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白车身设计知识.ppt

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车身 设计 知识
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白车身设计知识共享,一、整体介绍:整车开发是一个系统工程,它不仅要进行一系列的产品试验和试制,而且还涉及产品造型、总体布置、产品工程设计和工具工装的制造工程设计。,虚拟工程,造型设计,产品工程,制造工程,情报与调研概念与方案设计总布置设计典型截面设计空气动力学碰撞仿真CAE仿真计算振动噪声模拟,造型效果图油泥模型测量与光顺表面造型 表面优化技术方案设计,白车身详细设计 内饰设计零部件设计装配设计详细结构优化,模具准备模具开发冲压仿真生产工装,,,,白车身设计知识共享,车辆工程是一个整体设计概念,是从汽车总布局出发的概念设计,包含碰撞特性和与之相关的仿真和模拟;造型设计注重的是造型效果,主要从美学和空气动力学的角度优化车辆的表面形状;产品工程主要从产品结构出发,注重产品的结构细节;制造工程主要是从生产制造的需要出发,设计产品的生产模具和生产的准备工作 。一般来说,汽车新产品的整体设计流程是一个并行工程 ,主要包括以下内容, 它们之间并非完全按照整车设计过程的时间进行的,而是存在着并列、交替和反复 :,白车身设计知识共享,,二、白车身开发内容及设计进步 1、车身分割及开发内容汽车白车身是指去除前后车门的几大块车身件(地板总成、侧围总成、发动机舱总成等),白车身的开发内容主要设计到车身结构设计、断面设计、车身有限元分析以及与外部造型设计的协调工作 。2、白车身设计的优化改进(95年以后) (1)曲面造型方面,由于有了先进的三维手段,才出现了高水平的曲面造型设计要求,曲面光顺水平有了进一步提高,由于CAD数模和模具数控加工一体化,使车身外表面的光顺质量有了明显的提高,可以实现A级曲面。传统的手工编制NC数控程序的方法是不能够实现这样好的平顺度和光顺度。,白车身设计知识共享,(2)车身件之间的装配控制更加精确A、可以保证零对零装配,实现精确装配;B、 对于易回弹件或具有装配尺寸链的零件,可以精确的进行间隙设计、尺寸链设计;C、对于一些较大的梁件、板厚较厚的零件,可精确设计装配间隙,比如0.3mm间隙等。D、车身件复杂结构或特征可由设计装配硬点及断面硬点来简单确定设计,可将复杂问题简单化。E、车身模具加工全数字化—全三维数模驱动。F、边界线也达到A级要求,相当光顺。,白车身设计知识共享,(3)车身附件、装饰件与车身的装配精度更高。1995年以后,由于精确的全数字化设计手段的发展和应用,保险杠与白车身的设计装配间隙从九十年代的5-8mm,发展到现在的2-3mm,灯具与白车身的间隙也从九十年代的5-6mm,发展到现在的2-3mm。外观件和边界控制圆角基本等于料厚。装配缝隙均匀一致,一般都控制在公称尺寸的5%以内。精确程 度大大的提高.(4)车身件及焊接总成的质量控制点(边界重要点、装配控制点、焊接控制点等)的误差均小于1mm,外观边界一般要小于0.5mm。因此大面积车身外观件的边界控制点和主要装配控制点误差小于±0.5-1mm,这比1990年的水平提高了1-2倍,比1980年的水平提高了2-3倍。,白车身设计知识共享,(5)车身间隙和装配精度越来越高。 由于设计和工艺手段的原因,八十年代直至九十年代之前,4门2盖、车身白车身与车身本体之间的间隙一般为6-8mm,个别为5mm,而现在一般为4-5mm。而且这一间隙在缝隙延长线周边上也是十分均匀的,一般视觉上是看不出差别的。边界线本身是Class A, 二阶连续的(曲率也连续)。因此装配定位与调整精度要求相当高,一般要保证小于(4-5)*5%=0.2-0.25mm。这是非常高的要求。因此门的弹性变形也要足够小,刚度也要较大。 (6)车身结构分块越来越合理。 如整体式侧围外板,侧围与顶盖的分块线放在顶盖上,后保险杠向上提到与后尾灯边界处,以便于后侧围的制造,防止后尾灯下增加一个小零件与侧围的焊接而产生的焊缝。