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摘要：近年来，随着人们对乘车安全性要求的不断提高和能源问题的出现，使得客车整车的安全性设计、轻量化设计显得尤为重要。因此，进一步提高客车结构的设计水平将成为各客车企业和研究机构工程技术人员的重要课题。
关键词：客车改进；车身骨架；轻量化设计
一、车身结构力学控制理论分析
客车车身结构分非承载式、半承载式和全承载式三类。笔者认为，全承载式车身结构是今后客车结构设计的主流。非承载式或半承载式车身与全承载式车身最大的不同就是有独立的大型式车架，而全承载式车身是由截面相对较小的异型钢管将车身拼焊成一个整体承载结构。力学分析可知，由于杆件（细长构件）抵抗轴向变形的能力很强，抵抗弯曲和扭转变形的能力很弱，所以要保证车身（车架）有足够的刚度，非承载式或半承载式车身的车架纵梁的截面尺寸要取得很大。非全承载式车身（车架）设计有一种说法，“只要车身（车架）的刚度满足要求，其静强度及疲劳强度自然都可以满足要求”，即对非承载式或半承载式车身结构设计进行校核时通常是以“刚度理论”来控制。
全承载式车身完全是由杆件结构形成，通过合理的结构设计，使车辆在行驶过程中产生的弯曲和扭转力均沿着杆向传递。由于杆件抵抗轴向变形的能力很强，所以这种结构如果设计合理，可以非常有效地提高车身的整体刚度，因此，采用这种结构设计时一般刚度不是问题，主要是要考察各杆件自身的强度是否合适，即要采用“强度理论”来控制。
由以上分析可以看出，“刚度理论”控制下设计的车身结构的强度和刚度是由每一个构件自身来保证的，因此为保证整个车身强度、刚度合理，车身骨架设计必然足够可靠，必然会浪费材料，整车轻量化也必然受到很大限制；“强度理论”控制下采用的全承载式车身，其结构刚度是由合理的结构去保证的，而全车结构强度只要每个构件的强度足够就可以，因此材料使用自然大大减少，整车的轻量化自然有很大空间，但关键是如何找到最佳的力流传递规律，使整车结构设计合理。
二、客车车身骨架结构的设计分析
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图1 全承载客车车身骨架受力原则简图
本文所设计的全承载低入口城市公交客车车身结构是以某车型为参考对象的，其承载方式就是图1所示的整体承载式，参考车身骨架结构如图2所示。
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图2 整体承载式车身结构
国家标准对客车的相关尺寸做了详细的规定。根据GBl589《汽车外廓尺寸限界》中的相关规定，客车外廓尺寸为：客车全长l1200mm，宽2500mm，高3260mm。
1．侧围骨架设计
侧围总成分左右两大片，若不考虑右侧带有的前、中两门，左、右侧围基本对称。构成一般有窗立柱、乘客门立柱、腰梁、腰梁以下的座椅搁梁、斜撑等。根据参考车身轴距（5800mm）、前悬长（2300mm）、后悬长（3100mm），优先确定车轴位置、乘客们立柱位置，再按封闭环原则确定窗立柱的位置，且侧窗等分是不优先的，车窗玻璃纵向最大可达1400mm。
公交客车不同于其它车型，其地板设计的通常较低，由于地板这一层提供的抗弯刚度有限，所以这类公交车最有效的方法是通过侧围骨架上部桁架结构来提高整车的纵向抗弯刚度。因此公交车侧围骨架设计要点是利用乘客门以上的这段高度，做成从前至后的桁架结构来提高整车的抗弯性能；同时客车发生碰撞或侧翻等事故时，窗立柱要承受较大载荷，窗立柱应采用尺寸规格大一些的材料，保证其足够的强度和刚度来确保车内必须的安全空间；月．立柱与横梁交汇处，立柱要设计成贯通。侧围骨架设计如图3所示。
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图3 车身侧围骨架设计
2．顶盖骨架设计
顶盖骨架设计时主要考虑以下几个方面：
1）顶盖骨架一般由顶部贯穿横梁、边纵梁、前后拱顶支撑梁等组成，多采用横纵梁布置，左右双矩管梁布置。
2）顶盖纵梁适合设计成中间疏、两边密的形式。
3）为保证力流的连续性，顶横梁必须要与侧窗立柱对齐。
4）在车顶承载中，顶盖纵粱承载度比较低；而横梁与侧围立柱对齐，传递力流，承载度比较高。所以车顶纵梁的尺寸规格可以适当减小些，车项横梁的尺寸规格可以适当增大些。
