1.2 车身设计开发原则

1.2.1 概述

车身设计原则是指从事车身设计工作时，设计人员必须考虑的方面和重点解决的关键技术问题。从现代车身设计角度出发，车身设计要素主要体现在以下几个方面：

（1）车身外形设计方面

1）车身空气动力特征要素。

2）确定车身尺寸的人体尺寸要素。

3）车身外形设计、内饰造型的美学要素。

4）外形的结构性和装饰的功能性要素。

（2）车身室内布置设计方面

1）人体工程学要素，包括人体尺寸、人体驾驶和乘坐姿势、人体操纵范围、人眼视觉和视野、人车视野、人体运动特征、人的心理感觉等。

2）车身内部设计的安全保护要素。

（3）车身结构设计方面

1）结构设计的强度、刚度要求。

2）轻量化设计要素。

3）结构设计的安全性要求。

4）车身防腐设计要求。

5）车身密封性设计要素。

6）结构设计制造的工艺性要素。

（4）产品开发方面

1）产品开发的市场性要素。

2）系列化产品发展要素。

3）生产、工艺继承性要素。

车身设计是一个复杂的系统工程，任何一个零件以及总成的设计，均需要考虑其与周边相关零部件的相互关系。

白车身结构设计主要内容包括：

1）车身主断面定义与尺寸确定。

2）密封结构确定与密封件选择。

3）与车身有关设计硬点的确定。

4）左右侧围设计（包括A、B、C、D柱设计，以及前、后翼子板设计）。

5）顶盖设计（外板、横梁与纵边梁设计）。

6）前围板设计。

7）前舱和前轮毂包设计。

8）前保险杠设计、地板总成设计、前后门总成设计、尾门设计、前舱盖设计、前风窗设计。覆盖件安装在车身上，让车身形成一个相对闭合的空间。图1-13是斯柯达科迪亚克（Skoda Kodiaq）车型的白车身结构。

一般情况下，一款新车的开发周期需要3年时间。目前，由于市场竞争日趋激烈，整车开发周期逐渐缩短。因此，目前各大主机厂都在推行模块化设计和制造策略，比如标致雪铁龙集团（PSA）的EMP（Efficient Modular Platform）、沃尔沃（VOLVO）集团的SPA（Scalable Product Architecture）、吉利的CMA（Compact Modular Architecture），以及大众集团的MQB（Modular Querbaukasten）平台等。大众集团的MQB平台是发动机横置的紧凑型车型平台。大众集团还有不同级别的MLB、MSB等车型模块化平台，如图1-14所示。基于模块化平台策略，通过模块化设计和制造，MQB平台可以做到①降低新车研发制造成本和周期；②同平台衍生能力强，涵盖小型车至中型车产品；③提升了同平台车型之间的零配件通用率；④搭载EA211系列发动机，并支持新能源动力单元，同时可导入高科技配置。

在汽车研发中，基于模块化平台车型策略、汽车车身的设计策略（尤其是下车体的设计策略），需要进行相应的升级，这也是目前各大厂商需要考虑的问题。

1.2.2 法规和标准

汽车车身设计过程中，需要满足的国家标准如表1-1所示。

1.2.3 车身选材

汽车车身材料的选择必须遵守材料选择的一般原则。一般，材料选择主要从以下三方面进行：

1）材料的成形性。

2）材料的使用性。

3）材料的经济性。

原来车身主要以钢制车身为主，伴随着节能减排需求，为了达到轻量化和整车性能要求，轻质材料逐渐在车身上进行了应用。而各大汽车主机厂都在致力于从技术和经济的角度分析和改善现有材料和工艺的使用条件，探索新材料、新结构和新工艺在车身上应用的可能性，寻求在保证性能、不增加或者少增加成本的前提下降低汽车结构重量的方法，制定并实施降低汽车重量的规划。

目前，汽车用轻质材料可分为两大类：一类是低密度材料，如铝合金、镁合金和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢、超高强度钢、先进高强度钢以及热冲压成形钢等。为了应对新材料的应用和结构的变更，提出了新的车身成形工艺。下面分别对车身使用的高强度钢、铝合金、镁合金和复合材料进行简单介绍。

1. 高强度钢

在车身承载部位，汽车主机厂通常采用高强度钢板代替普通钢板，在保持或者提升车身性能的同时，零部件厚度减薄，从而达到轻量化的目的。钢板按照屈服强度进行分类，可分为软钢、高强度钢板和超高强度钢板，如图1-15所示。高强度钢又可以分为：普通高强度钢（Conventional High Strength Steel, CHSS）、先进高强度钢（Advanced High Strength Steel, AHSS）、超高强度钢（Ultra High Strength Steel, UHSS）、热冲压成形钢（也称热成形钢）等。图1-16是斯柯达科迪亚克全钢车身的高强度钢使用比例，在A柱、B柱以及乘员舱承受撞击载荷的关键位置使用了热成形钢，使用比例达到20.3%，超高强度钢使用比例达2.1%，先进高强度钢使用比例达到7.9%。

