“全承載車身”，果真是最安全的嗎？
——客車安全應(yīng)突破“全承載”的拘囿

劉開春 文

“全承載車身”，果真是最安全的嗎？
——客車安全應(yīng)突破“全承載”的拘囿

劉開春 文

Is “Integral Body Structure” Truly the Safest One？

Abstra

The term “Integral body structure” has been one of the most popular concepts among the auto industry for more than ten years.Recently， Ministry of Industry and Information Technology issued a “Technological Criteria for the Safety of E-drive Bus”（draft for discussion） in which the regulation on “the whole vehicle has to be applied to the integral body structure” has no-doubt stirred a huge wave among the industry.

做好機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，前提有2個(gè)：一是了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，二是了解產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)。

“全承載車身”，這個(gè)詞是近10年來客車界最流行的一個(gè)概念。近日，借工信部剛剛發(fā)布的《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》（征求意見稿）中關(guān)于“整車應(yīng)為全承載整體式骨架結(jié)構(gòu)”之規(guī)定的“出臺”，在行業(yè)又將風(fēng)聲水起。

問題1：什么是“全承載車身”？

目前能找到的具有法規(guī)地位的唯一定義，來自QC/T 997-2015《客車全承載整體框架式車身結(jié)構(gòu)要求》（推薦標(biāo)準(zhǔn)，首次發(fā)布），其對“客車全承載車身”的定義是：“一種由格柵底架和車身骨架組成的框架結(jié)構(gòu)，車輛載荷全部由車身承載?！倍瞻l(fā)布的《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》（征求意見稿）中未見引用該標(biāo)準(zhǔn)，這不得不讓人費(fèi)解。

其實(shí)，就QC/T 997-2015而言，其部分條款也是“望文生義”，比如，其4.1.1款：“采用全承載整體框架式車身結(jié)構(gòu)的客車應(yīng)保證受力均勻。”對此，筆者以為，QC/T 997-2015無非是想證明全承載車身的安全性，但又沒能證明出來。

而從《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》（征求意見稿）寫入“整車應(yīng)為全承載整體式骨架結(jié)構(gòu)”這一條來看，它仍無非是想說“全承載車身”安全性能高；也正如GB 7258-2012作出的新規(guī)“車長大于11 m的公路客車和旅游客車和所有臥鋪客車的車身應(yīng)為全承載整體式框架結(jié)構(gòu)”一樣。

那么問題和爭論的焦點(diǎn)就來了，即“全承載車身”就一定代表最安全嗎？

問題2：是不是技術(shù)路線之爭？

試問：載荷都由車身承載就最安全嗎？

從力學(xué)角度看，如果車身與車架是剛性連接，那么車身也一定會(huì)承載，沒有半承載之說。車身究竟能夠分擔(dān)多大載荷與車身的剛度成正比，除非車架剛度為零，即車架不承載，但這是不可能的。我們不能認(rèn)為車架與車身融為一體就沒有車架了。正如，蛇披上馬甲難道就不是蛇了？

與之對應(yīng)，非承載車身其實(shí)也不存在，除非車身與車架是無剛度連接，即假設(shè)：在底盤上立4根柱子，柱子上掛個(gè)吊床，人躺在吊床上，這個(gè)吊床才可以稱為非承載車身；但這一假設(shè)在實(shí)踐中是沒有的。其實(shí)，只要車身與車架剛性連接，車身即會(huì)承受載荷（多個(gè)方向），只是不直接承受來自底盤的沖擊載荷而已。因此，只要車身與車架是剛性連接，如焊接或鉚接，那么車身必定承載，即所有的車身都是承載式的，沒必要再定義“全承載”概念。

換個(gè)角度講，為什么一定要求車身承載？底盤憑什么不可以承載？那種采用直梁底盤結(jié)構(gòu)的獨(dú)立底盤，其實(shí)能為車身提供很好的承載平臺。

刨根問底，這一問題的本質(zhì)，其實(shí)是產(chǎn)品的技術(shù)路線之爭！即有獨(dú)立底盤與無獨(dú)立底盤之爭、方鋼骨架與沖壓車身之爭，更可說是整車廠與改裝廠之爭。

圖1 一種“全承載式車身”

釋疑1：“選擇”主要與制造工藝有關(guān)？

滿足QC/T 997-2015定義的車身骨架結(jié)構(gòu)就是最合理的嗎？

筆者認(rèn)為，客車車身，尤其是大型客車，目前之所以普遍采用方鋼骨架結(jié)構(gòu)，不是因?yàn)楣羌苁杰嚿淼陌踩阅芏嗝锤?，而是因?yàn)檫@種方鋼結(jié)構(gòu)使得大客車的車身工藝尤其是焊裝工藝變得極其簡單。

骨架式客車車身的裝配工藝是所有汽車中最簡單的，而這種簡單正是來自于方鋼骨架。

設(shè)想一下，如果大客車采用沖壓車身結(jié)構(gòu)，我們的焊裝工藝會(huì)變成什么樣？筆者認(rèn)為，關(guān)于沖壓車身結(jié)構(gòu)，并不是說其安全性能低，只是因?yàn)閷Υ笮涂蛙噥碚f太過復(fù)雜。

