客車底盤結(jié)構(gòu)安全性分析與輕量化設(shè)計(jì)

李長松 常偉

摘 要：衣、食、住、行是人類生活的四大需求，這四大需求也是經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。鑒于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對公共交通的更高要求以及客車在交通運(yùn)輸中的重要性，確?？蛙嚨倪\(yùn)輸能力和舒適安全十分重要。因此，為了確保這些條件，必須不斷改變客車的底盤結(jié)構(gòu)、運(yùn)行穩(wěn)定性和優(yōu)化后的舒適體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu);安全性;輕量化;客車底盤

0 前言

傳統(tǒng)的客車已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的市場需求，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的客車底盤完全依賴專家在設(shè)計(jì)和車輛優(yōu)化方面給出的數(shù)據(jù)結(jié)論。因此，傳統(tǒng)的客車底盤開發(fā)周期長，浪費(fèi)了大量的人力物力，導(dǎo)致成本高、價(jià)格高、安全系數(shù)沒有保證。然而，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，專家們開發(fā)了新技術(shù)，為車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和車輛優(yōu)化提供了有效的數(shù)據(jù)。本文首先分析了客車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供的安全性，然后研究了國內(nèi)外客車車身輕量化結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，并結(jié)合我國客車底盤輕量化存在的問題和前景，探討了客車底盤輕量化設(shè)計(jì)。

1 客車的底盤設(shè)計(jì)安全性分析及具體方法

1.1 設(shè)計(jì)客車底盤考慮其安全性

由于客車的底盤決定了客車的整體安全性，所以在設(shè)計(jì)底盤時(shí)必須充分考慮安全因素，從打破傳統(tǒng)的客車設(shè)計(jì)概念開始，因?yàn)樵O(shè)計(jì)客車底盤的傳統(tǒng)概念不能完全控制客車的安全因素，這是浪費(fèi)時(shí)間和成本，所以新設(shè)計(jì)從全局的角度來設(shè)計(jì)客車底盤。這就是“滑板底盤”的概念，那么它是如何構(gòu)思的？首先包括將原來的機(jī)械形式轉(zhuǎn)換成目前的電氣形式，這種電氣形式只有一個(gè)與客車車身的電氣連接，可以通過電力的控制來控制客車和制動系統(tǒng)的方向，這種用電力進(jìn)行機(jī)械更換設(shè)計(jì)的概念不僅可以提高客車底盤的安全系數(shù)，還可以節(jié)省時(shí)間和金錢。

1.2 三聚磷酸鋁在客車底盤設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

為了考慮客車的整體安全性，必須嚴(yán)格執(zhí)行客車底盤的設(shè)計(jì)。在底盤設(shè)計(jì)的時(shí)候底盤涂料也是關(guān)鍵點(diǎn)，一定要使用最高質(zhì)量的漆，如果使用劣質(zhì)油漆會使底盤在駕駛公共客車時(shí)容易腐蝕，并導(dǎo)致安全事故。在客車底盤用漆中，三聚磷酸鋁是最佳的涂漆材料，因?yàn)樗趦Υ孢^程中具有更好的穩(wěn)定性，并且能夠有效地耐腐蝕，這有助于穩(wěn)定客車底盤的物理性能，從而滿足底盤的安全要求。因此，要使客車安全運(yùn)行，必須注意客車底盤的制造，因?yàn)榭蛙嚨妆P是決定客車是否能夠安全運(yùn)行的最重要因素，在底盤和漆用材料的設(shè)計(jì)中大力推廣使用最好的防腐材料非常重要。

2 輕量化研究現(xiàn)狀

2.1 采用輕質(zhì)材料

例如鋁，鎂，陶瓷，塑料，玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料。21世紀(jì)的客車底盤將發(fā)生巨大的變化，材料對客車底盤技術(shù)的進(jìn)步至關(guān)重要，輕量化對未來客車底盤的發(fā)展至關(guān)重要。盡管通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減輕重量，但客車底盤重量的大幅度減輕需要使用大量低密度材料。國外許多客車底盤制作廠家一般應(yīng)用鋁合金材料以達(dá)到減重的目的。

