白车身及车身骨架结构设计要求

2024年2月7日发(作者：威驰汽车图片)

白车身总体结构

1.1 概述

白车身通常指已经焊装好但尚未喷漆的白皮车身(Body in white)，即由各种各样的骨架件和板件通过焊接拼装而成的轿车车身。本章内容主要针对车身骨架进行描述，不包括车身覆盖件。

1.1.1 车身作用

主要是为驾驶员提供便利的工作条件，为乘员提供安全、舒适的乘坐环境，隔绝振动和噪声，不受外界恶劣气候的影响。车身应保证汽车具有合理的外部形状，在汽车行驶时能有效地引导周围的气流，以减少空气阻力和燃料消耗；此外，车身还应有助于提高汽车行驶稳定性和改善发动机的冷却条件，并保证车身内部良好的通风。同时车身也是一件精致的艺术品，给人以美感享受，反映现代风貌、民族传统以及独特的企业形象。

1.1.2 车身类型

车身壳体按照受力情况可分为非承载式、半承载式和承载式(或称全承载式)三种。

1.1.2.1 非承载式

非承载式车身的特点是车身与车架通过弹簧或橡胶垫作柔性连接，如图1-1；在此种情况下，安装在车架上的车身对车架的加固作用不大，汽车车身仅承载本身的重力、它所装载的人和货物的重力及其在汽车行驶时所引起的惯性力与空气阻力；而车架则承受发动机及底盘各部件的重力；这些部件工作时，一直承受着支架传递的力以及汽车行驶时由路面通过车轮和悬架传递来的力(最后一项对车架或车身影响最大)；这种结构型式一般用在货车、专用汽车及部分高级轿车上。

图1-1 非承载式车身

1.1.2.2 半承载式

半承载式车身的特点是车身与车架或用用螺钉连接，或用铆接、焊接等方法刚性地连接,如图1-2。在此种情况下，汽车车身除了承受上述各项载荷外，还在一定程度上有助于加固车架，分担车架的部分载荷。半承载式是一种过渡型的结构，车身下部仍保留有车架，不过它的强度和刚度要低于非承载式的车架，一般将它称之为底架。它之所以被命名为半承载式

是出于以下考虑：让车身也分担部分载荷，以此来减轻车架的自重力。这种结构型式主要体现在大客车上。

图1-2 半承载式车身

1.1.2.3

承载式

承载式车身的特点是没有车架，车身就作为发动机和底盘各总成的安装基础，车身的强度和刚度通常由车身下部来予以保证。一般中低档轿车车身属于承载式车身。以S11车身为例，如下图1-3所示。

图1-3 承载式车身

为了减小汽车的整车重量和节约材料，大多数中级、普通级、微型轿车和部分客车车身常采用承载式结构。货车驾驶室只占汽车长度的小部分，不可能采用承载式结构。

没有完整的封闭构架的开式车身(敞篷车)也很难采用承载式结构。高级轿车车身如果为了提高汽车的舒适性，减轻发动机及底盘各总成工作时传来的振动及汽车行驶时由路面通过车轮和悬架传给车身的冲击，则可采用非承载式结构。

承载式车身的地板有较完整(厚度也较大)的纵、横承力部件，其前部有两根断面尺寸较粗的纵梁，它们往往与两侧的前挡泥板和前面的散热器固定支架等焊接成刚性较好的空间构架，以便直接安装发动机和前悬架等部件并承受其工作载荷。

与此相反，非承载式轿车的车身前部就较薄弱，其车前钣金制件通常不是焊接在车身壳

体上，而是用螺钉相互连接起来并安装在车架上。

1.2 车身骨架的结构分块

车身骨架主要由车身前部总成、前围总成、侧围总成、地板总成、顶盖总成和后围板总成组成，如图1－4。

1、前部结构 2、前围总成 3、侧围总成 4、地板总成

5、顶盖总成 6、后围板总成

图1-4 车身骨架

1.2.1 前部结构

承载式车身的前部结构，其主要功能是支撑发动机、驱动装置、悬架和散热器等，并承受各种载荷作用。车身前部结构的横向承载单元主要由前大灯框架、水箱横梁等焊接组成；两侧的纵向承载单元主要由前纵梁、轮罩、前翼子板支架等焊接组成。