,白车身设计知识共享,(7)车身的结构越来越复杂,重量越来越轻 CAE技术的发展及高强度材料的应用,使车身结构设计的特征越来越多,除了硬点对应的特征外,又增加了轻量化自由设计区特征。这也是设计技术发展后才使之成为可能。 (8)车身模具及制造可以分开协同完成 由于车身模具纳入到全面的三维数字化,而不再依赖于手工调整和配对完成,这样模具制造可以分散完成,也可以数百家模具厂同步完成,也可以车身件外协制造,最后总装,这是制造模式的变革,是生产效率和质量的提高,是先进的数字化设计技术发展的必然结果。 (9)由于汽车设计技术的发展,使造型更多样化、系列化、平台化,多品种制造,使一个生产线同线生产数百种不同造型与配置的产品成为可能,而且逐步的大量应用。一个固定车型生产十几年的时代一去不复返了。,白车身设计知识共享,三、白车身结构设计 1、数字化车身结构设计方法 1.1、设计硬点设计区的设计方法 复杂的结构实际上是众多简单的设计的叠加组合(复杂设计简单化),任何复杂的车身结构设计与设计结果都是由如下两个方面决定: (a) 满足诸多设计硬点的特征结构设计(HARDPOINT DESIGN AREA),例如造型面硬点,与车身有关的零部件装配孔面及结构等设计硬点,选定的设计断面结构,造型分界线硬点,造型形状形成的设计断面引导线硬点,车身零件间的焊接装配面,零件的分块线硬点.(b)自由设计区设计(FREE DESIGN AREA),即在满足设计硬点基础上,进行的自由设计区,一般非设计硬点的设计区域都属于自由设计区,自由设计区不同的设计人员会得到不同的设计结果,这也是自由设计区自由的特点,但这不等于自由设计区可以胡乱设计,应遵循一些设计原则,以便才能使设计结构更合理,水平更高.,白车身设计知识共享,因此车身设计过程与方法应满足如下公式:车身结构设计特征(BSDF)=自由设计区自由设计特征(FDF)+断面设计硬点决定的设计特征(SDHF)+造型设计硬点决定的特征(IDHF)+造型决定的断面引导主轴线(一个零件多个断面几何中心连线)特征(ISSF)+其他附件或COPY件等确定的设计硬点特征(CDHF)+零件分块线与焊接边界线等的设计硬点特征(BDHF)即为:BSDF=FDF+SDHF+IDHF+ISSF+CDHF+BDHF车身零件结构的设计过程或设计建模(BSDP or BSDM)=用三维CAD软件完成车身结构设计特征的过程或结果(BSDFP or BSDFM)即为:BSDP=BSDFP或BSDM=BSDFM车身设计建模(BDM)=完成所有车身零件的设计建模与装配设计建模的总称(TOL_BSDM)全数字化车身设计开发(BDD)=采用三维CAD软件完成全部车身设计建模,并采用CAD/CAE/CAM一体化技术完成车身设计,结构优化及制造(或制造模具)的全过程(3D_CAD/CAE/CAM_BDM).即为:BDD=3D_CAD/CAE/CAM_BDM,白车身设计知识共享,1.2、自由设计区的设计方法与设计原则 1.2.1、自由设计区的设计方法(a)先用三维CAD软件将设计硬点确定的结构与特征连接成一体,成为一个粗的异型大面,中间可以用一些平面与设计硬点面的相交获得连接线或倒角线.(b)对设计硬点之间形成的设计区域-自由设计区每一个进行分析,强度和刚度一般性要求的部位一般小于50*50mm的面积区域,可以不加特征结构如加强筋,加强沉孔(如果没有密封要求),折边,卷边等特征结构建模,但要在边界上导角.大于50*50的区域一般要加特征以便加强结构并导角,较大的区域不留任何空地,以便使刚度最大,材料最省.,白车身设计知识共享,,1.2.2、自由设计区的设计准则(a)最大刚度原则---自由设计区必须尽力获得最大刚度的设计原则,因此,要加加强筋和加强沉孔,以便获得高水平的设计结构.(b)最轻量化原则---设计结构要确保满足刚度要求的基础上使材料最省的原则,尽可能使结构设计可以使料厚簿一些,没有密封要求的结构可以用沉孔以便轻量化与刚度最大化的双嬴,要充分考虑结构形式和结构方案.(c)最大圆角原则---自由设计区,一般都是内部结构区域,不在外观缝隙线条区域.因此,为了提高冲压工艺性,减少制造成本,应尽可能设计较大的设计过渡园角.