车身的功能设计

奥迪Q5代表了奥迪B类车中的新车型。在设计中特别强调了它的设计、驾驶体验、越野能力和舒适性。新一代的SUV应该拥有进取抢眼的外型。在设计车身时通过加高的车顶线、大轮罩、包围式尾门、环绕式车门的车门槛、无缝或侧气孔来展现其大气。

1 车身结构

为能满足驾驶舒适性和低噪音的要求，结构设计必须统一而和谐。该车行李箱空间巨大、负载地板较宽、后排座椅纵向可移并带有车顶行李架，且该车的重点还在于其良好的越野性能。并且奥迪Q5还可以通过选装旋转式联接器来增强其越野性能。

在进行结构设计时，对部件分离和连接技术的早日确定可简化安装步骤并节约成本。环保要求的日益提高对车身重量的规定也日益严苛。因此只有通过应用最先进的材料和生产技术，并对几何和凸形材料进行合理安装（尤其是合理的连接），才可解决这些问题。而奥迪Q5在研发时以考虑到所有上述这些功能要求了。

2 原材料

通过轻量型钢结构和虚拟支持可适宜分配车厢内的重量。而最新的生产技术和高科技材料则可大大减轻车厢的分量。

在需要特别加强的范围则可使用强化过的钢（热加工）。该技术所生成的钢，与传统高强度的钢相比，刚性更强重量更轻。因此不仅质量得以减轻，且车身的抗撞击性也更佳。热压成型硬化（加压硬化）可将可加压硬化的硼合金钢制的金属板在连续式炉中加热到约950°C。之后通过冷却的工具将加热过的金属板加压成型同时进行淬火。以此制成的马氏体结构拥有超高强度。与奥迪其他材料不同，该热压成型的部件无法镀锌。在连续式炉中加热时，锌会熔化或蒸发（其熔点：420°C，沸点：907 °C），从而失去其防腐蚀的特性。因此该部件使用的是热渗铝。与热镀锌相似的是，该卷材带有硅成分的铝也会熔化。因为，该硅铝合金层（AlSi）有20至30cm厚，从而在炉中可防止钢材的过度氧化，同时代替锌以防部件发生腐蚀。

尤其要提的是部分调质处理。在装有侧面撞击管理的组件B柱上采取了该新方法以生成刚性不同的组件。该超高硬度和高硬度的“材质混合”也用于后部纵梁，用于抵抗快速或缓慢的尾部撞击。热压成型所使用的底料为22 Mn B 5。通过该新方法，在炉中，可对不同部分进行加热或冷却，因此同一部件会有不同的强度和变形参数。因此汽车所用材料可按质地需要进行分布，且无需额外的会因

加热而对过度区域加以影响的连接技术（拼焊金属板的激光焊缝切割）。通过硼合金钢和不同厚度的金属板，即通过激光焊缝连接（TWB）的金属板的组合可以进一步开发轻型结构。比如说此处所用的通道加强件和纵梁加强件。

另外，还可按要求使用灵活的碾压过的金属板，以保证通道区域内的结构却不会受到热影响(TRB)。

例如：该技术也应用于奥迪Q5的后闭合件，以防侧面撞击的加强件和后部底板的不同结构部件上。

除了带全压成型的钢制车门的自承式车身结构，该汽车处于轻质和功能原因，其发动机盖和尾门都是铝制的。在车厢内，除了车门和盖板以外，热压成型的超高强度钢占总重的10 %。而最大部分使用的是高强度的材料，占43.6 %。为实现车身的轻质结构设想，并改善抗撞击性能，除了高强度钢还使用了热压成型的钢。 图1。

超高强度钢9.1 %

最高强度钢3.3 %较高强度钢12.3 %

普通钢30.8 %

高强度钢44.5 %

图1：奥迪Q5车身结构中所使用的材料

WPS 结构胶

等离子管1.63 %镭射焊接3.5% 激光焊接4.17 %

WPS 72.9 %

结构胶17.12 %

衬里粘合剂0.28 %

MIG/MAG 0.79 %折叠胶粘剂 0.14 %

图2：奥迪Q5车身结构中所使用的连接技术

3 连接技术

按照要求大纲，奥迪Q5在进行连接过程时考虑到了晃动舒适性和被动安全性，一方面可以稳固的方式方法保证功能性，另一方面在生产过程中以经济的方式满足流程安全性。图2。可满足该要求的主流技术即电阻点焊技术。奥迪Q5的车身单元上约使用了5000个焊点。