1.2.2 前围总成

轿车车身前围是分隔车身前部与座舱的结构总成，支承并安装前风挡玻璃、雨刮器、

仪表板横梁、转向柱、脚踏板和空调等。一般由前围上盖板、前围板、转向柱支架等组成。车身前围对保证车身的扭转刚度、改善座舱舒适环境和提高碰撞安全性等起着重要作用。

1.2.3 侧围总成

侧围是形成轿车左右侧壁，是组成座舱的重要结构总成，它是支撑顶盖，连接车身前后部分的侧面构件，是固定前风窗玻璃，并用来安装侧门，保证车身侧面撞击安全性的承载框架，应具有较大的抗弯、抗扭刚性和强度；其主要由侧围外板、A柱、B柱、C柱及加强板等焊接组成。

1.2.4 底板总成

车身底板是车身的支承部分，应提供足够的强度和刚度，从而保证车身的承载能力。现代轿车为满足造型和视野等要求，广泛采用细窗柱、大面积玻璃和薄车顶等结构型式，由此

加大了车身底部结构部分的承载分量，以致车身设计上对车身底板结构的承载能力要求更高。加上底板结构的防振、隔音和防腐蚀性能的要求，以及车身室内居住性的不断改善对底板布置的影响，使得合理设计底板结构成为车身结构设计的重要内容。

轿车车身底板结构主要由前底板、后底板、中通道、门槛、连接板、座椅支架等构件组成，见图1-5。底板总成的关键部件是门槛梁和分置在其间的横梁。横梁可以起到防止底板折叠的作用。一般侧向要预留200～300mm的空间，供侧向的皱折变形之用。为了提高门槛抗弯强度，应尽量加大其断面尺寸。此外，也可以在门槛梁内增设衬板结构。

图1-5 地板总成结构

1.2.5 顶盖总成

顶盖由顶盖前、后横梁支承，并焊接在其上，从而使其刚度和强度得到增加，如图1-6。现代轿车设计中，从扩大视野和上下车方便性考虑，已广泛采用薄车顶、四周小圆角过渡的顶部结构型式，既保证了顶盖的刚性，又减小了振动噪声。

1.2.6 后围板总成

后围板总成即为行李箱盖下方连接左右翼子板的部分，一般包括上、下连接板、后围加强板、锁销加强板等，并安装后保险杠。

图1-6顶盖总成结构

1.3 现代汽车车身骨架的主要构成部件

前纵梁

前纵梁为轿车车身前部承载的主要结构，主要承担来自前悬架系统、发动机悬置(有的车不需要)的工作载荷，同时它也是前碰的主要吸能结构，所以，它担负着重要的安全功能。

前围板

前围板是指发动机舱与车厢之间的隔板，它与地板、前立柱连接，并安装在前围上盖板之下。前围板上有许多孔口，作为操纵用的拉线、拉杆、管路和线束通过之用；另外，其还要满足脚踏板、转向柱等机件的安装要求。

为防止发动机舱里的废气、高温、噪声窜入车厢，前围板上要有密封措施和隔热装置。在发生意外事故时，它应具有足够的强度和刚度。对比车身其它部件而言，前围板装配最重要的工艺技术是密封和隔热，它的优劣往往反映了车辆整体的质量。

前围上盖板

前围上盖板一般由上盖板内板、上盖板外板以及加强板等构件焊接而成，支承并安装前风挡玻璃和雨刮器。通常采用具有很大扭转刚度的箱型断面结构。前围上盖板通过两侧的端板与车身左右侧围的前立柱焊接，是决定车身扭转刚度的主要构成元件。

A、B、C柱

一般轿车车身有三个立柱，从前往后依次为前柱(A柱)、中柱(B柱)、后柱(C柱)。对于轿车而言，立柱除了支撑作用，也起到门框的作用。

设计师考虑前柱几何形状方案时还必须要考虑到前柱遮挡驾驶者视线的问题。一般情况下，驾驶者通过前柱处的视线，其双目重叠角总计为5～6度，从驾驶者的舒适性看，重叠角越小越好，但这涉及到前柱的刚度，既要有一定的几何尺寸以保持前柱的高刚度，又要尽量减少驾驶者的视线遮挡，始终是一个矛盾的问题。设计者必须尽量平衡两者以取得最佳效果。在2001年北美国际车展上，瑞典沃尔沃推出的最新概念车SCC，就将前柱改为通透形式，镶嵌透明玻璃以便驾驶者可以透过柱体观察外界，令视野盲点减少到最低程度。