2.2 采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

例如，有限元分析，參數(shù)優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化等。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。有關(guān)理論與軟件的不斷發(fā)展進(jìn)步使得計(jì)算機(jī)輔助分析如虎添翼，CAE在客車底盤工業(yè)起的作用越來越大。改變了過去傳統(tǒng)按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模式。如圖1所示，它不僅縮短了客車底盤的開發(fā)周期，大大減少了研發(fā)投資，而且還開發(fā)了更可靠的產(chǎn)品。

2.3 客車底盤輕量化材料沖壓理論與工藝技術(shù)

加強(qiáng)高強(qiáng)度、輕量化先進(jìn)材料在客車底盤制造領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。通過開展基于CAE的沖壓工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法研究，提出輕量化材料神壓回彈預(yù)測與補(bǔ)償、起皺和拉裂預(yù)測與消除、毛坯反求和優(yōu)化工件的新工藝、新理論和新方法。從機(jī)理上研究復(fù)雜零件沖壓中不同材料流動不均勻的產(chǎn)生原因和影響因素，開展多種形式的材料流動阻力控制方法及相應(yīng)工藝?yán)碚摵驮O(shè)計(jì)技術(shù)的研究。研發(fā)一種新穎實(shí)用的高強(qiáng)度鋼沖壓技術(shù)、客車底盤零件超高強(qiáng)度鋼成型技術(shù)、應(yīng)用于復(fù)雜客車底盤零件的液壓成型技術(shù)和激光焊接技術(shù)等。

2.4 客車底盤輕量化激光加工技術(shù)與裝備研究

激光加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)客車底盤輕量化的重要途徑之一。系統(tǒng)進(jìn)行激光與材料相互作用機(jī)理、激光加工過程無損檢測和控制等基礎(chǔ)理論研究，建立激光加工工藝方法和工藝參數(shù)的優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，研究不同材料的激光切割方式，開展激光切割、焊接、精細(xì)燒蝕、直接快速成型、激光涂敷、激光輔助切削加工等理論的研究，開發(fā)激光三維切割工藝技術(shù)，建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng);研究激光深熔焊接理論，開發(fā)激光三維焊接技術(shù)與裝備;研究不同板厚、不同客車底盤材料，尤其是輕量化材料的激光加工拼焊技術(shù)與裝備。

3 我國客車底盤輕量化所面臨的問題

（1）輕量化技術(shù)涵蓋廣泛的研究領(lǐng)域，需要運(yùn)用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)的知識體系，而在當(dāng)前的研發(fā)體系中，研發(fā)機(jī)構(gòu)往往只關(guān)注單個(gè)技術(shù)的研發(fā)，很少實(shí)現(xiàn)技術(shù)的交叉與融合。

（2）客車底盤輕量化技術(shù)涉及眾多的共性技術(shù)和前沿技術(shù)其關(guān)鍵、核心技術(shù)的突破不可能由單個(gè)公司或科研機(jī)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)的。國家級的研究機(jī)構(gòu)需要對尚未實(shí)施的關(guān)鍵問題進(jìn)行先進(jìn)的戰(zhàn)略和前瞻性部署措施。

（3）產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密，沒有明確的定位、合理的分工，基礎(chǔ)研究與技術(shù)開發(fā)研究的有機(jī)對接不夠。公司規(guī)模小、分散，輕量化發(fā)展能力低，研發(fā)人才不足以及整體技術(shù)水平落后。為了提高我國輕型客車底盤技術(shù)的技術(shù)水平，迫切需要整合國內(nèi)輕型技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合，建立輕量化客車底盤技術(shù)資源共享的技術(shù)創(chuàng)新平臺。平臺應(yīng)積極促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研方面的合作;與交流促進(jìn)客車底盤輕量化技術(shù)研究成果向產(chǎn)業(yè)化方向轉(zhuǎn)化;建立輕量化客車底盤重要產(chǎn)品和檢測方法等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范;在相關(guān)行業(yè)建立高水平的職業(yè)培訓(xùn)基地，并提供技術(shù)咨詢服務(wù)。客車底盤輕型技術(shù)創(chuàng)新平臺應(yīng)重點(diǎn)研究開發(fā)以下領(lǐng)域：

①客車底盤輕量化先進(jìn)材料開發(fā)研究;

②客車底盤輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究;

③客車底盤輕量化材料沖壓理論與工藝技術(shù)研究;