2. 铝合金

铝合金是一种理想的汽车用轻质金属材料，密度为2.7g/cm³，是钢材的1/3左右，同时具有优良的减振性能和耐腐蚀性能。全铝车身与钢质车身相比较，重量可以减轻30%～50%。汽车车身中经常使用的铝合金可分为压铸铝合金、铝合金挤压型材和铝合金板材。比较典型的是奥迪A8的全铝空间框架式车身（Aluminum Space Frame, ASF），如图1-17所示。除了考虑碰撞安全性，在B柱等局部位置采用钢板（8%）外，车身其他位置都采用铝合金。铝合金板材占车身重量的35%，主要使用在地板、前围板等位置。在关键的接头位置，主要布置了铝合金压铸件，包括铝合金薄壁高真空压铸减振塔，占车身重量的35%。采用铝合金挤压型材形成承载式车身框架占22%。白车身（不包含车门、翼子板与开闭件等）重量仅231kg，而其车身扭转刚度可达到37600N·m/（°），铝合金车身的刚度可以达到较高的水平。

目前，国内也已经推出了具有全铝车身的车型，比如北汽新能源的LITE和奇瑞的小蚂蚁。这两款A00级两厢紧凑型新能源汽车，都采用框架式全铝车身，达到了非常好的车身轻量化效果。

铝合金在车身上的应用，必须要重点考虑铝合金零件之间的连接工艺，包括采用不同工艺制造的铝合金零部件之间的连接，以及异质材料（如钢、铝）之间的连接方法。在奥迪A8上采用了多种连接工艺，如图1-18所示，包括了自冲铆连接（Self -piercing Rivet, SPR）、熔化极惰性气体保护焊（Melt Inert-gas Welding, MIG）、热熔攻丝连接（Flow Drill Screw, FDS）和焊接等8种连接工艺。实际上，新型材料的开发与应用，必须要考虑其成形工艺的可实现性与连接问题，尤其是连接工艺的效率和成熟度等问题。这也是目前国内主机厂都在努力提升的技术能力。

3. 镁合金

镁合金的密度为1.7g/cm³，是铝合金密度的2/3，是目前最轻的结构合金。镁合金具有非常好的减振性能、铸造性能，以及优良的切削加工性能和较好的尺寸稳定性。但是其表面形成的氧化膜与铝合金相比非常疏松，从而其耐腐蚀性能差，需要进行表面处理。目前，镁合金压铸件可用于汽车仪表板管梁、汽车座椅骨架、转向盘骨架、变速器壳体、发动机壳体类零部件、车门内板、轮毂、支架、离合器壳体和车身支架等。

4. 复合材料

与金属材料相比，复合材料尤其是碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）的优势显而易见，它的密度通常在1.7g/cm³左右，比铝合金更轻，且强度较高，使车体更加结实、坚固。发生碰撞时，碳纤维会粉碎性断开，从而吸收撞击能量，碳纤维复合材料碰撞吸能水平达到100kJ/kg。相对来说，铝合金的碰撞吸能大约为30kJ/kg，而钢的碰撞吸能水平仅有大约20kJ/kg。同时，碳纤维复合材料的断裂韧性、抗疲劳性、抗蠕变性和拉伸强度都高于一般的金属。

宝马i3是全球第一种大面积运用碳纤维复合材料车身的量产车型，其Life模块90%都是采用CFRP材料。在2015年款宝马新7系中，宝马进行了碳纤维复合材料和钢板复合零部件的设计和应用，首次打造了Carbon Core钢-铝-碳纤维三种材料的混合车体，如图1-19所示。在车体的底部、侧面等主要框架部分，宝马仍旧是以铝、钢的材质混搭，在A柱、B柱、C柱以及中央通道等位置处，增加碳纤维复合材料，形成碳纤维复合材料和金属的复合结构，达到优化刚度和强度的目的。车顶部横梁直接以碳纤维打造而成，并与车身左右两侧连接。新宝马7系的白车身重量为323kg，车身扭转刚度却达到了42100Nm/（°），达到了非常好的性能指标。