中柱不但支撑车顶盖，还要承受前、后车门的支承力，在中柱上还要装置一些附加零部件，例如前排座位的安全带、线束等。因此中柱大都有外凸半径，以保证有较好的力传递性能。现代轿车的中柱截面形状是比较复杂的，它由多件冲压钢板焊接而成。随着汽车制造技术的发展，不用焊接而直接采用液压成型的封闭式截面中柱巳经问世，它的刚度大大提高而

重量大幅减小，有利于现代轿车的轻量化。另外，有些设计师从乘客上下车的便利性考虑，索性取消中柱；最典型的是法国雪铁龙C3轿车，车身左右两侧的中柱都被取消，前后门对开，乘员完全无障碍上下车。当然，取消中柱就要相应增强前、后柱，其车身结构必须要用新的型式，材料选用也有所不同。

后柱与前柱、中柱不同的一点就是不存在视线遮挡及上下车障碍等问题，因此构造尺寸大些也无妨，关键是后柱与车身的密封性要可靠。

顶盖

顶盖是车厢顶部的盖板。对于轿车车身的总体刚度而言，顶盖不是很重要的部件，这也是允许在车顶盖上开设天窗的理由。从设计角度来讲，重要的是它如何与前、后窗框及支柱交界处平顺过渡，以求得最好的视觉感和最小的空气阻力。当然为了安全，车顶盖还应有一定的强度和刚度；另外，除了在顶盖下增加一定数量的加强梁外，顶盖内层也敷设绝热衬垫材料，以阻止外界热量和噪声的传入。

顶盖通常分为固定式顶盖和敞篷式顶盖两种；固定式顶盖是常见的轿车顶盖形式，属于轮廓尺寸较大的大型覆盖件，属于车身整体结构的一部分。它具有刚性强，安全性好，汽车侧翻时起到保护乘员的特点，缺点是固定不变，无通风性，无法享受到阳光及兜风的乐趣。

敞篷式顶盖一般用于档次较高的轿车或跑车上，通过电动和机械传动，移动部分或全部顶盖，可以充分享受阳光和空气，体验兜风的乐趣；缺点是机构复杂，安全性和密封性较差。敞篷式顶盖有两种形式，一种称为“硬顶”，顶盖用轻质金属或树脂材料做成；另一种称为“软顶”，顶盖用篷布做成。

目前新型敞篷车多用硬顶形式，例如标致206CC跑车，按动电钮，即可使后行李舱盖向后揭开，顶盖自动折叠并随支柱(车厢后柱)的摆动而向后移动，移至行李舱处降下，降入行李舱内，然后合上行李舱盖，此时整车就成为了一辆敞篷车。

硬顶式敞篷车的各部件之间配合相当精密，整个电控操纵机构较复杂，但由于采用硬性材料，恢复车厢顶盖后的密封性较好。而软顶敞篷车由篷布及支撑框架构成，将篷布及支撑框架向后折叠就可以获得敞开式车厢。由于篷布质地柔软，折叠起来比较紧凑，整个机构也相对简单，但密封性及耐用性较差。

固定式顶盖和敞篷式顶盖有各自的优缺点，可不可以去除缺点而保留两者优点？设计师想出了一个折中的办法：在固定顶盖上开窗口，即“天窗”，既可保持固定顶盖的优点，又可在一定程度上获得敞篷效果，两者兼顾，还可增加厢内光线。这种方式受到了汽车消费者的欢迎，在20世纪80年代后，开天窗的轿车迅速流行起来。

翼子板

翼子板是遮盖车轮的车身外板，因旧式车身该部件形状及位置似鸟翼而得名。按照安装位置又分为前翼子板和后翼子板，前翼子板安装在前轮处，因此必须要保证前轮转

动及跳动时的最大极限空间，因此设计者会根据选定的轮胎型号尺寸用“车轮跳动图”来验证翼子板的设计尺寸。

后翼子板无车轮转动碰擦的问题，但出于空气动力学的考虑，后翼子板略显拱形弧线向外凸出。现在有些轿车翼子板已与车身本体成为一个整体，一气呵成。但也有轿车的翼子板是独立的，尤其是前翼子板，因为前翼子板碰擦几率比较大，独立装配的话，售后就容易整件更换。目前，有些车的前翼子板用有一定弹性的塑性材料(例如塑料)做成，具有很好的缓冲性，比较安全。

