衛(wèi)青珍，喬建剛

(1. 太原科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，山西 太原 030012； 2. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300131)

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基于抽屜式的汽車車身設(shè)計

衛(wèi)青珍1，喬建剛2

(1. 太原科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，山西 太原 030012； 2. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300131)

摘要:本文以解決交通擁堵為目的，圍繞汽車動力學(xué)、 交通工程學(xué)、 汽車設(shè)計等理論，根據(jù)抽屜工作原理，對汽車車身從面向藝術(shù)、 面向結(jié)構(gòu)強度、 面向空氣動力特性等造型設(shè)計角度進行研究，結(jié)合美學(xué)理論和實際道路交通安全情況對車身進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了可以伸縮的抽屜式汽車車身，并對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)、 動力學(xué)分析及強度校核，結(jié)果表明： 該車身結(jié)構(gòu)完全滿足強度要求，該設(shè)計提高了道路和停車場的利用率，為解決道路擁堵探索了一種新的方法，同時也為汽車車身的設(shè)計提供了一種新的設(shè)計思路.

關(guān)鍵詞:汽車車身； 強度校核； 汽車結(jié)構(gòu)分析

0引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車工業(yè)在帶動其他行業(yè)的發(fā)展中，體現(xiàn)出越來越重要的作用. 據(jù)權(quán)威部門公布的數(shù)據(jù)顯示： 截止到2012年年末，全國私人汽車保有量9 309萬輛，其中私人轎車5 308萬輛，預(yù)計到2020年中國汽車保有量將超過2億輛. 汽車在給人們的出行到來便捷、 舒適的同時，隨之而來的問題是： 道路擁堵、 停車場地緊張、 空氣質(zhì)量下降、 人類賴以生存的環(huán)境變壞[1]. 目前全世界的汽車工業(yè)發(fā)展競爭愈演愈烈，汽車巨頭們都紛紛加緊研制開發(fā)新車型，然而由于發(fā)動機、 底盤等的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)基本成熟，車型的創(chuàng)新點便主要集中體現(xiàn)在車身造型和電子設(shè)備等的設(shè)計上. 在汽車車身的研究設(shè)計方面主要考慮的是節(jié)能、 安全、 舒適性，而通過汽車車身設(shè)計進行節(jié)約停車用地、 解決交通擁堵方面的研究很少； 世界上一些國家和地區(qū)為了解決城市道路交通擁擠問題，開征了交通擁堵費(如英國倫敦、 中國香港等城市)，擁堵費的開征不僅增加了人們的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，而且只是在一定程度上減少或限制了人的出行，沒有從根本上解決交通擁堵、 對環(huán)境的破壞等問題. 伸縮汽車的設(shè)計開發(fā)可有效解決停車位的短缺、 交通擁堵問題，同時對汽車的設(shè)計開發(fā)具有重要的意義[2].

1設(shè)計內(nèi)容

圖1　汽車車身設(shè)計步驟示意圖Fig.1　Car’s body design procedure sketch map

抽屜式汽車車身設(shè)計從汽車設(shè)計理論出發(fā)，結(jié)合美學(xué)理論與實際道路交通安全情況，從面向藝術(shù)、 面向結(jié)構(gòu)強度、 面向空氣動力特性等角度進行車身造型設(shè)計研究，利用計算機輔助設(shè)計，把設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行靜、 動力學(xué)分析，并對其進行強度校核[3]； 其設(shè)計步驟如圖1 所示. 這樣設(shè)計的車身可以在2～5～8座之間互相轉(zhuǎn)換，即上下班時可以是2座車，周末旅行或商務(wù)出行可以是5或8座車； 在停車場可以最大限度地減小占用停車場面積，即可以占2座車或多座車車位.