继宝马之后，通用、克莱斯勒也开始在自己的汽车上使用更多的碳纤维复合材料设计。但是，碳纤维复合材料的应用面临着制造成本和维修成本高、成型效率低的难题。除此之外，碳纤维复合材料零部件开发需要同时考虑材料、结构以及工艺的一体化设计和虚拟模拟分析，国内目前量产碳纤维复合材料零部件设计人才匮乏。同时，一般碳纤维复合材料零部件的制作工艺生产效率较低，产品一致性差，很难满足汽车规模化生产的要求。这些问题制约着主机厂在量产车型中应用碳纤维复合材料，需要同时在制造工艺、设计和材料三方面进行大幅提升。

1.2.4 车身制造工艺

传统汽车车身是一个复杂的结构件总成，由数百种不同牌号和厚度的钢板冲压成形后，经过焊接、铆接、胶接等方式连接而成。传统汽车制造有冲压、焊装、涂装和总装四大核心工艺。

1. 冲压工艺

冲压工艺是所有工序的第一步，采用压力机和模具对板材进行加压，使之产生塑形变形或者分离（冲孔、切边等）。冲压工序按照加工性质的不同，可以分为两大类：成形工序和分离工序。对于具体的冲压零部件，需要根据零部件的形状、结构、材料和技术要求，结合生产批量和生产设备条件进行具体的工艺分析，确定最终的工艺路线。比如，比较复杂的侧围外板，冲压工序就包括：落料—拉伸—切边、冲孔—整形—冲孔—冲孔—检验。

其中和车身相关的工艺包括冲压、焊装和涂装，主要由车前舱总成、前围、后围、地板总成、左右侧围总成、顶盖总成等零部件焊装而成。

2. 焊装工艺

冲压好的车身板材需局部加热或者同时加热、加压连接在一起形成车身总成。常用焊接方式包括点焊、凸焊、钎焊、二氧化碳保护焊等，通常设置有焊接生产线，使用焊接机器人来进行。焊装是车身成形的关键，焊接强度直接影响车身强度。焊装工艺是车身制造工艺的主要部分。车身结构复杂、种类多、产量大，为了保证车身焊装质量，提高焊装效率，通常需要进行焊接夹具设计，达到定位与夹紧的效果。

对于传统全钢质车身，低碳钢具有良好的焊接性能，焊接是车身制造中使用最广泛的连接方式。随着热成形钢等超高强度钢的应用，钢的碳含量在降低，其焊接性能也有所降低，需要对焊接工艺进行持续优化，达到焊接强度要求。

3. 涂装工艺

涂装工艺是指将涂料均匀涂覆在车身覆盖件表面上并干燥成膜的工艺。涂装有两个重要作用：一是整车防腐，二是增加美观。主要包括以下工序：漆前预处理、喷漆（底漆、中涂、面漆等）工艺和烘干工艺。一般，车身涂装的典型工艺包括：①涂三层烘三次体系（漆膜总厚度为70～100μm）；②涂三层烘二次体系（漆膜总厚度为70～100μm）；③涂二层烘二次体系（漆膜总厚度为55～75μm）。整个过程需要有大量的化学试剂处理和精细的工艺参数控制，对涂料以及各项加工设备的要求都很高。

4. 总装工艺

总装工艺是将汽车零部件按规定的技术要求，选择合理的装配方法进行组合、调试，最终形成可以行驶的汽车产品的过程，是整车制造的最后一个环节。前边的三道工序（冲压、焊装、涂装）完成的漆后白车身在总装进行整车装配。

除了以上传统钣金车身的四大车身制造工艺，对于全铝车身和碳纤维复合材料车身，传统的四大工艺还需要进行相应的调整和改变。

对于全铝车身，其焊接制造工艺需要进行重新考虑。由于铝合金材料对热比较敏感，如果继续使用大量的传统焊接工艺，会存在焊接强度低以及产品尺寸的精度控制问题。因此在全铝车身上，需要更多地考虑新型的连接工艺，比如自冲铆、结构胶粘接技术等冷连接技术，避免在车身连接处产生热变形。

对于碳纤维复合材料车身，传统的冲压和焊接工艺需升级为模塑成型工艺和粘接工艺。宝马公司是碳纤维复合材料在汽车中应用的领先者。宝马公司将7～11层厚度的碳纤维织物根据需要进行切割，采用高压树脂传递模塑工艺（HP-RTM），最后才变成能够安装到宝马i3 Life上的零部件。宝马i3的白车身有130个零部件，碳纤维复合材料零部件采用粘接工艺，并实现100%的自动化，碳纤维复合材料车身的粘接长度达到160m。碳纤维复合材料框架通过金属紧固件和胶黏剂，与底盘、动力系统等进行“合体”，成为完整车身。

