低地板公交車結(jié)構(gòu)輕量化研究

韓世秀

摘 要：本論文主要通過對(duì)低地板公交車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)背景的闡述，低地板公交車輕量化技術(shù)作用和發(fā)展現(xiàn)狀的研究，進(jìn)一步討論了低地板公交車輕量化技術(shù)所存在的不足，最后提供了實(shí)現(xiàn)低地板公交車結(jié)構(gòu)輕量化的途徑和在行業(yè)中的應(yīng)用，從而為低地板公交車行業(yè)輕量化設(shè)計(jì)提供有效的幫助。

關(guān)鍵詞：低地板公交車 結(jié)構(gòu)輕量化 發(fā)展前景

Research on Lightweight Structure of Low-floor Bus

Han Shixiu

Abstract：This paper mainly discusses the deficiencies of low-floor bus lightweight technology by explaining the background of low-floor bus structure lightweight design， the role and development status of low-floor bus lightweight technology， and finally provides a way to realize the lightweight structure of low-floor buses and its application in the industry， thereby providing effective help for the lightweight design of the low-floor bus industry.

Key words：low-floor buses， lightweight structure， development prospects

1 引言

低地板公交車結(jié)構(gòu)輕量化的研究早期應(yīng)用在高端的轎車和跑車行業(yè)中，由于車型本身特殊性的要求，工程師和研發(fā)團(tuán)隊(duì)會(huì)通過降低車架，車身的重量來提高高端轎車和跑車的奔跑速度。隨著我們國家提倡綠色出行，節(jié)能減排等一系列概念的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究理念在低地板公交車設(shè)計(jì)行業(yè)中也逐漸形成，由于低地板公交車的能耗，發(fā)動(dòng)機(jī)的排量無一不與低地板公交車的總重量有關(guān)，所以低地板公交車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究可以降低低地板公交車能耗以及CO2等尾氣的排放。

2 低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)的背景

隨著國家各城市的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，以及人們對(duì)生活品質(zhì)的追求越來越高，城市公交車行業(yè)的發(fā)展主要面臨三大問題：能耗、環(huán)保以及安全，因此采用輕量化設(shè)計(jì)可以降低成本已經(jīng)受到了人們的重視?，F(xiàn)在許多廠家已經(jīng)開始在節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境方面對(duì)低地板公交車輕量化技術(shù)作進(jìn)一步研究，同時(shí)國家還制定了相應(yīng)的法律法規(guī)和相關(guān)的政策。低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)就是通過減輕低地板公交車各組成部件的自身重量，從而減輕整車的總重量，達(dá)到減少低地板公交車能耗和CO2等尾氣排放的目的，從而相應(yīng)國策，保護(hù)環(huán)境，提供人們的生活質(zhì)量，最終也節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。

低地板公交車結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)研究的最主要的優(yōu)勢(shì)是降低汽車的能耗，從而在減輕汽車重量的同時(shí)，也加強(qiáng)了汽車環(huán)保、節(jié)能減排等可持續(xù)發(fā)展理念。有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，若汽車整備質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%;若滾動(dòng)阻力減10%，燃油效率可提高3%;若車橋、變速器等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率提高10%，燃油效率可提高7%。根據(jù)研究結(jié)果，我們不難看出，伴隨輕量化而來的突出優(yōu)點(diǎn)就是油耗的顯著降低，一般低地板公交車車身的重量占總重量的30%，在沒有承載物的情況下，幾乎一半以上的能耗是由低地板公交車自重而消耗的，所以減輕低地板公交車自身的重量可以降低低地板公交車的能耗，從而提高了低地板公交車的經(jīng)濟(jì)性。低地板公交車輕量化有利于對(duì)低地板公交車的操控性，而且還能提高低地板公交車的穩(wěn)定性，使低地板公交車在運(yùn)行過程中更加安全和舒適[1]。低地板公交車在運(yùn)行過程中發(fā)生顛簸現(xiàn)象，如果減輕車身底盤的重量，這樣就能增加低地板公交車的穩(wěn)定性，另外倘若車身選用的高強(qiáng)度鋼、鎂鋁合金、塑料、碳纖維以及其它復(fù)合材料等還具有吸收撞擊能量的功能，這樣的話，在低地板公交車發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)降低車身的破壞，還能增加低地板公交車的安全性。低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為各廠家研究的重點(diǎn)，輕量化設(shè)計(jì)不僅有利于傳統(tǒng)的動(dòng)力汽車，而且對(duì)電池，氫氣等新能源動(dòng)力汽車也具有相同的功能，這樣會(huì)給各廠家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益，同樣對(duì)社會(huì)的發(fā)展帶有推動(dòng)作用。