5）设计时，尽量保持车顶横梁贯穿车顶不断开，这样可以保证力流的连续性，有利于提高车顶的抗弯、抗扭能力。
6）顶横梁不允许采用双梁并接的结构，在保证车顶横梁足够的强度和刚度的条件下，就可略去其它多余横梁。
7）对于成员数大于50的车辆，安全顶窗数量不能少于2个，安排间距不能小于2米，单个天窗净舱口面积不小于4．0×105mm2，具体说此面积内可接一个500mm×700mm的长方形。
8）对于公交车型，为了做大侧围骨架的抗弯高度，顶盖骨架是做的越来越平的。
3．前后围设计
作为城市公交客车，前后围骨架结构的设计较其它类型的客车来说，造型曲线不太复杂，车顶与侧围、前后围连接处圆角变小，侧围和前后围骨架向上加高，整体车身显得更加“方正”了。在设计时主要考虑以下几个方面：
1）设计合理的结构，连接侧围骨架、车项骨架及底盘车架，保证整车车体成为刚性很强的一体式框架结构。
2）在保证强度和刚度的条件下，前后围骨架尽量设计的简约些。因其受载荷小，支立柱也应设计的简单便于布置。
3）在前后围设计中，尽可能的把弧杆件设计成平面弧杆件，这样不仅有利于加工制作，保证杆件的精度，还有利于降低成本。
4）一般前围骨架设计立柱两根，后围骨架设置四根，前围可根据具体情况增加支立柱，横梁设置3~4根即可。
4．车身底架设计
车身底架设计是车身设计工作中最简单的部分，因为基本上不涉及曲线和曲面的内容，仅仅是平面和直线的问题。复杂的地方也仅仅是空间上形成的层数比较多。总体上遵循以下一些原则：
1）遵守总布置所定义的面和线的边界条件。如驾驶区地板高度、乘客区地板高度、车内踏步高度等（参考GBl3053《客车车内尺寸》）。
2）结构力学原则。如力的连续传递原则、结构受力件的主次原则等。
3）根据座椅的安装和固定方式，合理设计地板骨架结构。
三、客车车身轻量化及结构强化研究
1.结构设计：主要是对客车零件的优化
1.1零件的结构优化
可以通过降低合成材料的厚度来压缩材料的体积空间，还可以通过对关键部位的支撑材料的支撑方式进行改变来减少材料的使用，在其他非必须的区域还可以加减重孔等。
1.2零件的断面优化
想要进一步在减少材料的前提下，提高汽车车身的刚性强度，就需要对零件的断面进行优化，此时应该调节断面面积与断面惯性之间的平衡，从而达到以最小的断面面积，实现最高的车身强度效果的目的。
2.材料选择
2.1高强度钢
尽管目前轻金属材料、复合材料等新科技材料在汽车车身骨架中已经被广泛运用，但因为高强度钢制作成本低、制作材料简单易得、性能稳定的特点，所以它仍然是汽车车身骨架构造中的主要材料。目前屈服强度很高的高强度钢，已经越来越多地应用在车身骨架的制作中，在一般的车辆中，车身骨架冲压件中高强度钢的应用比例为50%左右，在其他构建方面也都用到了各种不同屈服强度的高强度钢。
2.2轻合金材料
轻合金材料具有质量轻、强度高、耐磨性能好、加工性能强等特点，而且轻合金材料可以回收再利用，避免了资源的浪费，实现了科学材料良性发展，符合绿色环保的时代主题。在汽车车身骨架制作方面，为了车身骨架结构设计的需要，可以采用激光束压合成型技术，将不同的轻合金材料复合成型，不仅增强了强度，而且也实现了轻量化的要求。轻合金材料最大的优点是质量轻，与传统的钢铁材料相比，质量可减轻30%左右，从另一方面来讲提升了汽车的性能。另外，我国轻金属材料储存量丰富，可以满足我国汽车大批量生产的需求，因此应该在汽车车身骨架制造业中大力的发展使用轻金属材料，降低对于钢铁矿石材料的依赖。
结语
本文通过对客车骨架进行分析，对客车骨架的局部结构进行了优化讨论，在提升客车骨架应力分布合理性的同时，可以通过科学的设计方法提升车身的刚度和强度，并且有效地减少车身建设所使用的材料。客车的轻量化设计能够有效促进国内汽车工业的深入发展，提高应用燃油能源的经济性和安全性，有效降低了客车的使用成本，对国内能源节约和环境保护的目标有着一定的推动作用。
参考文献：
[1]王登峰，毛爱华，牛妍妍，魏建华，师雪超.基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计[J].中国公路学报，2017，30（02）：136-143.
[2]何志雄，李毅.结构优化设计在客车车身轻量化中的应用[J].机电工程技术，2010，39（05）：86-88.