1.2.5 车身性能要求

如前所述，目前车身主要有两种结构形式，承载式车身与非承载式车身。无论哪种结构，车身都需要同时满足刚度、强度、振动、噪声、安全、空气动力、密封、防腐、操纵稳定性和舒适性等多项性能要求。这些性能要求应该贯穿整车车身结构的设计过程。车身基本性能要求如下：

1. 被动安全性要求

被动安全性要求是车身设计的关键性能之一。被动安全性要求除了对驾驶人和乘员的保护之外，目前也逐步加大对行人的保护要求。对此，各国都建立了相应的汽车安全强制法规。在我国，车身的碰撞安全必须满足下列标准的规定：

① “乘用车正面碰撞的乘员保护”应符合GB 11551的规定。

② “乘用车侧面碰撞的乘员保护”应符合GB 20071的规定。

③ “乘用车正面偏置碰撞的乘员保护”按GB 20913的规定。

④ “汽车安全带安装固定点”应符合GB 14167的规定。

⑤ “侧门强度”应符合GB 15743的规定。

⑥ “汽车前、后端保护装置”应符合GB 17354的规定。

另外，NCAP（New Car Assessment Program）新车评价规程也促进了汽车被动安全性能的提升。NCAP最早始于美国，1978年USNCAP提出5星评价方法，用于在正面碰撞中评价汽车保护车内乘员的性能。全球NCAP评价程序包括ANCAP（澳大利亚）、EuroNCAP（欧洲）、USNCAP（美国）、IIHS（美国保险组织）、CNCAP（中国）、JNCAP（日本）、KNCAP（韩国）、LATINNCAP（拉丁美洲）、ASEANNCAP（东南亚）。在所有的NCAP机构中，EuroNCAP的影响力较大。NCAP具体内容大致包括两方面，即正面碰撞和侧面碰撞。碰撞测试的内容，各个国家所采用的标准不同，美国40%ODB正面碰撞速度为64km/h，侧面碰撞速度为50km/h，我国正面100%刚性壁碰撞速度为50km/h，40%ODB正面碰撞速度为64km/h，侧碰速度为50km/h。进入不同的汽车市场，一般需要按不同国家/地区要求进行NCAP测试，并用星级进行安全性评价。

基于车身被动安全性要求，需要对车身碰撞传力路径进行合理设计。对车身变形区域进行合理划分和设置，如图1-20所示。

一般，需要在汽车开发过程中对车身碰撞力传递路径进行优化，使车身具有合理的抗撞性能。优化后的车身结构件布置使车身成为一个连续完整的受力系统并有合理的载荷路径。主要承受载荷的车身骨架，设计时需要考虑截面形状、受力方向、力的传递路径以及力矩的作用位置等。通常，当外力作用于白车身某一部位时，白车身的所有骨架构件都将不同程度地受到载荷作用，呈现为最佳承载结构。

随着汽车车型更新和安全性要求更加严苛，车身的碰撞路径需要不断迭代优化。比如本田飞度（FIT）汽车，其几代车型开发中，对车身碰撞路径进行逐代优化，如图1-21所示。

2. 车身刚度要求

车身刚度是车身设计最重要的指标之一，也是决定汽车品质和性能的重要指标。车身刚度包括车身静刚度（车身弯曲刚度、扭转刚度和局部刚度等）以及车身动刚度（模态特征、传递特性等）。车身刚度最终影响汽车的NVH性能和车身结构耐久性。

一般，白车身的固有频率要求满足一阶扭转模态达到33～35Hz，一阶弯曲模态达到38～40 Hz。对于纯电动车，固有模态指标会进行相应的修正。刚度目标设定则需要考虑车型定位、竞品车分析等相关信息。

在车型开发过程中，车身模态分布和NVH目标贯穿了整个开发过程。白车身的静态弯曲和扭转刚度的目标值设定非常重要，直接影响到整车NVH性能，并会影响碰撞安全、操控性能、可靠性能以及成本等。在车型开发初期，主要工作是对标测试和分析，研究竞品车车身的NVH特征，设定车身NVH目标。在车型项目开发中期，进行车身的CAE优化以及数模检查、白车身测试以及声学包结构设计与分析。在车型开发后期，进行白车身和内饰车身的气密性检测、车身模态等测试和分析验证。

车身框架由车身结构件组成，其刚度由组成车身框架的梁的刚度和连接接头的刚度共同决定，而车身框架刚度决定了车身的模态振型和频率。框架式车身其他部件的支撑结构，如车门、车身板、前舱盖、行李舱盖等开闭件，以及其他各种结构附件，如转向管柱梁、仪表板、座椅、后视镜等，都安装在车身框架上。