3 低地板公交車輕量化技術(shù)的作用

低地板公交車輕量化的含義是在保證低地板公交車安全性能的情況下，通過采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和有效的設(shè)計(jì)手段對(duì)側(cè)圍，頂蓋，前后圍，地板骨架五大片體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，材料的強(qiáng)度不斷提高，鋼材的板厚或壁厚不斷減薄，局部需要引進(jìn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)的概念，按照不同狀態(tài)強(qiáng)度的不同要求，需要設(shè)計(jì)減重、孔加筋等，或者使用鎂鋁合金、塑料、碳纖維等輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)低地板公交車車身自重的降低。但是低地板公交車輕量化技術(shù)并不僅僅是降低低地板公交車自身的重量，低地板公交車的質(zhì)量問題會(huì)直接影響其安全性和使用性，另外低地板公交車制造商還需要考慮低地板公交車的經(jīng)濟(jì)合理性，保證消費(fèi)者能夠接受產(chǎn)品的價(jià)格，這樣才能使低地板公交車行業(yè)更加有序的向前發(fā)展[2]。低地板公交車輕量化的作用主要有三點(diǎn)：（1）低地板公交車的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的需求，先進(jìn)的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)其作用是降低低地板公交車的自身重量。（2）低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)通過拓?fù)?、仿真?jì)算等先進(jìn)手段合理優(yōu)化，在保持原有低地板公交車行駛安全性、 耐撞性、抗震性以及舒適性等性能不降低的前提下提高低地板公交車本身的使用經(jīng)濟(jì)性。（3）輕量化設(shè)計(jì)既需要降低汽車的自重還需要保證汽車的強(qiáng)度和安全性能，因此其是性能，質(zhì)量，結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。

4 低地板公交車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

低地板公交車輕量化技術(shù)主要是包括低地板公交車結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和輕量化材料的應(yīng)用，如果低地板公交車本身結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求，那就需要通過研究輕量化材料來降低低地板公交車本身的自重。在低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)研究過程中，材料是影響車身自重的主要因素[3]。通過研究發(fā)現(xiàn)，低地板公交車輕量化技術(shù)主要包括4個(gè)方面：（1）材料：如果想要實(shí)現(xiàn)低地板公交車輕量化，制造商必須要使用新材料和新技術(shù)?，F(xiàn)在許多制造商主要使用的輕量化材料是高強(qiáng)度鋼、鎂鋁合金、塑料、碳纖維以及其它復(fù)合材料。高強(qiáng)度鋼不言而喻，它的作用就是通過降低鋼材的板厚或者壁厚，從而降低車身焊接后的總重量，同時(shí)還能保證低地板公交車運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和安全性能;鎂鋁合金、塑料、碳纖維以及其它復(fù)合材料主要是在低地板公交車非結(jié)構(gòu)構(gòu)件上來降低車身的自重。低地板公交車使用的部分材料（如圖1）

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：現(xiàn)在消費(fèi)者對(duì)低地板公交車的要求越來越高，所以制造商一定要滲透一些人機(jī)學(xué)，智慧設(shè)計(jì)等先進(jìn)的理念，加強(qiáng)和提高低地板公交車設(shè)計(jì)的水平，也越來越多的制造商已經(jīng)開始使用輕型懸架結(jié)構(gòu)來減輕低地板公交車自身的重量，從而達(dá)到低地板公交車輕量化的目的。

（3）制作工藝：現(xiàn)在低地板公交車制造業(yè)已經(jīng)在低地板公交車形態(tài)和外部連接方面研究出新的技術(shù)，比如：使用鉚接實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)、不同厚度、多層材料進(jìn)行連接等，這些技術(shù)都在很大程度上降低了低地板公交車自身的重量。

（4）評(píng)價(jià)作用：低地板公交車輕量化技術(shù)的意義是為了解決過度的能源消耗，對(duì)于環(huán)境的保護(hù)以及汽車的安全性能。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是通過產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和環(huán)境保護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，減小對(duì)能源的消耗，降低能源對(duì)環(huán)境的影響，進(jìn)一步改善低地板公交車輕量化技術(shù)。

