公路客車輕量化研究與優(yōu)化

邵君*，俄廣華

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城，252000）

公路客車輕量化研究與優(yōu)化

邵君*，俄廣華

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城，252000）

客車輕量化已成為行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，主流客車生產(chǎn)廠家均開展了輕量化研究。本文結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)、企業(yè)實(shí)際情況并分析對(duì)標(biāo)同行業(yè)，對(duì)公路客車輕量化進(jìn)行了進(jìn)一步的研究與優(yōu)化。提高了車輛節(jié)能效果和降低了制造成本，并提升了公路客車產(chǎn)品的市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

公路客車；輕量化；研究；優(yōu)化

引言

隨著汽車行業(yè)的進(jìn)步以及公路客車新技術(shù)的發(fā)展，公路客車輕量化已成為客車行業(yè)追求與發(fā)展的新趨勢(shì)。公路客車輕量化的重要性在于提高車輛的節(jié)能效果和降低制造成本。提高車輛節(jié)能效果不但能夠有效降低運(yùn)營(yíng)成本和提升公路客車產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效果。降低制造成本有利于提高制造企業(yè)的盈利能力和制造水平，降低客運(yùn)企業(yè)采購客車的經(jīng)濟(jì)壓力。目前，由于深受高鐵和民航客運(yùn)的持續(xù)沖擊，傳統(tǒng)的公路客運(yùn)市場(chǎng)不斷萎縮，客車生產(chǎn)企業(yè)和客運(yùn)企業(yè)均面臨較大的經(jīng)營(yíng)壓力，為了扭轉(zhuǎn)不利局面，擺脫困境，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展，選擇公路客車輕量化是目前一條較有效的技術(shù)路線和解決方法。經(jīng)過多年的一線技術(shù)工作，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)公路客車輕量化進(jìn)行的深入研究，取得了一定的成績(jī)，并形成了一套較為完善的公路客車輕量化優(yōu)化方案。

1 整車結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 車身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1.2 ]

圖1 11米半承載車身骨架（含車架）有限元模型

在滿足使用、剛度和強(qiáng)度的前提下，降低一定的車身骨架重量。實(shí)現(xiàn)手段是通過車身骨架建模進(jìn)行有限元分析[3-5]。以車長(zhǎng)11米的半承載公路客車（采用空氣懸架）為例，所建立的車身骨架（含車架）的有限元模型[3-6]如圖1。

1.1.1 有限元分析[7]

通過對(duì)彎曲、左輪懸空、右輪懸空、制動(dòng)、倒車制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎工況分別進(jìn)行分析得出車身骨架（含車架）的最大應(yīng)力數(shù)值及位置見表1，并結(jié)合車身骨架和車架的材料參數(shù)見表2，只要各工況下最大應(yīng)力小于材料許用強(qiáng)度，即可實(shí)施一定的輕量化。

表1 車身骨架（含車架）各總成最大應(yīng)力數(shù)值及位置

表2 車身骨架和車架的材料參數(shù)

1.1.2 實(shí)施輕量化方案

通過如上多種工況的有限元分析與計(jì)算，再經(jīng)過反復(fù)的輕量化設(shè)計(jì)，最終確定所制定車身骨架（含車架）的輕量化方案如表3；

表3 輕量化方案

1.1.3 方案驗(yàn)證

為了在實(shí)踐中驗(yàn)證方案的可行性，專門生產(chǎn)了一臺(tái)樣車來驗(yàn)證輕量化方案的實(shí)施效果，共進(jìn)行了8200公里的可靠性路試試驗(yàn)（包括山路2000公里、強(qiáng)化組合路4965公里和一般公路1235公路）和側(cè)翻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)的要求[8-9]，從而證明此套車身骨架（含車架）的輕量化方案是可行的。

圖2 連接立柱以及槽鋼前后對(duì)比圖

圖3 優(yōu)化空懸后懸架外伸梁處格柵斜撐

1.2 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）整車地板優(yōu)化：對(duì)于承載力不大的區(qū)域所鋪設(shè)的地板可減薄處理，如后五人椅下方的地板、整車立面的地板，均可將厚度由15mm或12mm改為9mm，從而達(dá)到降重的目的。

