新型框架式結構車身的設計方法*

張建 李德龍 周游 朱鑫 楊海

（湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司）

隨著市場經濟的發展，企業之間的競爭也愈發激烈，這便要求企業縮短產品的開發周期并以更快的速度向市場投放新產品，取得競爭優勢；同時消費者的喜好和需求也趨于多樣化，這也要求企業能夠迅速、及時地開發設計出滿足顧客需要的新產品。對于汽車企業來說，為了實現新產品快速開發這一目標，必須改進傳統的產品設計方法，實現在設計的各個階段能夠修改以適應新的要求并能夠應用最新技術，以縮短產品更新換代的周期。傳統汽車多為全鈑金制造，結構復雜、費用高、生產周期長。若僅生產批量較小的少量展車或樣車，以傳統方式制造時間長且費用高昂。文章提出采用混合材料與骨架連接的方式，有效地解決了上述問題。

1 設計思路

圖1 示出傳統汽車車身內外板結構。傳統車身結構一般是由數百塊結構復雜的鈑金組成，多為鋼板沖壓再焊接而成，需要對沖壓模具、焊接、工裝等投入巨大的相關費用，并且其制作工藝十分復雜，設計難度較高，后期變更也十分困難。

圖1 傳統汽車車身內外板結構

為實現設計、生產、裝配等環節的快速化，將鈑金結構車身簡化為框架式車身，如圖2 所示，框架式車身與外覆蓋件通過I 形、L 形等支架連接，框架式車身與支架進行焊接，支架與外覆蓋件可用鉚接或螺接。某傳統承載式SUV 從造型設計介入到軟模具制造完成需12～15 個月，而采用框架式車身形式，4～8 個月即可完成樣車的制造流程。框架式車身整體為手工搭建，縮短了前期模具的開發周期，節省了開發成本。表1 示出框架式車身與傳統骨架車身對比情況。

圖2 框架式車身骨架及支架設計圖

表1 框架式車身與傳統骨架車身對比情況

2 框架結構

2.1 骨架材料

文章提出2 種材料形式的框架式車身骨架[1]：

1）鋁合金骨架：該材料骨架輕量化好，比強度高，相較于鋼骨架可減輕質量25%～32%；模具成本比鈑金低很多；耐腐蝕性好，不易生銹；相較于鋼，切割更為便利。

2）鋼管骨架：全鋼材料的骨架結構簡單、成本低、強度高，并且因與鈑金材料一致，連接方式多樣化。

2.2 連接方式

2.2.1 與骨架、支架的連接

框架式車身的材料可以選擇不同類型，多種材料混合的框架式車身的連接方式也有許多，現滿足條件、較為成熟的4 種連接方式，如圖3 所示。

圖3 框架式車身骨架及支架連接方式

框架式車身的搭接狀態尤為重要。在力學中，三角形最具穩定性，因此框架式車身結構設計時應盡量使用三角形結構。單根型材底部或型材與型材搭接處可添加三角形斜撐，具備與不具備三角形斜撐的型材，承載能力差距甚至可以達到1/8～1/6[2]。

另外，型材的彎曲剛度與扭轉剛度對于行駛也至關重要。其主要在于框架式車身的頂部型材，在盡量將頂部型材外側貼于外覆蓋件的前提下，讓頂部型材與其他型材相連接，使得框架式車身構成一個封閉整體，能夠讓力更好地分散于其它型材之上。

2.2.2 與外覆蓋件的連接

經多項研究，框架式車身與外覆蓋件以材料形式分類，有多種連接方式，圖4 示出框架式車身與外覆蓋件的4 種主要連接方式。

圖4 框架式車身與外覆蓋件的主要連接方式

同種材料可直接使用焊接形式。如果是塑料件則可用卡扣卡接、螺栓連接及膠粘等。若為非脆性材料，可用無鉚連接（TOX），此種連接方式連接可靠性極高，動態連接強度為點焊的2～3 倍，抗疲勞性好；可無損傷在線檢測連接點的連接強度；可實現多點連接，無需開孔；可實現自動化作業，效率極高；應用范圍廣，不同材質、厚度及表面狀態的工件均可連接；工具使用壽命長，能量消耗少，不散發煙霧和熱量，噪聲低；費用為點焊的40%～70%；實際生產節拍與點焊相當，約為3 s/點。圖5 示出無鉚連接示意圖。

圖5 無鉚連接示意圖

為了方便外覆蓋件的拆卸，選用螺栓連接的方式。用支架螺栓連接外覆蓋件，如圖6 所示，支架上開長圓孔，便于調節。使用法蘭面螺栓螺母以達到緊固效果。如需更換部件，可直接從內部將螺栓卸下，進行更換。此方式可調整螺栓位置，以保證外覆蓋件之間的間隙、面與面之間的偏差。

圖6 螺栓連接示意圖

3 數據分析

車身剛度是汽車安全性的主要標志，因此框架式車身的上半部分可以使用1 根長型材與數根小型材構成，而下半部分則可以使用斜撐構成三角形以加強結構[3]。

對框架式車身的彎曲剛度、扭轉剛度、緊急制動強度、轉彎強度等進行有限元分析，與對標車進行對比，結果如表2 所示。從表2 可以看出，框架式車身的扭轉剛度與彎曲剛度更好。通過強度分析，其最大應力小于屈服極限（235 MPa），滿足要求。圖7 示出框架式車身與傳統車身彎曲剛度測試結果。

表2 框架式車身與傳統車身剛度、強度分析結果對比

圖7 框架式車身彎曲剛度測試結果

4 結論

文章介紹了一種汽車車身小批量快速化生產制造的框架式結構設計方法，對材料選型、連接方法與搭接形式的優劣進行探討。框架式車身結構設計可替代傳統車型騾子車設計模式，突破傳統車身設計投入高、周期長等方面的局限，實現低成本、快速化生產制造。通過對由型材、支架與外覆蓋件組成的框架式車身設計結構進行CAE 分析，驗證了新型框架式結構車身的可行性。從研究結果來看，框架式車身有效地解決了成本高、小批量、周期長等問題，為車身結構的設計提供了一種新的思路與方法。

對于課題進一步的深入研究，可從拓撲優化、材料優化等方面進行車身輕量化處理，或增加模塊化結構設計，以更加靈活地解決車輛的各種問題。