另一项粘贴工序则用于刚度敏感区域，即焊点粘贴。该连接技术综合了电阻点焊

和刚性粘贴，从而提高了焊接法兰的连接面积增强了结构的刚性。且该技术允许焊点以较大间距排列。在许多情况下该技术可保证法兰的密封性，从而无需再用额外的措施。

带双元件粘结剂的刚性粘贴多应用在较难够到的区域。通过粘贴可在关键连结点实现方案中的组件设计。另外在密封性要求高的位置可使用另外一种粘结剂。连接时使用的以橡胶为底料的衬里粘合剂，在事后则无法再被密封。在奥迪Q5的车身结构涂有约83米的粘缝。

当粘结缝处不得有所不同时，则需使用MAG焊接。通常用于下层结构焊接组的焊缝处和上层结构的底板焊接组。此处所用的是最先进的带冷技术焊接源转移（GMT）的焊接设备。由于热负荷小，因此降低了焊接延迟提高了生产质量。 为了保持车身外皮的美观，必须进行精准的车身建构并使用高质量的连接技术。车顶与侧围板之间的分离无需通过额外的车顶饰条粘合，因此人们使用的是无缝的激光焊接。同时也可降低工作时的噪音并提高对用户的有利性。而侧围板与应用件之间的水管则采用等离子焊接。

激光焊接主要用于外部焊接组和前部轮罩范围。门槛处使用的是最高强度的钢材，并采用远程激光焊接技术，可降低生产时间。该连接技术只需使用很小的焊接法兰就可生成较大的型材截面。

为满足所设定的要求并使研发和生产成本具有竞争力，需要对所有相关部门的工作进行联接，并就之前的项目进行经验交流。而SE小组中不同领域工作的尽早开始便是该联接的基础。该流程的结果是通过使用最先进的原材料和连接技术可达到预发展阶段方案中对刚性和抗撞击性的最高要求。

4 防腐蚀措施

新奥迪Q5也拥有3年车漆保修和12年的锈穿保修，这大大提高了该车的再购买价值。为优化研发成本，必须尽早在车身方案中加入防腐蚀的设计。而奥迪Q5则是奥迪车中第一辆采用密封缝虚拟显示技术的

图3：第一次作为CAD模型制造的奥迪Q5的焊缝密封

车辆。密封缝的DMU-模型

可直接通过CAD（CATIA）构建，并可在实际车身制造前根据包装和结构部件的安装空间进行修改。图3。

外部车门槛也是该方案的一个新颖之处。奥迪Q5的整个门槛范围至千斤顶支架处都装有塑料件饰板，这保护金属板免于碎石撞击。 该保护措施由cw饰板、灰尘厚度、车门盖条的设计相互协调后构成，所以是无漏洞的防护措施。千斤顶支架由于功能

图4：用塑料件对车身（灰）石子撞击侧门槛区域进行全面防护；千斤顶支

原因需要保持一定空间，

架的空白处已被底板防护覆盖

因此可使用车厢底板护面，图4。

首先用于洪水法的空腔封蜡防腐蚀处理是车身可长时间防腐蚀的一大功臣，图5。如往常一样，奥迪在该领域是唯一的领头羊。通过洪水法，已上过漆的车身将被先加热到80°C （最低）。然后将空腔用120°C 的热蜡浇灌。该温度时的蜡已可如水般流动，并将流入焊接点法兰。这可保护车身长期不被腐蚀。通过洪水法达到的保护功效要比喷射防腐剂好，因

为使用喷射流程无法对整个空图5：奥迪Q5使用液态蜡进行空腔防腐蚀的一览图,为了便于观察，未显示上了

蜡的车门 腔进行保护。

相应措施可根据INKA（Ingolstadt的腐蚀和老化测试）测试进行功效保障。该长达19周的测试可将整辆车循环置于不同环境下进行检测：盐雾天、湿热天、干热天等，温度可达 -40 °C ，通过四柱装置的晃动运行可将汽车运送到测试轨道上。通过该测试所搜集的数据明确表示，使用奥迪Q5的用户，其车辆的质量将如用户期待般长久而稳定。

5 后行李箱系统的研发

在Q7之后，奥迪又为Q5研发出新的第二代包围式尾门。和Q7一样，Q5后行李箱方案也对钢制和铝制材料进行了评估。考虑到必须将尾门的重量控制在合同范围内，并且对用户来说要易于操作，因此后行李箱必须使用全铝制的材料。连接技术则可使用咬合连接、激光焊接和粘结剂。

从一开始，研发目标就旨在总结所以之前项目的经验以制定出最佳方案。通过和Ingolstad计划部门的紧密合作，在整个研发期内，可对一些重要参数如生产时间和流程安全性进行优化。因此可在较早阶段确定下有关可制造性和相关参数的设定。重要参数如尾门的回绕维数以及相关的面积和缝合走向，将在设计中一一确定。尾灯结构也对其有重要影响，必要时需在结构空间处就可制造性和灯光技术做出让步。只有通过后行李箱和尾灯部门间不断的团队工作才能设计出完美的灯光方案。

