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承载式客车底架轻量化设计刘杨

发表时间：2020/9/15 来源：《基层建设》2020年第15期作者：刘杨

[导读] 摘要：承载式客车结构是目前客车行业较为常见的一种形式，在传统客车和新能源客车领域得到了广泛的应用。

        珠海广通汽车有限公司 519040
        摘要：承载式客车结构是目前客车行业较为常见的一种形式，在传统客车和新能源客车领域得到了广泛的应用。但承载式客车存在整车质量偏高，行驶过程中的整体能耗较大高，本文对此提出承载式客车低价轻量化设计思路，为客车轻量化设计提供方法。
        关键词：承载式客车；轻量化设计；方法
        客车底架轻量化设计并不是针对某个部件甚至整车进行简单的结构缩减处理，而是涉及结构、材料、加工工艺等多个方面。通过理论分析，在满足汽车所必备的性能要求及成本控制的前提下，获得最优的结构设计、最佳的材料布置、最合理的加工工艺，充分挖掘汽车各组成部分的利用潜能，从而达到减重的目的。本文主要从底架结构的优化、轻量化材料的应用及先进制造工艺三个方面讨论客车轻量化设计方法。
        1.优化底架结构设计
        客车车身通常是由异型钢管拼焊而成的空间框架结构，杆件截面尺寸非常小，抵抗弯曲、扭转变形的能力非常弱，因此，在车身结构设计时应确保每个杆件都处在承受转向力的状态。车身结构设计时应遵循的以下原则。
        1.1全车结构整体规划
        与轿车车身结构一样，客车结构设计也是整车设计时需要认真研究的部分，其设计的好坏将直接影响到整车各方面的性能，如整车舒适性、结构安全性、整车的轻量化(这直接关系到原材料使用量和整车百公里油耗，即经济性)。但目前国内各客车企业基本上都将结构设计附属到相关的部件工程师手上，这就导致最终的全车结构整体上没有协调性，但为保证结构不出问题，设计时自然考虑得很保守。为提高客车设计水平，应当将客车结构设计集中起来管理，整车造型设计应考虑到结构力学的要求，即在能保证产品整体规划效果的前提下，尽量满足结构力学要求，部件设计也应以结构合理为前提。要用优化的结构去替代使用加大规格材料的结构，从而实现整车的轻量化。
        1.2使用闭环结构
        为增加车身整体，特别是客舱的刚度，以提高车身的结构安全性，整车断面应设计成若干个封闭的刚性环形承载结构。特别是在前后悬架前后四个断面处，这是整车的主要承载断面。刚性的环形承载结构有两种形式，如图1所示，其中(a)结构形成一个整环，(b)结构是在受侧窗玻璃和行李舱门等功能限制时的一种变通闭环结构，在结构设计时可以根据具体需要选取。建议优先选用第一种结构。


        (a)大闭环结构                                        (b)小闭环结构
        图1 两种闭环结构
        1.3使用力学稳定结构
        力学上三连杆是稳定结构，四连杆是不稳定结构。基于这一原理，在结构设计时应优先考虑三角形结构。在对侧围采用图2所示的两种结构进行力学计算分析时表明，两者的承载能力相差悬殊，(a)结构是(b)结构的1/8～1/6。如果通过增加截面尺寸使两者承载能力达到相同水平，前者的重量大约要增加到后者的2～3倍，可见结构是否合理对车身的强度和重量有很大的影响。如何通过加斜撑将四边形开口变成三角形稳定结构，通过计算对比分析认为，应将斜撑加在受力时使四边形对角线变长的方向。因此，应先分析将要设计的那个局部结构的大致受力情况，再具体设计该局部结构。
        1.4合理选取侧围两腰梁间距
        承载式车身的侧围是车身的主要承载部分之一，因此应考虑并提高侧围的承载能力。笔者经研究认为，通过适当增加侧围上、下腰梁间距，可以提高侧围的承载能力。例如有限元计算表明，将车身侧围两腰梁间距由800mm增加到1000mm，其承载能力增加25%。鉴于此，设计侧围骨架结构时，在保证功能的前提下，可以通过计算选取合理的车身侧围两腰梁间距，以充分提高侧围的承载能力，并减少材料用量。
        1.5注意客舱四角点的结构设计
        客车乘客区在客车发生任何情况下，都应保持一定的刚性，对其变形量相关标准有严格要求。如图3中标示的四个圆圈处，如果刚度不够、连接不强的话就相当于四个铰链，在客车发生翻车事故时乘客区容易发生变形破坏，这会造成乘客严重受伤。对客车这四个角点，下部两个角点在允许的情况下，建议考虑斜角加强，如图3所示;上部两个角点，建议优先使用一根型材，避免在发生交通事故时，由于焊接等原因导致发生开裂情况，使车顶飞出事故发生，并提高车身侧翻时保护乘员安全的能力。