1.1外形設(shè)計

首先選擇非承載式車身作為設(shè)計對象. 因為伸縮汽車的結(jié)構(gòu)比較特殊，要求車身能夠自由進行三級伸縮，同時要有一定的強度、 剛度，保證行車安全； 車身與底盤的連接主要通過立柱來實現(xiàn)，伸縮的動力由底盤的移動提供，所以非承載式車身比較適合伸縮汽車的結(jié)構(gòu)要求[4]. 車身總體尺寸最長(全伸展?fàn)顟B(tài)6 520 mm)為8座車，最短(全收縮狀態(tài)3 500 mm)為2座車，車的高和寬均為1 600 mm； 為適應(yīng)車身的伸縮外形，選擇子彈頭列車形狀； 在確定車身形狀、 總體尺寸和承載型式后，再對車身進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析. 其車身結(jié)構(gòu)設(shè)計大致按如下步驟進行[5].

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

車身主要由車身殼體、 車門、 車窗、 車前板制件、 座椅等組成； 車體骨架設(shè)計應(yīng)滿足車身剛度和強度的要求； 綜合考慮各種材料的抗彎強度和抗扭強度以及受沖擊載荷的能力及制造的成本與加工工藝的要求，選擇16 Mn作為車身結(jié)構(gòu)件的主要材料，因16 Mn能夠承受比較大的載荷，且加工工藝比較成熟，在工程要求、 加工工藝要求以及經(jīng)濟性等方面，相對其他材料有比較大的優(yōu)勢，比較適合用于汽車結(jié)構(gòu)件. 客體主要采用目前使用比較廣泛的鋁合金來制造，可滿足強度高、 質(zhì)量輕、 經(jīng)濟性好等多種要求[6].

車體前部分承受比較大的集中力，如發(fā)動機、 變速箱、 驅(qū)動橋、 散熱器、 翼子板等的重力和前懸架支承反力等. 而車廂部分主要承受分散在地板上的重力，如車體自重、 乘客身體重力和懸掛在門柱上的車門重力等； 行李箱則承受油箱、 備胎和行李等集中重力. 所以，車體結(jié)構(gòu)中易出現(xiàn)載荷分配不均衡和剛度不適應(yīng)載荷要求的情況，這將影響系統(tǒng)的總變形[7].

車體骨架主要由桿件組成，桿件又可分為3類:

1) 功能桿件. 這些桿件的為滿足功能所要求而設(shè)置，如門柱、 窗柱、 門攬、 門框上橫梁、 風(fēng)窗框上、 下橫梁等.

2) 加強桿件. 這些桿件作用是保證安全加強強度，如大客車頂蓋上的縱梁和底架周邊的擱梁，在后懸架底架上設(shè)置的加強橫梁等.

3) 非承載桿件. 這些桿件為安裝附件而設(shè)置，如頂蓋上為安裝頂窗而設(shè)置的框架等.

顯然，1)、 2)類是車身的主要承載件，應(yīng)有足夠的強度和剛度，并能構(gòu)成一個完整連續(xù)的受力系統(tǒng). 薄殼式車身結(jié)構(gòu)雖然無完整的骨架，但殼體和各結(jié)構(gòu)件組裝后，也應(yīng)是一個完整的受力框架[5].

此外，汽車的發(fā)展趨勢是擴大車身光照總面積，這將必然使腰線以上支柱的截面減??； 考慮到提高空氣動力性能的要求，前風(fēng)窗支柱傾角也要設(shè)計的比較大； 為提高整個車身的構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度，采用閉口截面.

1.3受力分析

汽車在行車過程中，汽車車身上所受應(yīng)力常為交變應(yīng)力，應(yīng)力集中可能誘發(fā)進展性裂縫，導(dǎo)致疲勞損壞，這是車身結(jié)構(gòu)損壞的原因之一. 因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要避免截面急劇變化，特別是要注意合理增加加強板和接頭的設(shè)計. 有時為了提高承載力，要在彎曲部分加上加強梁，但加強梁的兩端容易出現(xiàn)剛度突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中而斷裂. 所以宜將加強梁兩端的形狀改為類似雙曲線形就會使應(yīng)力集中大大改善.