④客車底盤輕量化激光加工技術(shù)與裝備研究。

4 底盤輕量化的出路

4.1 高強(qiáng)度鋼的運(yùn)用

底盤的零件因?yàn)橐苯映惺艿孛娴臎_擊所以某些零件的應(yīng)力會大些。因此，有必要增加材料的數(shù)量來降低應(yīng)力。例如，微型客車擺臂的支撐桿在制動時(shí)承受更大的應(yīng)力。如果我們使用普通材料，我們必須使用30mm的桿，以確保應(yīng)力小于250Mpa，以達(dá)到材料允許的安全范圍，但重量達(dá)到2.33kg。如果我們采用高強(qiáng)度鋼我們可以使用中20mm的桿應(yīng)力可以達(dá)到408Mpa，重量減少到1.21kg，這表明高強(qiáng)度鋼對底盤零件的減重效果相當(dāng)明顯。

4.2 高強(qiáng)度彈簧鋼的運(yùn)用

高強(qiáng)度彈簧在彈簧設(shè)計(jì)中非常有用。眾所周知，懸掛在底盤上的彈簧既是安全部件，也是性能部件。我們需要它來滿足剛性和耐用性的要求。但是剛性和耐用性是另一個(gè)悖論。用高強(qiáng)度彈簧鋼，我們可以很好地解決這個(gè)問題。例如，微型車的后懸架彈簧是根據(jù)傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)的，要設(shè)計(jì)的圈數(shù)是5.75圈簧絲直徑φ15.4mm才能達(dá)到要求的剛度，但是其重量為2.66kg，如果采用高強(qiáng)度彈簧鋼我們彈簧的圈數(shù)可以做到4.5圈，簧絲直徑φ14.3mm，可以達(dá)到要求的剛度，并且應(yīng)力也符合高強(qiáng)度彈簧剛度材料許用極限，其重量為1.8kg。高強(qiáng)度鋼彈簧不僅耐用，而且剛性好，符合要求，質(zhì)量比傳統(tǒng)彈簧低0.86kg，彈簧數(shù)量少于質(zhì)量，整車質(zhì)量更舒適。

5 客車底盤結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

改革要從客車底盤加工的成型技術(shù)入手來進(jìn)行，采用高強(qiáng)度沖壓將配件放入熱加工爐，加熱時(shí)間必須嚴(yán)格控制，不得低于或低于，只需四分鐘。用均勻的奧氏體化，用機(jī)械臂將其取出，并且取出后要迅速將配件轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具上快速沖壓成形。成形的底盤配件的強(qiáng)度必須達(dá)到1200 MPa才能合格。客車的底盤主要由三種形式的沖壓梁：U形、W形和V形。

因此，這三種類型的客車底盤沖壓梁在客車的構(gòu)造中起著不同的作用。V形梁是客車底盤防震結(jié)構(gòu)的主要形式，對提高客車整體的整體性非常重要。因?yàn)樗鳛橹虚g結(jié)構(gòu)提升了客車的剛度與強(qiáng)度。而且它使用輕量化材料，所以它的重量在客車底盤上也非常重要。W形梁也廣泛用于客車底盤的設(shè)計(jì)和制造，因?yàn)樗鼫p少了V形梁以外的橫截面跨度，并提高了V形梁的安全系數(shù)。

此外，在加工了客車底盤的結(jié)構(gòu)之后，有必要繼續(xù)優(yōu)化客車的結(jié)構(gòu)，因此客車底盤的輕量化的提高必須在構(gòu)件的形狀方面進(jìn)行處理和改進(jìn)。例如，您可以通過構(gòu)建檢測機(jī)來減小構(gòu)件的尺寸。此外，圓形孔洞是客車底盤設(shè)計(jì)中最常見的方法，因?yàn)閳A形孔洞可以均勻分布構(gòu)件上的應(yīng)力，同時(shí)節(jié)省輕質(zhì)材料，降低成本，優(yōu)化客車底盤的輕量化做到創(chuàng)新發(fā)展。

6 結(jié)語

研究了客車底盤的總體布局設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)只有實(shí)現(xiàn)客車底盤的輕量化結(jié)構(gòu)，才能保證客車使用的安全性和環(huán)保性。希望本文能為客車底盤企業(yè)制造客車底盤帶來有效的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祝堂.“全鋁車身+全鋁底盤”客車路試順利[J].輕合金加工技術(shù)，2018，46（08）：42.