和Q7一样，空气动力学的要求只可借助塑料扰流板的安装来解决。该部分除了包括第三制动信号灯还有天线的绝大部分。后行李箱可选用自动驱动。该驱动方式源自Q7，并带有新研发出的尾门铰链，可节约安装时间，是该成熟技术进步的一大证明。

6 车身的虚拟NVH研发

奥迪Q5的NVH（噪音、震动、粗糙性）设计是整体虚拟设计的一部分，它关注的是包装、设计、汽车安全性、硬度和可制造性方面的要求。该NVH研发的目的在于设计出符合车系要求的汽车，即降低震动时的不舒适性、降低轻型车厢内的噪音并有竞争力并能节省生产费用。该任务设定的框架取决于对有吸引力的设计方案的转换。需关注的设计因素即上文所述的环绕式后行李箱。可选装的全景滑动天窗、纵向可移的后排座位以及平面负载地板是方案早期阶段车身结构机械设计的重要特征点。

NVH设计的其他结构前提包括结构性和功能性方面的要求：短型悬挂装置、前移的前桥、大车轮（轮罩）、以设计和用户为导向的尺寸和包装方案、200 mm的离地距离和符合车系形象的行驶与声效舒适性。 考虑到上述要求后，NVH设计的研发重点可总结为：

- 车身自身频率与底盘自身频率之间要有足够间距，怠速激活起动是抗晃动性 的主要设计内容

- 车身力量导入处（与底盘相交）的输入阻抗是车身低噪音设计的基础，并可 保持良好的动力行驶特性

- 车身上和谐的无需改变刚度的刚性分布使车身质量得以优化且更为舒适 - 对安装部件如车门、盖板、固定在地板上纵向可移的后排座椅和油箱进行适 当的频率定位可减少靠近人/车处的震动振幅 - 轻型钢质的车身结构

- 优化连接技术，保证车身规划可被许可。

汽车舒适点处加速振幅最小，则汽车震动舒适性良好。所谓舒适点即汽车上会与乘员产生物理接触的地方，包括方向盘、脚部起立点和座椅。另外在虚拟研发时，也对那些显眼的有高震动幅度且能感受到阻碍的舒适点予以关注。主要是带镜面连接的挡风玻璃或驾驶员和副驾驶员后视镜。震动舒适性的关键之处在于有协调的整体方案，可列出会导致晃动的典型触发点。此处指车身和安装部件的谐振频率。另外计算分析的重点在于具有大量装备的车身。

根据舒适分析得出的功能性关联是与编写手册人员进行讨论时的基础，并有利于试验部门根据汽车构造阶段的各种商讨内容进行有效处理。

根据其空间冲击性的特点，振动形式需和底盘与发动机怠速激活的谐振频率保持足够举例。重点针对以下几种振动形式：转弯、扭转、前车横向转弯。用于定位和振动形式形成的定位螺栓已在方案规划早期连同称重横、称重横截面面积的定义和车身结点结构进行提前讨论了。

功能和重量优化过的设计标准为在转弯和扭转时刚性可通过纵梁均匀分布。图6显示的是沿着汽车纵梁在第一次转弯时被触发的振动形式的刚性分布。图7是扭转结构的结构图。图8则为转弯结构的结构图。

可增强抗扭性的主要元件有：

- 在前围区安装两侧与A柱相连的前围横梁 - 用铺张的结点结构将双壳A柱牢牢连接到截面优化过的双腔车门槛上 - “狗腿区”的双壳性形成了C柱范围的第一扭转环，并与外部轮罩相连。 - C柱范围内将侧围结构支撑在内部轮罩内的多功能的安全带控制台 - 第二个扭转环，由优

图6：奥迪Q5的弯曲线

图7：抗扭结构图

图8：弯曲结构图

化过的后部车顶框架型材构成，并连同安装在侧围结构上的型材与外部轮罩相连

- 将第三个扭转环通过合适的型材和优化过的结点刚性安装在车 身结构的后行李箱开口处。

- 脚踏板处经过抗剪刚度和抗弯刚度优化的横断面，通过其可与通道断面在同一水平 上连接

- 后排座椅处有抗剪刚度的横断面，在上面有两个可支撑车轮罩的角加强件 图9：前车横向转弯结构图 - 至横向支撑件的纵梁和底

盘范围内纵梁之间的连接型材，且其横截面已进行过优化并具有抗剪刚度 - 有抗剪刚度的后闭合件。

加强抗弯刚度的重要元件有：

- 至脚踏板处的纵梁，并通过两个座椅横梁集成在底板结构中

- 与前围处牢牢相连的管道，并与脚踏板区与后纵梁相连的横梁连在一起 - 有抗弯刚度的侧围结构并和后纵梁的“内门槛”相连只要减少扭转的横向转 弯部件便可降低振动振幅。图9中为用于固定横向转弯的主要“固定螺 栓”。还有以下措施：