        1.7优化侧围结构和车顶骨架结构设
        从整车结构来看，如果侧围和顶盖的承载能力得到了加强，相对来说，将减小底骨架部分的承载负担和要求，因此，更有利于整车的轻量化设计。另外，由于侧围和顶盖强度和刚度提高后，在客车发生危险工况，特别是翻车事故时乘客将能得到有效的保护，这符合提高客车安全法规要求的精神。但需要指出的是，为提高侧围和顶盖的强度和刚度不应简单地通过增加材料的使用和材料的规格，而是要通过合理结构来实现。
        2.应用轻量化材料
        对客车车身进行合理的优化设计外，使用汽车材料轻量化也是一个重要的途径。因为在汽车轻量化中汽车材料的轻量化有着非常重要的作用，所以轻质材料在汽车工业被广泛的应用。广泛运用的轻质材料有两种。第一种是高强度的镁，铝、钛等以轻合金为主的轻质材料。这些轻质材料不仅可以很好的为客车底盘带来实质性地使用效果，并且还能保证客车运行的安全性。第二种是高强度的工程塑料以及复合性的材料，它们都是非金属。镁、铝、钛的密度非常小，所以它们是轻量化材料的首选，因为他们密度小所以不仅可以减轻客车的自重更能提高客车的环保性与节能性。另外，这些轻便的金属材料，还具有较高的比强度与比刚度，它们的导热性与导电性能也非常的好，并且阻尼减震性和电磁屏蔽性都很强。因此它们易于客车底盘的加工成形，加工完剩下的废料也非常好处理。废料可以回收再利用，在满足客车行驶条件的同时，使客车在安全节能和环保功能也能得到很大的提升。
        3.采用先进制造工艺
        3.1新成型工艺分析
        3.1.1热成型技术分析
        车身制造过程中最常采用的制造工艺是冲压，传统冲压大多采取冷冲压方式。随着技术水平的提升，热成型技术逐渐应用到了车身制造中。相较于冷冲压来说，热成型的车身板料处在红热状态下，形成的钢板具有较好的强度，能够应用在纵梁、横梁等结构件中，具有良好的安全性。
        3.1.2内高压成型技术分析
        内高压成型技术是指利用内部增压以及轴向增力，将管状坯料压入模具型腔中，从而制造出不同类型的零部件。与冲压成型技术相比，内高压成型技术可以有效提升材料的利用率、减少零件的数量、进一步提升零件的强度以及刚度，此种成型技术可以应用到所有具有腔体的车身结构制造中。
        3.2新连接工艺分析
        3.2.1等离子焊接技术
        利用形成的高强度等离子束将材料熔化，同时随着等离子弧的有效推进能够将需要焊接的孔关闭，这样可以有效减小变形。此种技术的优势在于能够有效提升焊接的强度以及韧性，防止焊接变形的发生。
        3.2.2胶接技术
        利用胶粘剂和被连接件间的化学反应使材料进行有效连接，此种技术的有效应用能够提升部件的抗疲劳性、隔音性以及减振性。
        3.2.3激光焊接技术
        通过高强度激光束对于需要焊接的钢板表面进行激光，使两者通过激光熔化以及结晶冷却实现焊接。
        3.2.4摩擦焊接技术
        利用工件端面相互运动以及相互摩擦所产生的热量，使端部实现热塑性状态后迅速顶锻完成焊接。摩擦焊接技术能够实现不同材料的焊接，如不同硬度、高硬度材料或零件的焊接，焊缝强度高于母材的焊接。此种焊接技术具有焊接效率高、节约材料等优势。
        结语
        将上述三种途径要有机结合与合理应用，才能在控制成本、保证汽车性能的前提下，有效地实现汽车轻量化。值得注意的是不管采用何种优化方法，都应该确保客车底架的轻量化不能以牺牲结构刚度和强度为代价，轻量化后的整车应具备优良的结构性能。
        参考文献
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        [3]某型大客车车身骨架轻量化设计[J].谭继锦,张代胜,熊良平,徐志汉,郭志勇.汽车工程.2006(04)
        [4]客车底盘结构安全性分析与轻量化设计[J].赵晶,李家林,熊锐,郑达,张盼望.广东工业大学学报.2018(06)
        [5]客车底盘车架有限元分析[J].梁洪明,王靖岳,徐磊.机械工程与自动化.2020(03)