釋疑2：安全性與“技術(shù)路線”或“設(shè)計(jì)水平”有關(guān)？

從安全角度看，車身沖壓結(jié)構(gòu)也未必不如方鋼結(jié)構(gòu)。方鋼結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)得不好，其力學(xué)性能會(huì)大打折扣。

現(xiàn)舉一例。圖2為一款大型客車的“全承載”式骨架圖，從整體上看完全符合QC/T 997-2015的定義，但其腰梁處采用了一種異形型材，正是這種型材會(huì)使得車身在側(cè)翻時(shí)其上部抗變形的能力變?nèi)?，即很難通過GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定》這一標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的測試檢驗(yàn)。

那么怎么判斷方鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平是好還是壞呢？

其實(shí)，無論是沖壓車身還是骨架車身，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)都在于超靜定力學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，難在我們不能通過載荷的平衡條件來求得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。

筆者認(rèn)為，要做好超靜定力學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不論是沖壓結(jié)構(gòu)還是方鋼結(jié)構(gòu)，必須具備2個(gè)前提：一是對超靜定桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)的認(rèn)知水平；二是對結(jié)構(gòu)從整體到細(xì)節(jié)的工程設(shè)計(jì)能力。而這2點(diǎn)并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)條文所能規(guī)定的。所以，像車身這種復(fù)雜的超靜定力學(xué)結(jié)構(gòu)，其安全性能完全依賴于設(shè)計(jì)者的個(gè)人專業(yè)水平，與采用何種技術(shù)路線無關(guān)，與企業(yè)規(guī)模無關(guān)。

釋疑3：“全承載”概念是行業(yè)自己挖坑？

“全承載”一詞，與其說是專業(yè)術(shù)語，不如說是商業(yè)噱頭。如有的企業(yè)以“全承載”來宣示其產(chǎn)品的安全性，有的企業(yè)則以“全承載”來強(qiáng)調(diào)其產(chǎn)品的工藝有多先進(jìn)。

其實(shí)，筆者認(rèn)為，“全承載車身”這個(gè)概念并無專業(yè)價(jià)值，也毫無技術(shù)內(nèi)涵，只是一個(gè)混淆視聽、以假亂真的偽命題。

從理論聯(lián)系實(shí)際的角度來看，車身方鋼骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能流于概念形式，具體說應(yīng)遵循以下4點(diǎn)原則，方能實(shí)現(xiàn)“安全之夙愿”。

⑴盡可能使桿件承受拉壓載荷、不承受彎扭載荷，這是由桿件的力學(xué)特點(diǎn)決定的，即要因材施用。

⑵要有明確的載荷傳遞路線，明確什么是承載構(gòu)件，什么是非承載構(gòu)件。承載的要做強(qiáng)，非承載的要做弱。不能一相情愿地認(rèn)為所有構(gòu)件都要均勻受載，其結(jié)果只能是都不承載。

規(guī)劃載荷的傳遞路徑，就是把車身骨架的被動(dòng)安全性主動(dòng)地掌握在設(shè)計(jì)者手中，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心所在。

圖2 一款大型客車的全承載車身骨架

⑶剛度是超靜定結(jié)構(gòu)的首要設(shè)計(jì)原則，因?yàn)樵诔o定結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件受載的大小與其自身剛度成正比。即承載構(gòu)件一定要具有足夠的剛度來承擔(dān)載荷，接下來才是強(qiáng)度能否夠用的問題。像車身這種大尺寸的機(jī)械產(chǎn)品，難點(diǎn)在結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)上，剛度能滿足，則強(qiáng)度一定能滿足。

剛度的另一特點(diǎn)是其與幾何形狀和支承條件有關(guān)，這使得我們?nèi)菀讖慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)型上判斷剛度是否夠用，而不必等有限元計(jì)算結(jié)果，這也使得設(shè)計(jì)者能在紛繁復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保持一個(gè)清晰的設(shè)計(jì)思路。

從剛度角度來看，客車界另一個(gè)很時(shí)髦的概念封閉環(huán)卻是個(gè)真命題。封閉環(huán)結(jié)構(gòu)之所以好，是因?yàn)橥戎亓肯缕浣Y(jié)構(gòu)剛度最大?；趧偠仍瓌t，從鋼車身到鋁車身必須是等剛度設(shè)計(jì)。

因此，客車車身的安全性能，首先應(yīng)是高剛度車身，與什么結(jié)構(gòu)形式無關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)的目的是引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，不能成為創(chuàng)新的絆腳石。

⑷把握整體，推敲細(xì)節(jié)。由于車身骨架是由多種規(guī)格的矩形或異形管材焊接而成，在桿的接頭部位必須處理得當(dāng)以滿足載荷的傳遞要求，否則會(huì)使整體的結(jié)構(gòu)剛度變差，如前面圖2的例子。對于車身而言，剛度不足，談何安全？

總之，做好機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，前提有2個(gè)：一是了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，二是了解產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)。諸如車身結(jié)構(gòu)這么重大的產(chǎn)品技術(shù)路線，豈是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所能決定？