车身上其他重要的结构件还有：前围上盖板、流水槽、后围板、地板、门槛等。

1.4 车身骨架总体设计的硬点及主要尺寸

所谓硬点是指汽车设计中确定的、轻易不能改变的位置或形状，它可以是孔、平面或一段曲面等等。车身骨架总体设计时须与底盘及总布置协作，初步完成动力总成、底盘系统硬点、前后悬架、轮胎包络面模型、排气系统、冷却系统、电瓶等的布置方案；此时，与车身连接的一些硬点即初步确定完成，如副车架安装点、前悬安装点、后悬安装点、发动机悬置安装点等。以前悬架系统为例，其硬点位置如下图1-7。

图1-7 前悬架系统结构图

1前滑柱安装点(左右各三个) 2副车架后安装点(左右各一个) 3副车架前安装点(左右各一个)

悬架系统传递作用在车轮和车架(或车身)的一切力与力矩,故其在车身上的连接点的强度非常重要；同样，发动机悬置、冷却系统等在车身上的安装点位置及控制尺寸也须认真确定，即做好车身布置可行性分析。例如，车身上应该做怎样的结构才能控制好上图中A、B的尺寸，包括安装点处的紧固件应该如何设计等等。

1.5 车身骨架的设计要求

1.5.1 安装要求

车身骨架是轿车承载的主体，动力总成、底盘、内外饰件和电子电器部件等均安装在其上。

1.5.2 强度、刚度与安全性要求

车身强度是指在发生碰撞时，对车身施加很大外力时车身不容易被损坏的能力。刚度是指在施加不致于毁坏车身的普通外力时车身不容易变形的能力，也就是指恢复原形的弹性变形能力。强度不足的后果是车身发生开裂、断裂、塑变及压溃等，使车身丧失使用功能；刚度不足的后果是车身在使用中发生吱吱声及高频振动声，或车身开口部位发生变形，导致车门开闭困难、密封性下降。车身刚度不足甚至会影响车辆高速转弯时的稳定性。由此可见，车身结构要有必要的强度和刚度，一般来讲，强度高的车身刚度也好，在行驶中受

到各种外力时的变形也小。

车身安全性最重要的一点就是如何在发生碰撞时吸收冲击能量，保证必要的乘员生存空间，基于此点，车身结构设计并不是整体越牢固越好。碰撞载荷是汽车车身在使用过程中遇到的极端载荷情况。为了有效地保护成员的安全，车身结构在整体上应符合两端软中间硬的原则，以保证纵向碰撞发生时，车身前部或后部吸收80％以上的碰撞能量。为此，可以通过合理分配冲击力的传递路径或提高局部吸收碰撞能量的能力来达到此目的。由于纵向碰撞发生时，能量的70％需由车身纵梁吸收，因此纵梁的作用尤为重要。碰撞时可依靠局部变形吸收能量，从而减少中部成员舱变形的可能性。局部变形可以依靠梁的局部弯曲或局部发生皱折实现。利用现代技术对中空管状梁内施以填充材料，还可以大大提高其吸收能量的能力。设计中，一般应在车身前部和后部预留50～80cm的空间供碰撞能量吸收用。此外，因碰撞能量的30％要靠轮罩吸收，故需充分注意它与地板和纵梁的联接。因此，车身前后结构应具有适当的柔性，以便在发生前、后碰撞时能吸收能量。而汽车在发生横向碰撞时，没有多余的空间来变形以吸收冲击能量，因此，车身该部分结构必须牢固；设计时应该提高侧面结构的抗撞击强度，减小碰撞凹陷变形，保证座舱的完整性及生存空间。

