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新能源客车车身结构设计及强度分析李伟

发表时间：2020/12/28 来源：《基层建设》2020年第24期作者：李伟

[导读] 摘要：在环境保护要求日益提高、全球气候变暖、节能减排措施日趋严格的背景下，新能源汽车的发展则是目前缓解能源、环境和气候问题较为有效的方法之一。

        中兴智能汽车有限公司
        摘要：在环境保护要求日益提高、全球气候变暖、节能减排措施日趋严格的背景下，新能源汽车的发展则是目前缓解能源、环境和气候问题较为有效的方法之一。文章针对于新能源客车的车身结构设计以及它所能承担的强度进行了研究和分析，从性能、性价比和材料多方面对比分析，力求寻找最合适的新能源客车的车身材料以及合适的结构设计，为环保工程和汽车工程尽绵薄之力。
        关键词：新能源客车车身结构；结构设计；强度分析
        一、新能源客车轻量化研究的必要性
        汽车轻量化、智能化、电动化和网联化是我国汽车产业的四大发展方向，为达到节能减排的目的，汽车轻量化是主要途径之一。我国客车车身骨架大多由型钢焊接而成，导致车身质量过大。有数据显示，大客车车身骨架作为客车的主要承载结构，其质量占大客车总质量的30%~40%，新能源客车“三电”系统约占大客车总质量的25%。为了提升新能源客车的性能品质和市场竞争力，提高续航里程，减少电耗，通过对车身结构设计优化、轻量化材料应用、先进制造工艺应用、动力电池系统轻量化技术应用等措施，降低新能源客车的整备质量。
        二、客车车身结构分类
        客车的车身由于其本身载客量大、空间范围大等特点，同时还要确保在大空间内确保集合尺寸的形位准确度，因此是完全不同于小型汽车或者其他车型的，按照客车车身的承载形式一般分为三类。
        ①非承载式车身：这一类客车一般质心较高，虽具有底盘车架，但车身通常以一种悬架构建支撑在车架上，同时用减震器、推力杆等作为联接装置进行固定，坚韧性不高。
        ②半承载式车身：半承载式车身具有独立完整的底盘车架，且车架和车身刚性相连，更为坚固，是我国目前大多数客车企业所采取的传统结构。
        ③全承载式车身：与其他两类不同，其承载负荷完全依靠车身，具有十分完整的框架结构。这一类客车的先进之处在于去除了底盘大梁，自重大大减小，油耗相对降低。并且车身与底架结构采取的是焊接方式，减少相对运动从而大大减少车内噪音。
        三、全承载车身骨架结构的设计
        本文所设计的混合动力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。
        国家标准对客车的相关尺寸做了详细的规定。根据GBl589．2004《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。

        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GBl3053．2008《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。
        四、采用轻量化材料
        1.高强度钢
        高强度钢（HSS）是指屈服强度在210-550MPa之间、抗拉强度在270-700MPa之间的钢材，而屈服强度超过550MPa的钢材则称为超高强度钢。高强度钢依然是客车轻量化主要材料，近年来，钢材作为客车车身的主要材料，在满足刚度、强度及防腐能力要求的基础上，通过多种改进技术，钢材的品质和性能大大提高。Q355B、Q700的矩形钢管的应用，不但可以提高客车车身的强度和刚度，而且可以大大减少车身重量。
        2.轻质合金材料
        通过对车身骨架、门、内饰等采用轻质合金材料，在实现车身轻量化、整车降重方面，目前效果最为明显，渐成趋势的铝、镁合金材料的应用。铝、镁合金有优越的强度和轻量化特性、防腐、环保等优异的特点。有数据表明，在车身机构机械性能得到满足的条件下，车身骨架五大片采用铝合金材料，而底骨架为传统的钢结构材料，应用铝合金材料后，整车可减重约560kg，凭借铝、镁合金材料优异特点，现已成为汽车减重的首选材料。
        3.复合材料
        主要有玻璃纤维增强材料，碳纤维增强材料，具有重量轻，刚度，强度和耐腐蚀好等优点，在仪表盘、前部保险杠，车身内饰件、侧围内饰衬板、地板及座椅等结构上应用并取得显著效果。有实验表明，通过充分采用复合材料，可明显减少客车质量。
        五、先进轻量化制造工艺
        轻量化制造工艺主要指轻量化车身材料制造和连接的新工艺，新能源客车在轻量化材料应用的同时在制造工艺方面，对轻量化也起到重要的作用，如：金属合金材料的液压成型、热成型、内高压成型及铝合金半固态成型等新型成型工艺，铆钉车身拼接、混合气MAG焊、双脉冲MIG焊、镁合金或铝合金锻压轻量化轮毂合金技术、复合材料成型及“铆接-粘接”等技术的应用，提高了各部件连接强度和车体密封性，减少了加强筋及附属的生产工艺，以及部件的数量和材料消耗都相应的减少，从而降低了整车质量，在轻量化、密封性、抗腐蚀性等方面都可得到改进。
        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.