遥控开启装置
4.车身的结构形式
车身的结构形式分为车架式车身、承载式车身、半承载式车身等三种形式。（1）车架式车身
如图1-27所示，车架式车身也称非承载式车身，其特点车身与车架通过弹性元件连接。汽车车身仅承受本身、所装载客货的重力和汽车行驶时的惯性力与空气阻力。而发动机，底盘各部件的重力及这些部件工作时的作用力，以及汽车行驶时道路对汽车外加载荷等都由车架承受。（2）承载式车身
如图1-28所示，承载式车身也称无车架式车身，车身底架就是发动机与底盘各总成的安装基础。全部载荷都由车身来承受。其优点是刚度好，抗振动较强，质量轻，地板高度较低，有效地利用车厢内空间，轿车多采用这种形式。图1-27 车架式车身结构图1-28 承载式车身（3）半承载式车身
如图1-29所示，半承载式车身的特点是车身与前支架用焊接或螺栓刚性连接。二者成为一体而承受载荷。它实质上是另一种无车架车身，只是装了前支架，起着一部分车架的作用，发动机和悬架均安装在车身前支架上。
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