1.5.2.1 低速时轿车车身安全性设计

为了降低维修费用以及把轿车损伤减低至最小，设计上应主要考虑以下方面：

1) 将轿车乘客区设计成为高强度、高刚度的结构，以便经受多方向的碰撞而基本不变形。

2) 轿车车身前部和后部设计成可定向变形的区域，以达到碰撞时吸收能量的目的。

3) 在车身前部配置高强度的横向连接件，以承受正面碰撞的冲击。

4) 将车身地板设计成具有耐碰撞结构，以传递剩余的碰撞能量。

5) 车门框及A、B、C柱应具有足够的刚度和强度，以保证碰撞发生后，车门能被打开。6) 车顶盖应采用加强壳体和车顶框架结构，以保证顶盖抗压能力。

7) 轿车的纵向结构从发动机舱到客箱的变形阻力逐渐增大，以避免或减少汽车的碰撞损伤，降低修理费用。

8) 当正面、后面、侧面碰撞后，保证车内乘员无伤害。

9)需要考虑行人保护法规。

9) 车身本体后部经质量为1000kg的碰撞车以15km/h车速和40%覆盖面碰撞试验，除车身本体后部零件外，其他车身本体零件不需要再更换，减少维修费用。

1.5.2.2高速时轿车车身安全性设计

不仅需要对轿车车身提出更高的耐撞性要求，更重要的是使乘客得到最优的保护，既要考虑自身车内的乘客安全，还要考虑对方车内的乘客安全。除上述的设计特点外，在设计上还应有以下几个方面的考虑：

1) 车身本体碰撞承载结构采用轻量化设计，尽量采用高强度钢，使强度提高。

2) 保证速度为64km/h，覆盖面为40%正面碰撞后，车内乘员不致受伤。

3) 室内零件尽可能表面光滑及软化，避免有棱角。

4) 雨刮器的销轴应基本被发动机罩遮盖。

1.5.3法规要求

除设计图纸的绘制与标注应按有关国家标准进行外，车身设计还应遵守与汽车车身安全有关的一些标准与法规。即车身结构设计应具有很好的碰撞安全性，要求车身结构在碰撞时被适

当地损坏，利用车身特定部位的合理变形来吸收碰撞能量，从而减缓传给乘员的冲击，保护乘员安全。

中国有关轿车车身的强检标准

1) GB 11551－2003 乘用车正面碰撞的乘员保护

2) GB 11553－1989 汽车正面碰撞时对燃油泄漏的规定

3) GB 20071－2006 汽车侧面碰撞的乘员保护

4) GB 20072－2006 乘用车后碰撞燃油系统安全要求

5) GB 7258－2004 机动车运行安全技术条件

6) GB 14167－1993 汽车安全带安装固定点

国外有关轿车车身的法规

1) FMVSS 美国联邦机动车安全标准

2) EEC 欧洲经济共同体机动车指令

3) ECE 联合国欧洲经济委员会机动车法规

4) ADR 澳大利亚机动车安全设计法规

5) 日本道路运输车辆安全标准

6) ISO 国际标准等

1.5.4 轻量化设计要求

作为大批量生产的汽车，减小其自身重量可节约大量的制造材料，降低生产成本。合理地减小汽车的自身质量，会对汽车工业和汽车运输业带来巨大的经济效益。车身结构轻量化设计一般采取以下两种方法：即在把握住车身结构部件所具有的强度水平的基础上，尽量采用轻质材料；以及优化设计，减少零部件数量。应用计算机解析车身结构，优化结构设计非常重要，由于使用了高强度钢板，部件强度得到了保障，也符合轻量化设计要求，但材料的拉伸弹性模量并没有多大的变化，因而会导致刚度的降低，所以必须靠车身部件的型状设计来保证应有的刚度。下表1-1列出了一种车型的轻量化设计与原方案的数据比较：

表1-1 一种车型的轻量化设计与原方案的数据比较

车身特性

车身净质量(kg)

静态扭转刚度(N·m/°)

静态抗弯刚度(N/mm)

扭转振动固有频率(Hz)

1.5.5 车身耐久、防腐蚀、密封性、隔音、隔热要求

汽车在行驶过程中，经常处于受腐蚀的环境中，例如雨水的侵蚀，工业区的大气污染，污水的侵蚀等，从而影响汽车的使用寿命，因此必须重视提高钢板的防腐蚀性；一般有以下三种途径：

1) 改善材料的抗腐蚀性。轻合金和玻璃钢等是良好的防腐蚀性材料，但由于材料的来源和加工方法的原因，这些材料使用受到限制。如采用镀锌钢板则有很大的发展前景，因为这种防腐蚀材料仍以钢板为基本材料，生产设备不必进行很大的变动。

2) 涂刷防腐材料。在使用防腐蚀涂料方面，为了提高漆膜的牢固性，通常先进行磷化处理，再上防锈底漆。近年来采用水溶性油漆或电解涂漆工艺，进行整个车身的侵漆，防锈原方案轻量化设计目标值

271 205 200

11531 19056 13000