但不能影响设计硬点结构.(d)特征结构最大斜度原则---筋槽设计的立面尽可能采用较大的斜度.以便获得较好的制造工艺性,防止冲压裂纹和褶皱.(e)最符合工艺性原则---从设计结构上和面的光顺程度上尽可能获得好的制造工艺性,如材料流动均匀性与制造可能性.(f)创新与多样化设计原则---自由就意味着允许多样化,也就是创新原则.(G)满足CAE/OPTIMIZATION结构优化分析设计要求.,白车身设计知识共享,,2、工程化车身结构设计考虑因素及实例(主要是下车身方面) 2.1、从工艺性方面考虑 白车身结构设计涉及到几大块,比如前后围、侧围、地板、顶盖、发动机舱、驾驶室前围板、驾驶室后挡板、及行李箱后围板等,这几大块总成拼起来,形成白车身。所以在拼焊时,机器人焊也好,手工焊也好,各分总成焊完后,还有一个总焊,这就要求工艺上能实现流水作业。而要实现车身的流水线作业最重要的在于车身的分块线,分块面在哪里,控制面在哪里.侧围,前围,后围,还有发动机舱,驾驶室前隔板,后窗挡板,这几块板翻边处要焊接的地方,控制面是哪一个面,控制线是哪一根线,这个零件从哪分接从哪合块,如果分块不清,工艺概念没有,将来没法生产,分块的合理性将大大提高工艺操作性,对于批产后的成本、效率及人性化管理起到关键的作用。另外车身的工艺性还体现在冲压件的工艺操作性上面。一个冲压件的结构设计,单从工艺性上考虑,不仅要有良好的成型性能,还要注意材料的选用、成本的控制等方面因素。,白车身设计知识共享,,下图是中华前后纵梁、横梁部分加强件的结构缺陷导致工艺性差的例子,拉延较伸影响成形,过渡性差影响成形,,,,拔模角度过小影响成形,设计倒角较小影响成形,白车身设计知识共享,,,另外,冲压出来的产品对于后序操作(焊接工艺、涂装工艺、装配工艺)是否会产生影响也是考虑范围之列,例如冲压件焊接边缘需要满足18mm左右的焊接区域,如果焊接边留的太小,焊接实现困难或者根本无法实现。又例如,某涂胶部位如果设计2-3mm左右的翻边将非常利于涂胶操作。,,,图中圈示部位为宝来发动机舱前隔板下部位涂胶示意,其中红线为涂胶示意,此部位冲压件设计了3mm左右的翻边,,,右图是宝来发动舱发动机图片,可见宝来前围部分是随保险杠总成设计的,车身部分没有冲压件,这样的开放结构对于满足涂胶工艺、装配工艺有利。(当然,这种结构的选用也是在总布置及造型确定之后),,白车身设计知识共享,,2.2、从功能性方面考虑白车身结构设计不仅仅要满足工艺性需求,更重要的前题是需要满足各种试验性能(空气动力学、NVH、耐久性、碰撞法规)要求及相关零部件的功能性要求。下面从下车身方面说明满足上述要求的设计想法。从轿车角度考虑下车身基本包括地板总成、车架总成、发动机舱总成。 2.2.1地板设计地板的设计,一般分为前、中及后地板三个零件.从结构强度上考虑,地板上面适合设计“筋”,有的筋是为了结构需要,为了管线布置等,多数筋的结构是为了增加刚度,有筋结构的地板刚度相当于6mm—10mm厚的钢板,这样不仅降低整车重量,节省材料,也降低了工艺操作难度(避免因强度问题增加加强件,浪费工装资源等)。另外地板上面因为排水等问题经常开一些工艺孔,做这些孔时,可以适当做成沉孔(这种孔,下底面,留5mm左右的一个边,沉孔的深度根据工艺来定,一般3--5mm),或设计2mm左右的翻边,这些措施都有利于刚度的提升。当然,因为地板要求和外界封闭,防水,防灰尘,所以开孔也需慎重并且有密封等后续措施。另外从空气动力学方面考虑,地板总成的设计应该尽量平顺、简捷,从而降低风阻,增加燃油经济性。,白车身设计知识共享,,轿车地板的设计一般遵循以下几点:1、轿车地板一般分为三大部分,有前地板总成、中地板总成和后地板总成;2、为了简化设计与节约成本,地板件一般设计成左右对称件,即使不完全对称,其基本型面也大致对称;3、在满足总布置、人机工程、底盘、内饰和电气等安装硬点的前提下,一些具体特征可依据经验和CAE分析自由设计,如加强筋的形状与方向;4、地板设计要充分考虑钣金件的冲压焊接工艺性、焊接顺序,保证必要的安装硬点、定位孔和工艺孔等,甚至还要留出安装工具所需要的操作空间; 5、借助于CAE对整车的强度和刚度进行分析,在保证车内人员安全的前提下,尽量减轻车身重量,选用合适的材料并尽可能采用先进的工艺。