（2）側(cè)窗玻璃厚度優(yōu)化：對(duì)于運(yùn)行路況好的區(qū)域所使用的車輛可有選擇性地實(shí)施側(cè)窗玻璃厚度減薄1mm處理，降重效果較為明顯。對(duì)于11米公路車，單層玻璃大約降50Kg，中空玻璃大約降100Kg。

（3）行李艙門結(jié)構(gòu)和布置優(yōu)化：不經(jīng)常開啟的艙門可采用簡(jiǎn)易鎖；靠著且艙門寬度尺寸較小的艙門合二為一（省一套門鎖和撐桿等）；滿足使用要求的前提下引導(dǎo)客戶采用翻擺式艙門（翻擺式較平移式重量輕許多）；艙門的門板厚度減薄等，以上幾種方案均可有效降低車重。

（4）進(jìn)行某些零部件設(shè)計(jì)時(shí)，加強(qiáng)減重孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)以去掉不必要的重量；避免通過增加件的厚度來保證零件本身的剛度與強(qiáng)度，但可以通過加強(qiáng)筋或加強(qiáng)板的方法來解決等。

（5）應(yīng)用CAN總線系統(tǒng)，省去了原來整車較多的線束、插接件，既可以方便后期維護(hù)，又可以有效降低車重。

（6）協(xié)同供應(yīng)商完成對(duì)零部件材料的選用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)整車輕量化，如底盤動(dòng)力系統(tǒng)（采用一些鋁質(zhì)的部件、緊湊設(shè)計(jì)等）和車橋懸架系統(tǒng)（避免復(fù)雜的、粗笨的結(jié)構(gòu)）等。

2 輕質(zhì)材料的應(yīng)用[10]

2.1 車身總成部件

高強(qiáng)度鋼材推廣應(yīng)用在車身骨架及車架上；輕質(zhì)工程塑料和復(fù)合材料的內(nèi)飾件的應(yīng)用；成型的玻璃鋼材質(zhì)的前或中門踏步總成；鋁質(zhì)材料的艙門、艙體、扶手等；

2.2 底盤總成部件

應(yīng)用鋁散熱器、鋁質(zhì)儲(chǔ)氣筒、鋁質(zhì)油箱、鋁合金輪輞、鋁殼體變速箱等鋁質(zhì)材料；尼龍輪胎裝飾罩等。

2.3 電器總成部件：

頂置空調(diào)外殼體采用玻璃鋼材質(zhì)及芯體優(yōu)化設(shè)計(jì)；顯示器外殼采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；暖風(fēng)系統(tǒng)的加熱器采用鋁質(zhì)油箱等。

3 先進(jìn)工藝的應(yīng)用

3.1側(cè)蒙皮采用鋁蒙皮粘接工藝；

頂蒙皮采用玻璃鋼材質(zhì)；鋁質(zhì)艙門及乘客門；聚氨酯發(fā)泡儀表臺(tái)；輕質(zhì)材料的應(yīng)用可有效降低零部件的自身的重量。

3.2 頂側(cè)蒙皮優(yōu)化：采用先進(jìn)輥壓成型工藝，即頂側(cè)蒙皮與側(cè)窗上沿的流水槽一體式輥壓?？扇∠迟N的流水槽，并減掉了粘貼膠和固定螺釘?shù)挠昧?。即可以降重又解決了市場(chǎng)上可能因粘接膠失效導(dǎo)致的自動(dòng)螺釘位置漏雨及蒙皮不平整等異常問題。

3.3 艙體鈑金件優(yōu)化：某些艙體立面的鈑金件背面額外加焊加強(qiáng)角鋼或槽鋼以防止艙體的鼓動(dòng)?，F(xiàn)優(yōu)化采用沖壓工藝，即在此類鈑金件上沖出加強(qiáng)筋可達(dá)到同樣的效果，從而不必要加焊加強(qiáng)自制件，即降低了制造成本，又降低了艙體鈑金件的重量。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)水箱散熱進(jìn)風(fēng)門及發(fā)動(dòng)機(jī)艙后艙門上進(jìn)風(fēng)口的原結(jié)構(gòu)為焊接格柵條，優(yōu)化為采用沖孔工藝，可在一定程度上進(jìn)行降重，也提升外觀的美觀性與部件的可靠性。

