承載式客車車身骨架尾部結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

李世喆

廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司 福建省廈門市 361023

1 引言

客車車身的骨架是由多根焊接的鋼管組成的一種定桿系結(jié)構(gòu)，其自身具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難度系數(shù)大等特點(diǎn)，作為開發(fā)車身的重要環(huán)節(jié)——車身的骨架傳力路線的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)客車的性能和安全至關(guān)重要，只有在充分滿足車身韌性以及穩(wěn)定性的同時(shí)，合理設(shè)計(jì)車身的傳力路線，才能更好的改善客車的性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)客車成本最小化的目的。

2 承載式客車結(jié)構(gòu)的概述

承載式客車的結(jié)構(gòu)主要包括了客車車身的結(jié)構(gòu)底架、車身的左右兩側(cè)、車身前后以及車的頂棚共同組成的結(jié)構(gòu)框架，通過車輛不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，進(jìn)而形成一個(gè)有機(jī)的整體，優(yōu)化了車輛的動(dòng)力懸置部位以及車身的懸架部位[1]。之所以會(huì)采取側(cè)圍骨架以及輪罩骨架的結(jié)構(gòu)來完善和優(yōu)化車輛的整體性能，是因?yàn)檐囕v的車輪結(jié)構(gòu)不會(huì)自成一體，形成一個(gè)有機(jī)的結(jié)構(gòu)。而車輛的主要部件也囊括了輪罩結(jié)構(gòu)骨架，因?yàn)槿休d的車身是不包含底架結(jié)構(gòu)的。因此，全承載式客車車身的上半部分與下半部分的受力差別較大，而車輛的車身結(jié)構(gòu)包含了整體性承載式結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)性的承載式結(jié)構(gòu)，而在我國(guó)將這兩種車身結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為全承載式車身結(jié)構(gòu)。

3 承載式客車車身骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 承載式客車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前針對(duì)我國(guó)承載式客車而言，以VOLVO公司生產(chǎn)的VOLVO6563型號(hào)的客車以及奔馳公司生產(chǎn)的CITARO型號(hào)的客車為例，這兩種承載式客車的結(jié)構(gòu)均具有獨(dú)立的前后底盤。與此同時(shí)，這兩種型號(hào)車輛的模塊及尺寸都有所不同，VOLVO6563將自身的橫斷面作為結(jié)構(gòu)主體，底盤的零部件采取后裝的形式，而CITARO的結(jié)構(gòu)則將車身的底盤進(jìn)行分模塊的供應(yīng)[2]。除此之外，兩種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也有所不同，VOLVO6563的車身骨架與底架融為一體，并且其架底的結(jié)構(gòu)為小槽梁或矩管，而CITARO則具有獨(dú)立的底盤結(jié)構(gòu)和零部件。在車輛的本土化生產(chǎn)中，采用了全承載式結(jié)構(gòu)的形式，相比于本土化生產(chǎn)，在出口外銷時(shí)，其底盤的結(jié)構(gòu)則采取自行式或CKD兩種形式，其模塊的組成包含了前后部位懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤的電控集成以及動(dòng)力總成等，而車身中部的改裝則由客戶自行設(shè)計(jì)。

3.2 承載式客車的基礎(chǔ)承載式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基礎(chǔ)式車輛承載結(jié)構(gòu)，即從客車的車身窗臺(tái)梁到底部，以及其與車身側(cè)壁的骨架結(jié)構(gòu)形成的結(jié)構(gòu)部分。這類車身結(jié)構(gòu)的車頂采用部分結(jié)構(gòu)承載的形式，而車身的底架則是由矩形的鋼管焊接而成，突破了傳統(tǒng)的鉚接結(jié)構(gòu)。所以，承載式客車可以充分利用自身的優(yōu)勢(shì)，將車身底部的巨大空間作為儲(chǔ)存乘客行李的行李艙。然而實(shí)際上，客車底部的結(jié)構(gòu)橫截面積較大，進(jìn)而導(dǎo)致車身與地面的距離過大[3]。因此，大多數(shù)商務(wù)客車以及城市客車在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用承載式結(jié)構(gòu)的形式。

3.3 承載式客車整體結(jié)構(gòu)的分析

相比于基礎(chǔ)性的承載結(jié)構(gòu)，整體性的車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，整個(gè)客車的部件都對(duì)客車的承載壓力至關(guān)重要，一旦有一個(gè)部件使用不當(dāng)就會(huì)滿盤皆輸，其使用的功效就會(huì)大打折扣，這種承載結(jié)構(gòu)多適用于入口較低以及底部較低的承載式客車，其采用了從下至上的封閉環(huán)繞結(jié)構(gòu)，相比于半承載式的車身結(jié)構(gòu)，其受力形式也有所不同，底部的材質(zhì)均為Q5265鋼，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，可以極大程度的提升其材料的利用率，再加上其車身的骨架也采用了同樣的材質(zhì)，在提升其材料利用率的同時(shí)，也增加了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 案例分析

某旅行社商務(wù)客車在使用時(shí)，其車身以及與之相連的骨架處均出現(xiàn)了不同程度上的裂痕，尤其是在車身的尾部，其裂痕嚴(yán)重。經(jīng)檢查，第一輛車的車程達(dá)到了6355公里，其車身的左側(cè)門立柱處以及其玻璃窗處出現(xiàn)了多處裂紋，第二輛客車的車程達(dá)到了16523公里，其右側(cè)門的立柱處以及門、窗玻璃的連接處均出現(xiàn)裂紋，第三輛車的車程為6596公里，與前兩輛車的情況有所不同，其尾部出現(xiàn)了裂紋。通過對(duì)上述三輛車進(jìn)行安全檢查，發(fā)現(xiàn)其車身骨架的焊接處與車身外皮相連處均有不同程度上的裂紋，分析其裂紋形成的原因，進(jìn)而對(duì)客車車身結(jié)構(gòu)的傳力路線進(jìn)行改良。