3. 车身的疲劳耐久要求

在汽车行驶过程中，车身结构通常会受到交变载荷的作用，经过一定的时间，一些零部件会出现裂纹，甚至发生断裂等疲劳失效，严重影响整车安全。据统计，汽车90% 以上的零部件损坏都属于疲劳失效。耐久性试验一直是疲劳或耐久性能评估的主要手段，但是通过试验来发现问题，成本往往非常高。为确保车身结构在规定的使用期内不会发生疲劳破坏，在车身设计阶段必须对车身结构进行疲劳分析，对样车进行相应的疲劳强化测试。汽车的疲劳耐久性设计是主机厂必须掌握的整车性能开发技术。

在交变载荷作用下工作的零件或者构件，如果仅按照静载荷去设计和校核，在使用过程中往往会发生突然破坏，具有很大的危险性。疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状和尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。造成疲劳破坏的重复变化载荷，称为疲劳载荷，分为三类，第一类是载荷幅值基本不变的等幅载荷或常幅载荷，第二类是载荷幅值按一定规律变化的阶梯载荷，第三类是载荷幅值随机任意变化的随机载荷。汽车行驶中常遇到的是随机载荷。

材料或构件疲劳性能的好坏用疲劳强度来衡量，即材料或构件在交变载荷作用下的强度。疲劳强度的大小用疲劳极限来衡量，即材料或构件可以承受无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。一般，疲劳耐久分析采用CAE分析软件，如nCode、Msc.fatigue、FE-Safe等。

在车身上，一般可进行白车身焊点疲劳的模拟分析，图1-22是采用nCode计算得到的某车型的车身焊点疲劳寿命分布图。

4. 车身轻量化要求

轻量化的首要目的是节能减排。另外，车身减重可以减少底盘系统负重，从而可进行底盘等系统的轻量化设计，具有轻量化二次效应。

随着汽车车身技术的不断发展，车身结构的合理优化布置以及轻质车身材料的应用，是目前车身轻量化设计的主流。每年在德国巴特瑙海姆都会举办欧洲车身会议，对国际上最先进的车身设计和制造技术进行交流。通常采用白车身轻量化系数（L）来评估其轻量化水平，图1-23是计算白车身轻量化系数（L）的示意图，L越低，则轻量化水平越高。L的计算公式为

式中，m为白车身重量（kg）；C_t为白车身扭转刚度[N·m/（°）]；A为平均轮距×轴距（m²）。

从欧洲车身会议发布的平均白车身系数随时间的发展趋势中可以看到，白车身的轻量化技术在逐步提升，车身的轻量化系数逐渐降低。

目前，车身轻量化主要考虑通过有限元分析和结构优化设计进行车身结构的设计优化，同时，积极采用高强度钢板减薄以及铝合金、碳纤维增强复合材料等轻质材料进行车身轻量化设计。图1-24是奥迪Q7的钢铝混合车身，图1-25是路虎（Range Rover）的全铝车身，图1-26是宝马i3的碳纤维车身。这三种典型车身是不同车身结构形式和用材的典型代表。目前车身用材的发展趋势是多材料混合应用，即合适材料用在车身合适的位置。

5. 车身防腐要求

现代轿车车身主要由钢板冲压焊接而成，钢板强度高且易加工，但是容易生锈。钢板锈蚀会导致车身外观劣化，同时会降低车身强度，恶化车身性能。防腐是目前钢制车身必须要考虑的问题。不同主机厂对整车防腐要求有不同的设计目标，同时按照车身位置不同，防腐指标要求也不同。钢制白车身加开闭件都要进行涂装，在钢制零部件表面覆盖电泳涂层，达到防腐设计要求。

车身防腐设计主要包括三个方面：①在车身结构设计时布置适当的电泳孔和排气孔，使电泳液进入到车身结构中，并排出车身结构内部空气，使车身均匀涂覆电泳液，达到防腐目的。②在前舱盖、车门和行李舱盖的内外板接合处卷边，并填充密封胶或者黏接剂，封住端面。③车身底部喷涂PVC底漆，形成较厚的防沙石损伤涂层。

6. 人机与总布置要求

车身总布置在整车总布置的基础上进行，在车身总布置设计过程中需充分考虑人机工程学要求，保证不同用车人群的乘坐舒适性、视野、安全性、操纵性以及上下车方便性等。人机与总布置要求主要内容包括驾驶人座椅布置、驾驶人眼椭圆和头廓包络设计、驾驶人视野设计，以及乘员头部空间和轿车顶盖布置等。