,白车身设计知识共享,,2.2.2发动机舱设计发动机舱基本暴露在空气中,因此发动机舱的材质选择很重要,应该选防锈、防腐的材质,增加耐久性。另外发动机舱与底盘相关的硬点连接部位的结构设计也比较重要。好的结构可以将底盘悬置受力传递到车身,避免应力集中,造成疲劳等破坏。,图为宝来发动机舱悬置部位冲压件总成结构宝来发动机变速器采用这种座式安装方式,强度好,也利于保证安装精度,结构简单。受力方向利于车身载荷传递和分散。,图为中华M1-1.8T总成结构原M1此部位采用吊架式安装,支架结构复杂,工艺性差,工装复杂,不利于工艺实施,更不利于精度的保证。目前已经因1.8T项目改动了安装方式,但由于在原有吊架式结构上更改(增加紫色加强件),使得结构更加复杂。,白车身设计知识共享,,2.2.3车架设计车架是轿车承载的主要部件,必须具有足够的强度和合适的刚度。基于碰撞等安全性的需要,还要考虑吸能变形区的设置,从而在受到碰撞时容易产生塑性变形,吸收碰撞能量。因此车架的结构设计理论上应满足以下条件A、没有理论上的平面性承载结构,而是力直接作用于车架结构件上。B、由车架连接而成的承载结构,在受到外力作用时,产生的力传递仅在该结构上进行。C、所有承载结构件互相连接,分布于整个车身,形成承载式网络结构,一旦承载结构某处受力,应通过承载网络迅速传递到车身其他部位。D、对车架进行力学分析,避免存在不会受力的非承载构件,即没有多余的不受力构件。E、车架承载结构必须有足够的刚度。F、根据国外专家的意见,一般吸能区是这样设置的(如前纵梁部位吸能区设置示意图如下),白车身设计知识共享,,,,,,FRONT PANEL ASSY,ENGINEER MOUNT,,FIRE WALL,吸能区,吸能区(效果较好),,碰撞时,车身前部构件主要依靠其弯曲变形和压溃变形吸收碰撞产生的能量。弯曲变形吸收能量的能力较低,且变形大,而压溃变形则具有很大的能量吸收比。因此,在设计时应使纵向构件尽可能的沿轴向压溃变形,以获得满意的能量吸收效果,降低作用于乘员上的力和加速度。具体措施如下:,,白车身设计知识共享,,1、在纵梁上设计易于轴向压溃的结构要素,如:凸台、凹台、长孔或方孔、缺口等;2、纵梁、车架局部制成波纹管状;3、增加梁上弯曲部分的板厚,设计纵向布置的加强筋,局部控制弯曲变形。4、另外,为了确保乘员的有效生存空间,在设计时应通过力学分析来改善设计,以提高座舱梁框架的承载能力,使车身前部纵梁构件在较小的集中力流情况下与座舱连接,防止座舱前壁局部压溃。发动机、变速箱、差速器等部件质量大、碰撞变形小,必须采取结构措施使其在碰撞时向下移动,防止其侵入座舱内部。5、有些车前纵梁做成中间厚两端薄的不对称截面纵梁,根据碰撞能量的冲击力对材料和材料厚度进行优化设计 ,例如POLO,白车身设计知识共享,车身侧面碰撞时允许的变形空间小,因此侧面结构的碰撞安全设计原则就是提高侧面结构的抗撞击强度,减小碰撞凹陷变形,保证座舱的完整性和生存空间。在结构上采取的具体措施为:  1.合理设计座舱的梁框架结构,将侧向撞击力有效的转移到车身结构上具有承载能力的梁、柱、门槛、地板、车顶及其他构件上;  2.通过设置车门横向加强梁之类的构件加强车门强度;  3.通过增大门槛梁的断面面积、设置加强板等措施增加门槛强度;  4.加强地板中部的地板通道,提高车身抗弯强度;  5.增加车身侧围框架的抗冲击强度;???? 6.提高各部件连接部位的强度,以保证撞击力可以传递到整个车身部分;  7.合理设计布置门锁和铰链,防止撞击时车门自动开启,同时保证撞击后车门能比较容易打开。增加铰链连接强度,可以保证将车门受到的撞击力有效的传递到立柱上。对于车身追尾碰撞安全性,其结构设计思想与正面碰撞基本相同。由于车辆的燃油箱一般布置在车身后部地板下面,结构设计中应尽量减小油箱的损坏程度,避免燃油泄漏导致火灾。车辆在翻车的情况下,为了保证座舱的生存空间,应当加强车顶梁及立柱的强度,并在车顶设计横向支撑梁构件。,
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