5 低地板公交車輕量化技術(shù)存在的問題

（1）低地板公交車輕量化研究主要集中在低地板公交車研發(fā)的后期，只是對(duì)現(xiàn)有車型的外部材料進(jìn)行加強(qiáng)和減重，并沒有針對(duì)整個(gè)車身骨架的設(shè)計(jì)，所以這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并沒有對(duì)低地板公交車本身減重造成影響，設(shè)計(jì)者需要在早期的設(shè)計(jì)理念中加入結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)，結(jié)合低地板公交車框架形式和構(gòu)件的尺寸進(jìn)行確定，通過仿真分析得出個(gè)結(jié)構(gòu)的影響參數(shù)和性能指標(biāo)，最后得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，一定要將低地板公交車的質(zhì)量和性能相結(jié)合。

（2）輕量化設(shè)計(jì)比較單一，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)不明確。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以后，需要通過檢測(cè)車的性能對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，但是并沒有考慮其他方面因素的影響，這可能會(huì)導(dǎo)致最后的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案不是合理的優(yōu)化。輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)并不是針對(duì)某一方向進(jìn)行優(yōu)化，需要結(jié)合其他學(xué)科進(jìn)行修正[4]。輕量化設(shè)計(jì)需要考慮低地板公交車的各項(xiàng)性能指標(biāo)，是一個(gè)結(jié)合多學(xué)科多方向的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，最后找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

（3）輕量化設(shè)計(jì)主要集中在對(duì)材料強(qiáng)度的加強(qiáng)和減小構(gòu)件厚度來降低材料的重量，并沒有考慮到各部件間的拓?fù)潢P(guān)系和截面尺寸等因素影響，并沒有使輕量化設(shè)計(jì)起到應(yīng)有的作用。低地板公交車是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，各部件之間的拓?fù)潢P(guān)系、零件的截面尺寸以及材料的強(qiáng)度共同影響低地板公交車的性能。

6 實(shí)現(xiàn)低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)的主要途徑

低地板公交車的輕量化設(shè)計(jì)是在保證低地板公交車基本性能的前提下，減輕低地板公交車的自重而降低能源的消耗，從而保護(hù)環(huán)境?，F(xiàn)在實(shí)現(xiàn)低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)的主要途徑有三種：

（1）結(jié)構(gòu)輕量化，就是通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改進(jìn)汽車的外部形狀和各部件之間的拓?fù)潢P(guān)系，降低汽車自身的重量，滿足汽車設(shè)計(jì)的要求。低地板公交車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單的將汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要是通過軟件進(jìn)行仿真模擬來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方案是否可行，能否滿足低地板公交車本身的結(jié)構(gòu)要求和穩(wěn)定性要求，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

（2）特種加工，輕量化設(shè)計(jì)主要通過應(yīng)用先進(jìn)的連接方式（比如：激光拼焊板等）和成行方式（比如：柔性軋制）進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是在進(jìn)行構(gòu)件之間的連接時(shí)，需要充分考慮構(gòu)建的強(qiáng)度和斷面形式。

（3）材料輕量化，輕量化設(shè)計(jì)主要采用的是高強(qiáng)度鋼板和輕質(zhì)復(fù)合材料，比如：鎂鋁合金、碳纖維、高強(qiáng)度復(fù)合材料等，這些材料都是在進(jìn)行低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)中使用的主要原料，也是未來汽車制造中的重要材料。

7 低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)在城市公交車行業(yè)中的應(yīng)用

在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)過程中，需要引入拓?fù)浞抡鎯?yōu)化、外部形態(tài)優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化，從而可以節(jié)約設(shè)計(jì)的時(shí)間，節(jié)約成本。（如圖2）

現(xiàn)在汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國家經(jīng)濟(jì)最重要的一部分，但是輕量化技術(shù)還不夠成熟，我國的能源消耗和環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，因此輕量化技術(shù)的研發(fā)十分重要，必將會(huì)在未來的城市公交車行業(yè)中發(fā)揮巨大的作用，其發(fā)展前景十分廣闊。對(duì)于低地板公交車輕量化研究來說，要綜合多學(xué)科的系統(tǒng)體系，同時(shí)結(jié)合國家的發(fā)展戰(zhàn)略，制作出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。低地板公交車的輕量化設(shè)計(jì)要加強(qiáng)創(chuàng)新，并不斷的進(jìn)行鉆研，使該技術(shù)廣泛的應(yīng)用于城市公交車行業(yè)中。

8 結(jié)語

低地板公交車輕量化設(shè)計(jì)和研究已經(jīng)成為城市公交車行業(yè)的重要研究課題，本文主要通過研究和分析低地板公交車輕量化技術(shù)，希望提高汽車的安全性，降低能源消耗，對(duì)促進(jìn)社會(huì)和諧和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)，為未來的城市公交車行業(yè)發(fā)展提供重要的依據(jù)。

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