全鋁消防車駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫杰

摘 要：當(dāng)前，我國(guó)許多汽車制造商都逐漸開始投入大量資金進(jìn)行全鋁車身的研發(fā)，一些國(guó)內(nèi)知名企業(yè)，如金龍、宇通等已經(jīng)成功開發(fā)出全鋁材質(zhì)的客車車身。在消防車領(lǐng)域，鋁合金材料大多應(yīng)用于車廂上裝部位，真正在駕駛室應(yīng)用的幾乎沒有。本文在已開發(fā)的消防車駕駛室的基礎(chǔ)上，針對(duì)全鋁消防車駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：全鋁消防車；駕駛室；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，汽車車身重量的降低已經(jīng)成為節(jié)約資源和減少能耗的重要途徑之一。事實(shí)證明，采用鋁制材料和優(yōu)化車身斷面設(shè)計(jì)是降低車身重量的兩類比較可行的方法，現(xiàn)階段，我國(guó)在消防車總體設(shè)計(jì)中越來越重視對(duì)鋁制材料的應(yīng)用，但是有關(guān)全鋁消防車駕駛室設(shè)計(jì)的研究還比較少，希望本文的研究成果能給駕駛室全鋁車身產(chǎn)品的開發(fā)提供一些有益的啟發(fā)。

1 鋁制型材性能的分析

（一）鋁制型材力學(xué)性能的分析

要采用全鋁型材來構(gòu)建框架式駕駛室，使設(shè)計(jì)滿足輕量化的要求，就必須對(duì)鋁制型材的力學(xué)性能進(jìn)行全面了解，包括鋁制型材的變形特性、截面特性等，在鋁制型材變形特性的研究方面，要更明確地了解畸變量和型材彎曲半徑的聯(lián)系，需構(gòu)建有限元分析模型對(duì)型材彎曲的整個(gè)過程進(jìn)行詳細(xì)分析。在鋁制型材截面特性的研究方面，為了方便各參數(shù)的計(jì)算，應(yīng)建立相應(yīng)的計(jì)算程序，通過對(duì)一些典型型材相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在截面對(duì)稱的情況下，鋁制型材的慣性一直保持在零的狀態(tài)不變，但在截面尺寸逐漸變大的情況下，其慣性矩等各參數(shù)都呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。

（二）鋁制型材的主要性質(zhì)及功能

通過本論文的寫作，筆者是想在保持原有材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，合理利用鋁制材料取代鋼制材料，從而達(dá)到減輕車身自重的目的。因此，要使鋁制車身整體設(shè)計(jì)具備合理性和可行性，就必須進(jìn)一步研究鋁制型材的性質(zhì)及功能。在研究過程中，主要涉及節(jié)電強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)剛度的分析，為了研究節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度，構(gòu)建與之相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模型，然后進(jìn)行相關(guān)力學(xué)的分析，要判斷鋁制型材在不同結(jié)構(gòu)條件下的力學(xué)特點(diǎn)，應(yīng)采用節(jié)點(diǎn)形式不一樣的型材作為分析對(duì)象，通過研究發(fā)現(xiàn)，在伸出端點(diǎn)節(jié)點(diǎn)位置的強(qiáng)度，槽型截面明顯比矩形截面小；當(dāng)焊接縫的情況基本相同時(shí)，不同類型的截面的剛度存在較大差異，閉合型截面的剛度比開口型的高出許多，因此可以總結(jié)出，對(duì)剛度影響較大的因素是型材的截面。

2 全鋁消防車駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）全鋁駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在運(yùn)用鋁合金材料對(duì)消防車駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，將鋁制材料合理應(yīng)用于各部位，從而最大限度減輕消防車的自重，第一步應(yīng)對(duì)白車身的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再將鋁制型材截面大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和改進(jìn)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者在如何減輕汽車重量方面的研究已經(jīng)取得了不少成就，根據(jù)傳統(tǒng)消防車的整體結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出的利用鋁合金材料制造的消防車車身總體結(jié)構(gòu)如圖所示：

（二）全鋁駕駛室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

1、地板框架設(shè)計(jì)的優(yōu)化

底板框架的設(shè)計(jì)質(zhì)量將對(duì)整個(gè)消防車車身的設(shè)計(jì)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。其中，地板縱梁的設(shè)計(jì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)與駕駛室前碰法規(guī)試驗(yàn)具有十分密切的聯(lián)系，考慮到地板縱梁在駕駛室舉升過程中受到的外力較大，因此，最好采用尺寸為90×40×5的鋁合金材料作為地板縱梁，為了確保材料的性能、剛度等符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)液壓舉升機(jī)構(gòu)固定點(diǎn)和前后懸置。嚴(yán)格按照地板距離地面的高低，確定地板的具體位置。按照上車踏板條件確定踏板的跨度和高度，并按照總設(shè)計(jì)圖對(duì)消防車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的要求，進(jìn)一步提高其位置的科學(xué)性及結(jié)構(gòu)的合理性。為確保地板總成的扭轉(zhuǎn)剛度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)至少設(shè)置3根橫梁在左右地板的縱梁之間。

2、前圍框架設(shè)計(jì)的優(yōu)化

前圍框架總成主要包括左右前圍內(nèi)板總成、前框上部框架總成、前圍主框架總成等部分，為達(dá)到駕駛室前碰法規(guī)試驗(yàn)的要求，應(yīng)選取60×50×3截面的鋁型材，地板縱梁和左右前圍縱梁應(yīng)采用封閉式的焊接形式，確保前圍風(fēng)窗下部橫梁的具體位置能滿足下視野的要求，前圍內(nèi)板總成必須設(shè)置在前圍縱梁的兩邊，應(yīng)采用2mm厚的鋁板作為前圍內(nèi)板，其主要用途是固定相關(guān)配件。針對(duì)一些設(shè)計(jì)強(qiáng)度非常高的固定位置來說，可采取設(shè)置加強(qiáng)板的方式進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。在前圍上部框架的設(shè)置過程中，應(yīng)注意為空調(diào)前暖風(fēng)箱體提供固定位置。