3.5 應(yīng)用機(jī)器人焊接、激光拼焊、機(jī)器人涂裝和整車電泳技術(shù)等目前最先進(jìn)的工藝，可有效避免二次返工所造成的浪費(fèi)以及額外增加的補(bǔ)救件重量，從而進(jìn)一步降低整車重量。

4 其它

4.1提高設(shè)計(jì)能力和繪制圖紙的質(zhì)量，防止制件的改制可能會(huì)帶來的制件重量和制造成本的增加。防止發(fā)生裝配異常問題影響二次返工所造成額外增加的補(bǔ)救物料。

4.2 在設(shè)計(jì)過程中要時(shí)時(shí)刻刻有輕量化意識(shí)，不斷提升設(shè)計(jì)的精確度，積極有效地開展集成式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有選擇性地精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、盡量減少保守的設(shè)計(jì)余量，持續(xù)提高設(shè)計(jì)精細(xì)化程度。

4.3 采用和借用CAD/CAE/CAM/CAPP等數(shù)字化先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段來提高零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量。

4.4 后續(xù)技術(shù)研究方向：高強(qiáng)非金屬的研究與應(yīng)用、輕量化和噪聲控制的研究與應(yīng)用、輕量化與被動(dòng)安全控制的研究與應(yīng)用、全鋁車身骨架的可靠性研究與應(yīng)用等。

5 結(jié)束語

隨著客車技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，公路客車輕量化方案將不斷隨之進(jìn)行完善與優(yōu)化。目前，公路客車輕量化實(shí)施效果還未達(dá)到最佳的理想結(jié)果。因此，有必要進(jìn)一步進(jìn)行公路客車輕量化的研究與優(yōu)化，這不僅有利于改善客車生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)壓力，提高公路客運(yùn)的盈利能力，還能夠在一定程度上對(duì)客車環(huán)保事業(yè)做出重要的貢獻(xiàn)。輕量化是公路客車技術(shù)發(fā)展的一個(gè)正確方向，應(yīng)持之以恒，不斷地進(jìn)行豐富與完善。希望本文提出的輕量化優(yōu)化方案能對(duì)公路客車輕量化的進(jìn)一步研究與優(yōu)化提供一些幫助。

[1]張炎,姚成.客車車身骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)與先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用[J].客車技術(shù)與研究,2007.

[2]沈光烈,吳磊,等.基于CAE技術(shù)的客車車身骨架結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)[J].客車技術(shù)與研究,2013,35(2):15-17.

[3]沈光烈,林圣存.基于有限元法的大客車模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].公路與汽運(yùn),2012(6):1-4.

[4]徐志漢.客車車身骨架有限元建模及優(yōu)化[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.

[5]龍江啟,蘭鳳崇,王金輪,等.半承載式客車骨架有限元建模與輕量化研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012,23(4):499-503.

[6]李波,沈光烈,等.基于Hypermesh的半承載式客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析 [J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(6):5-6.

[7]藺瑞蘭,陳玉杰.客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007(1):27-29.

[8]GB 13094-2007,客車結(jié)構(gòu)安全要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[9]GB/T 17578-2013,客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[10]樊友煜.汽車車身材料輕量化的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].中國(guó)科技縱橫,2013(16):151-152.

Research and Optimization of Bus Lightweight

SHAO Jun*, E Guanghua
(Zhongtong Bus Holding CO.,Ltd,Shandong Liaocheng,252000,China)

.Bus lightweight has become the new trend of bus industry development,main bus manufactures have all started the lightweight research.This paper makes a analysis and benchmarking of the industry and make further research and optimization of bus lightweight combined with the own work experience and the enterprise situation.It improve the performance of vehicle energy saving,reduce the manufacturing cost and improve the core competitiveness.

Bus；Lightweight；Research；Optimization

U463.8

A

1672-9129(2017)04-0049-03

邵君,俄廣華.公路客車輕量化研究與優(yōu)化[J].數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(4):49-51.

Cite：SHAO Jun,E Guanghua.Research and Optimization of Bus Lightweight [J].Peak Data Science,2017,6(4):49-51.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.014

2017-01-13；

2017-02-16。

邵君（1978-）男，山東，畢業(yè)山東理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化專業(yè)，本科，中級(jí)工程師，研究方向：客車整車設(shè)計(jì)。E-mail:ztshaojun@163.com