在經(jīng)過受力分析后，對其伸長時的縱梁、 橫梁、 立柱及3梁收縮時的縱梁進行強度計算，以獲得各梁(壁厚8 mm)、 柱(壁厚4 mm)的設(shè)計尺寸，其梁、 柱的強度計算公式[8]為

(1)

式中：σmax為梁的最大正應(yīng)力；Mmax為梁上的最大彎矩；WZ為梁截面系數(shù)； [σ] 為許用彎曲正應(yīng)力.

關(guān)于材料的許用彎曲應(yīng)力[8]，一般近似用許用拉壓應(yīng)力作為其許用的彎曲應(yīng)力. 對于承受彎曲應(yīng)力的梁，橫向力的作用可以忽略不計，通過利用計算機程序進行輔助計算，其計算結(jié)果如表1 所示.

表1　計算結(jié)果

2校核

由于車身受力比較復(fù)雜，現(xiàn)提出一種簡捷的評價伸縮汽車構(gòu)件彎曲剛度的方法： 由《工程力學(xué)》知道簡支梁受作用于跨距中點的集中載荷P時的最大撓度

(2)

式中：P為跨距中點的集中載荷；L為軸距；E彈性；Jx為抗彎剛度系數(shù)；Y為撓度.

如軸距采用“m”為單位，則當(dāng)p=1 000 N時，式(2)可簡化為：ymax=l3/Jx(cm)，根據(jù)使用要求和經(jīng)驗，車架的最大撓度ymax≤0.085 cm，即：Jx/l3≥12，所以設(shè)計的車架縱梁的剛度是足夠的. 一般車型的Jx/l3值都有約為規(guī)定值的2倍(動載荷系數(shù))，即：Jx≥24l3，因為還要考慮動載荷的緣故，隨著載荷量的增大，此值也會相應(yīng)提高. 由計算結(jié)果分析可知，承擔(dān)本車身的車架完全滿足彎曲剛度的要求.

3結(jié)論

汽車將朝著更加人性化、 自動化、 綠色、 環(huán)保、 高科技的方向發(fā)展，本文圍繞汽車構(gòu)造、 材料力學(xué)、 交通工程學(xué)的理論，結(jié)合道路交通安全相關(guān)知識，從總體分析、 結(jié)構(gòu)設(shè)計、 強度校核等方面進行研究，設(shè)計出了可以緩解交通擁擠、 減少占地面積的可以伸縮的抽屜式汽車，經(jīng)過初步強度校核分析可知，該抽屜式汽車車架強度和剛度都能夠滿足設(shè)計要求，但是汽車在行車過程中受的載荷是交變、 復(fù)雜的，將利用有限元法對其做深入的分析； 同時通過本文的研究為汽車的發(fā)展方向探索了一種新的思路.

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[8]劉申全. 工程力學(xué)(下冊)[M].山西： 山西科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

Research of Automobile’s Body Design Base on Drawer Model

WEI Qingzhen1, QIAO Jiangang2

(1. Engineering Training Center, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030012, China;2. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300131 China)

Abstract:In order to solve the traffic jam,based on the theory of vehicle dynamics, traffic engineering, and automobile design , according to the principle of drawer work, a retractable drawer type car body is designed.The car body is studied from the art, structure oriented strength, and air dynamic characteristics of the body design angel, combining with the theory of aesthetic and practical road traffic safety situation of body structure design.We analysis statics ,dynamics and check the intensity of the structure.The intensity of the body structure completely meet the requirements.the design not only improve the utilize rate of road, reduce the area of parking, find a new way to resolve the traffic jam, at same time, provide a new design way to car’s body.

Key words:car’s body； strength check; car’s structural analysis

中圖分類號:U49

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.011

作者簡介：衛(wèi)青珍(1965-)，女，工程師，主要從事機械設(shè)計自動化研究.

基金項目：交通工程北京市重點實驗室基金資助項目； 山西省科技攻關(guān)計劃項目資助(2007031174)

收稿日期:2015-10-25

文章編號:1671-7449(2016)02-0156-04