5 尾部出現(xiàn)裂紋的原因

5.1 結(jié)構(gòu)傳力的理論分析

車身的傳力路線應(yīng)選擇最短的路線，如果反其道而行之，會(huì)在一定程度上增加其傳遞的應(yīng)力，就車身軸力而言，其效率要高于車身的彎矩，而車身所承受的軸向力相較于其承受的扭矩及彎矩，前者要優(yōu)于后者，其承受的拉力也要優(yōu)于壓力，如果比較桁架與矩形的結(jié)構(gòu)，只有前者高于后者，才會(huì)有力于車身軸力的傳遞，從而提升其穩(wěn)定性。與此同時(shí)，客車車身的骨架結(jié)構(gòu)受力相對(duì)比較復(fù)雜，如果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良和優(yōu)化，有利于提升其力的傳遞效率。一個(gè)車身良好的設(shè)計(jì)就要滿足以下條件，傳遞路線較短、元件的利用性高以及材料的利用率高等[4]。

5.2 車身尾部結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的車身尾部后排座椅的傳力路線如圖一所示，粗線條表示該車輛的載荷，虛線代表該車輛的傳力路線。其設(shè)計(jì)的流程如下：從車輛的座椅橫梁、側(cè)圍立柱、側(cè)圍縱梁直至下架，其所傳遞的力主要以扭矩及彎矩兩種形式而存在，其所傳遞的路線較長(zhǎng)，再加上其傳遞的效率較低，從而導(dǎo)致其車身的骨架受力較為復(fù)雜。

該旅行社車輛尾部出現(xiàn)裂紋的原因在于其施加的力大于材料所能承受的外力，造成這種現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)：其一，通常情況下，車輛最后一排座位為5座，其承受了來自乘客的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)以及車尾自身的重力[5]。除此之外，車輛在行駛的過程中也承受了來自重力加速度帶來的動(dòng)載荷，在一定程度上增加了其承受的載荷。其二，傳統(tǒng)車輛尾部座椅處的結(jié)構(gòu)形式較為單一，缺少來自于車身斜桿的支撐力，車身大部分的載荷都是通過車身兩旁的側(cè)圍立柱以及側(cè)圍的縱梁傳遞到車架本身。與此同時(shí)，車身發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)單，只設(shè)置了少量的支撐桿，缺乏最基本的，用于改善車身性能的腹板結(jié)構(gòu)，從而大大的降低了其自身的韌性。上述兩種都是導(dǎo)致車身裂紋的主要原因。

圖2 改進(jìn)后的客車傳力路線

5.3 車身骨架尾部的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過上述分析得知，如果在原來的基礎(chǔ)上對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)車輛的后排座添加斜桿作為支撐，進(jìn)而增加座椅處的穩(wěn)定性，其改進(jìn)的方案如圖二所示，實(shí)線用來表示載荷，而傳力路線則用虛線表示，在添加斜桿之后，形成了三角形的桁架結(jié)構(gòu)，眾所周知，三角形具有一定的穩(wěn)定性，故而在增加斜桿之后提升了其穩(wěn)定性，而力的傳遞也主要以向心力的形式傳遞，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)路線的改進(jìn)和創(chuàng)新，改進(jìn)后的傳遞路線為，從座椅的橫梁到斜支撐桿，最后到達(dá)車架[6]。在對(duì)車身的尾部進(jìn)行改進(jìn)后，不僅縮短了傳統(tǒng)的傳遞路線，還在一定程度上促進(jìn)了傳遞效率的提升，在減輕車身側(cè)圍立柱載荷量的同時(shí)，也有效的避免了車蒙皮與骨架之間裂紋的出現(xiàn)[7]。

6 結(jié)語

綜上所述，承載式客車車身骨架的尾部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)車身的安全性至關(guān)重要，針對(duì)上述案例中車身、車尾部的裂紋原因進(jìn)行分析，找到原因，對(duì)癥下藥，加以改進(jìn)，在提升車輛結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，也促進(jìn)了車輛安全性的提升。本文首先詳細(xì)的概括了承載式客車結(jié)構(gòu)，讓讀者掌握相關(guān)的理論知識(shí)，其次闡明了承載式客車車身骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括承載式客車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、承載式客車的基礎(chǔ)承載式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及承載式客車整體結(jié)構(gòu)的分析，接下來就某旅行社客車的使用情況進(jìn)行分析，列舉了三種商務(wù)客車車身及車尾部位產(chǎn)生的不同程度的裂紋，并就其裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行詳細(xì)的分析，最后詳細(xì)的概括了尾部出現(xiàn)裂紋的原因，包括結(jié)構(gòu)傳力的理論分析、車身尾部結(jié)構(gòu)分析以及車身骨架尾部的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過上述案例得知，承載式客車車身產(chǎn)生裂紋的原因在于車身自身受到外力的作用大于自身所能承受的外力，針對(duì)此原因，通過添加斜桿的方式，在縮短傳力路線的同時(shí)，也優(yōu)化了車輛的性能，進(jìn)而提升了車身的穩(wěn)定性。