- 圆顶横杆和额外的对角线连接，可减震器支架的自由旋转角度 - 带抗剪刚度的辅助框架和纵梁上局部范围内有适当刚度的连接区域 - 坚固的车前端

- 纵梁至门槛处的横向支撑件

NVH所需焊点的最小值 奥迪Q5成功的车身振动每个装配顺序/分组 模型结构 NVH分析拓扑技术设计是基于对虚拟撞

（撞击和NVH） 学 击设计的密切研究和必须

在构思阶段及早确定的几何形状与连接技术，它们为研发小组在进行方案研撞击评估

究时提供了回旋余地。作

否 为撞击侧轻质材料结构的

功能达标 焊点的随机新分配

补充，使用了通过NVH设计定义的几何轻质结构，

是

以适应车身单元重量愈轻的趋势。 结构转换时所需焊点的

图10：焊点数量优化过程图

几何轻质结构还包括改良

过的连接技术。为对连接技术进行改良，我们采取的是预处理方法，即在考虑到

连接和安装顺序的情况下，对车身点焊进行全自动化处理的方法，图10。对于焊接组的子组别，则是借助拓扑优化学，来确定晃动舒适所必要的焊点分布。

在接下来的撞击分析中，子组别中的焊点分布将根据子组别中焊点数量的随机变化增加必要的焊点。

7 局部动力刚度和声学基本设计的虚拟研发

结构设计的另一个重点即车身局部动力刚度的研发。这里研究的是车身上受力分布点的细节方案，目标为将输入阻抗调整到手册中所规定的水平，图11。该方法的基础在于认知，即在阻抗失配不断增加的情况下，如何改善车身受力点和部件安装点或支架间的抗震性。该方法可确保降低传输路径上不必要的噪音。

左侧减震器支架 Y轴（N/mm）

反向触发 车身声学研发的另一个设

计重点是在ERP（等效辐射功率）评估的基础上降低金属板振动时的噪音。ERP分析是结构震动声学特性方面的一个辅助量。通过ERP分析将对标准方向和

频率（HZ） 频率（HZ）

相应金属板区域的面积比ERP 劣化

例的振荡功率平方值产物ERP优化

图11：结构性优化，以后侧减震器支架为例 的整体进行评估。

该方法已假设每个有限元网络的元素，如管中的每个灯泡都表现为并产生平波。没有考虑每个面内的位相比例和不同部件的位相关系。图12显示的是在触发已定义（此处为后辅助框架支架的Z触发）并带有50到250Hz频率范围内的局部动力刚度下的杂讯转移函数（NTF）。该表频率（HZ）

图12：杂讯转换函数和后侧辅助框架Z触发的空腔模式 中的垂直线表示的是空腔

模型。人们可从NTF和局

部动力刚度（包括支架和空腔模型形状）的相关比较中得到有关优化潜力的提示。这也是ERP优化、定位和局部动力刚度的任务重点。

局部动力刚度

动

压力

态刚度

8 驾驶舱的震动舒适性

方向盘是汽车和驾驶员之间的直接接触点，因此它对于乘员来说是最重要的舒适指标之一。奥迪Q5的高度驾驶舒适性是通过减少所有驾驶状态下的方向盘振动达到的。在相关驾驶状态如发动机空转和高速行驶以及经过不平路面时，转向柱、模块横梁和白车身之间不得产生共振。

刚性连接即模块横梁在驾驶员侧A柱、通道和白车身玻璃横梁上的抗扭连接，图13。迄今为止的方案中，通过A柱的扭应力将通过方向盘更低的杠杆比（用于模块横梁弯曲应力的支撑）得以减少。而车身前围和转向柱之间的另一称重横则绷紧了控制台上的两面固定的脚踏板机构的踏板支架，图14。超严格的设计使奥迪Q5

图13：带转向柱的模块横梁以及它和右侧车身结构

拥有高度舒适性，即转向柱和模块横梁的自身频率

骨架结构

支撑座 要高出上述驾驶状态下的模块横梁 一般频率。通过该只能连接方案可减轻10 %的模块横梁的重量。而奥迪Q5方向盘

转向柱

的尺寸也有所缩小，因此与A4相比，Q5转向柱的刚度要高出15 %左右。对于要求降低方向盘振幅，则可采取

踏板支架

与驾驶舱一样的措施。这里

脚踏板机构

的目标是，除了将噪音最小

图14：杠杆比和转向柱的连接 化（噪音小组）还要提高外

观的档次。因

此必须将直接与副驾驶员安全气囊特定位置相连的组合仪表支架的振幅降到最低。另外，必须考虑到驾驶舱内的重型装置如空调设备和手套箱。通过上述努力可使方向盘的振动降到最低，同时保证了新奥迪Q5内驾驶舱在视觉和听觉上的双重高品质。