3、側(cè)圍框架設(shè)計(jì)的優(yōu)化

側(cè)圍框架總成包括側(cè)圍上橫梁、門下橫梁、側(cè)窗下橫梁、輪罩梁以及A、B、C、D柱，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行側(cè)圍上橫梁和A、B、C、D柱的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到駕駛室頂壓法規(guī)試驗(yàn)的相關(guān)要求，在選擇車門部位的鋁合金材料的時(shí)候，應(yīng)將車門構(gòu)件的固定標(biāo)準(zhǔn)作為參考依據(jù)，車門上橫梁以及門下橫梁位置的確定必須嚴(yán)格參照車門的真實(shí)狀況，是否能為密封條壓縮面提供充足的空間是在設(shè)計(jì)側(cè)圍的時(shí)候應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題，此外，考慮到駕駛員行車的安全性，應(yīng)在右側(cè)圍部位配置用于固定安全帶的結(jié)構(gòu)。

4、后圍框架設(shè)計(jì)的改進(jìn)

設(shè)計(jì)者在對(duì)后圍框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到消防車駕駛室的實(shí)際尺寸，確保后圍框架梁的設(shè)計(jì)滿足駕駛室后圍靜壓法規(guī)試驗(yàn)的要求，最好采用50×30×3型的全鋁制框架梁，在布置后圍框架梁的時(shí)候，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案中規(guī)定的形式進(jìn)行，這樣才能確保力的順利傳導(dǎo)，從而達(dá)到優(yōu)化后圍框架梁的整體性能的作用。

5、頂蓋框架設(shè)計(jì)的改進(jìn)

頂蓋框架由后頂蓋和前頂蓋組成，為了使消防車駕駛室頂蓋充分發(fā)揮出靜壓功能，選好選用截面尺寸為40×30×3、30×30×3的鋁合金材料作為頂蓋主框架，為達(dá)到造型方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者應(yīng)注意對(duì)前后頂蓋設(shè)計(jì)高度的把握，確保二者高度存在一定的差異，頂蓋總成的主框架梁必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的形狀進(jìn)行設(shè)置，并和前后圍框架在功能上相互促進(jìn)、相輔相成，以實(shí)現(xiàn)提高頂蓋強(qiáng)度的目標(biāo)。除此以外，頂蓋總成的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮到空調(diào)箱體等固定的需要。由于云臺(tái)和空調(diào)箱體的自重加大，因此，必須考慮到固定點(diǎn)強(qiáng)度的特殊需要，將固定點(diǎn)設(shè)置在頂蓋的主框架上。

3 全鋁消防車駕駛室的性能

為了分析全鋁消防車駕駛室的性能，需進(jìn)行模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度以及彎曲剛度的分析。

（一）模態(tài)分析

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，需建立激振位置圖、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型、一階彎曲模態(tài)振型，測(cè)試結(jié)果如表1所示：

（二）彎曲剛度試驗(yàn)

為測(cè)試全鋁框架白車身的彎曲剛度，前懸梁與后懸梁約束的自由度分別為1、2、3和2、3、4，在一定條件下對(duì)縱梁發(fā)生的位移情況進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量過程中，需要分別對(duì)帶蒙皮和不帶蒙皮條件下的彎扭剛度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示：

（三）白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

本次測(cè)試中，前、后懸置約束的自由度分別為1、2、3和2，測(cè)試點(diǎn)的具體部位大致處于前懸置的扭角處，在測(cè)試過程中，需繪制扭轉(zhuǎn)剛度和扭角曲線，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其扭轉(zhuǎn)剛度>30000Nm/°，由此可以看出，白車身的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)是符合標(biāo)準(zhǔn)的。

（四）擺錘碰撞試驗(yàn)

為了確保全鋁消防車的安全性能符合標(biāo)準(zhǔn)，采用商用車駕駛室正面擺錘碰撞試驗(yàn)的方法對(duì)其整體安全性進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際試驗(yàn)的過程中，應(yīng)使正面撞擊的能量維持在45000Nm不變，并確保擺錘和車輛前部充分接觸，擺錘應(yīng)從按照從車頭向車尾的方向撞擊，且方向應(yīng)與水平方向平行。

4 結(jié)語

綜上所述，本文基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，根據(jù)消防車性能的需要和減輕車輛自重的需求，并考慮到駕駛室在不同結(jié)構(gòu)形式下的功能要求，對(duì)結(jié)構(gòu)斷面的截面形式及厚度進(jìn)行了全方位地優(yōu)化和改進(jìn)，在全鋁消防車的特殊結(jié)構(gòu)處采用典型結(jié)構(gòu)來改善加工制造的綜合質(zhì)量，同時(shí)還考慮到了各結(jié)構(gòu)處全鋁型材的互換性，進(jìn)而起到了降低成本的作用，經(jīng)過綜合性能的試驗(yàn)，本文所設(shè)計(jì)的全鋁消防車駕駛室在扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、模態(tài)等基本性能的要求上都基本符合標(biāo)準(zhǔn)，能確保駕駛員行車的安全性，在整體設(shè)計(jì)上已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期輕量化的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]江愛林，徐國(guó)榮.登高平臺(tái)消防車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，（5）：219-221.

[2]李旸.基于人機(jī)工程學(xué)原理的消防車輛設(shè)計(jì)研究[D].南昌大學(xué)，2007.