城市公交車身輕量化分析與設(shè)計

陸海英，甘明，楊坤

（愛普車輛（中國）有限公司上海分公司，上海 200040）

1 引言

作為城市樞紐的公交車，采用純電動技術(shù)可作為降低城市環(huán)境污染、減少能源消耗的切入點。目前續(xù)駛里程短是制約純電動公交發(fā)展的主要因素。可以通過增加動力電池的電量或者對整車進行輕量化來增加續(xù)駛里程。但是依目前的技術(shù)，增加電量即增加電池重量，整車質(zhì)量也相應(yīng)增加，這使純電動公交的使用成本有所提高，也降低了能源利用率。在電池技術(shù)還沒有突破性進展并應(yīng)用的情況下，對客車進行輕量化設(shè)計，減輕車身的質(zhì)量，是目前提高電動車的續(xù)駛里程、降低使用成本最有效的方法之一。世界節(jié)能與環(huán)境協(xié)會基于交通運營商的數(shù)據(jù)顯示，整車減重10%，可降低油耗6-8%[1]；節(jié)省電能6-9%。

車身輕量化主要有以下幾種方式。一是使用新型輕量化材料，如碳纖維、高強度鋼、鎂合金、鈦合金、纖維復(fù)合塑料以及鋁合金等。綜合比較而言，鋁合金兼具經(jīng)濟性和可靠性，材料強度大，無供應(yīng)瓶頸，材料環(huán)保性強，回收率高，且能夠低成本規(guī)模生產(chǎn)及加工，適合廣泛應(yīng)用。二是新型制造加工技術(shù)。先進以及合適的連接技術(shù)，提高連接強度的同時可減少材料的使用；先進的零件制造技術(shù)，比如半固態(tài)鑄造等，可在保證零件可靠性的前提下，盡量減少材料的使用。三是車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)車身傳力結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高承載度，盡量減少對結(jié)構(gòu)性能貢獻較低的零部件，同時單個零件的拓?fù)鋬?yōu)化可進一步輕量化。

2 城市公交車身結(jié)構(gòu)輕量化的研究

2.1 輕量化材料應(yīng)用

能用于公交車輕量化的材料大致有以下幾種：鋁合金、高強鋼、鎂合金、工程塑料和碳纖維。從材料經(jīng)濟性和可靠性對比的情況大致如下所示（圖1）。

圖1 公交車輕量化材料對比

碳纖維和鈦合金材料以及在航空航天上有廣泛的應(yīng)用，其可靠性和性能毋庸置疑，但是在公交車領(lǐng)域成本是一個重要的考量因素，就目前的生產(chǎn)水平和材料成本來說，碳纖維和鈦合金材料應(yīng)用在公交領(lǐng)域還不太合適。高性能陶瓷面臨的主要問題是用于框架式結(jié)構(gòu)時其靈活性不足，無法適應(yīng)公交車結(jié)構(gòu)量小多變的特點。工程塑料近些年的發(fā)展迅速，在強度上已經(jīng)有很大的提升，但是其作為大型結(jié)構(gòu)件的可靠性還有待驗證。鎂合金曾經(jīng)在航空史上有過廣泛的應(yīng)用，在一戰(zhàn)和二戰(zhàn)時期曾被用于生產(chǎn)軍用飛機，后來由于其高溫下的易燃性問題目前已經(jīng)很少用于航空結(jié)構(gòu)件。

經(jīng)過對比分析，高強鋼和鋁合金是目前情況下適合做車身輕量化的材料。高強鋼生產(chǎn)工藝貼近主機廠現(xiàn)有工藝，可接受程度高。鋁合金對目前的大多數(shù)主機廠來說是新產(chǎn)品新工藝，經(jīng)過近幾年的推廣，也有了一定的市場占有率。

2.2 輕量化工藝應(yīng)用

公交車身輕量化的效果和車身制造工藝密不可分。在傳統(tǒng)鋼車身上，附件的安裝方式主要是鋼焊接、自攻釘和鋼板攻絲螺接，而且很多情況下為了考慮制造誤差，埋板的尺寸往往較大，造成材料利用率低，而且減重效果差。對傳統(tǒng)鋼車身的附件安裝來說，可以通過提高工件定位精度，減小埋板的大小來減重。對一個12m的鋁合金公交車身來說，補平條的重量可以達(dá)到60kg以上，而埋板的重量也可以達(dá)到50kg以上。因此在內(nèi)飾件的安裝上，對自身剛度比較好的內(nèi)飾件，可以減少內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)的補平和墊平部分，進一步減少車身重量。

2.3 輕量化成本分析

由于材料成本因素和技術(shù)工藝因素影響，用全鋁車身替代傳統(tǒng)車身時，根據(jù)不同的車長和配置要求，使用全鋁車身增加約3～7萬元采購成本。但從公交車全生命周期的使用成本來看，通過節(jié)省的電費、鋁金屬回收殘值、維修成本各方面綜合考慮，整體應(yīng)用成本反而會降低，而且結(jié)合節(jié)能環(huán)保的社會效益，全鋁車身應(yīng)用在純電動客車上的全生命周期使用成本將節(jié)省8～12萬元。

綜上所述，鋁合金材料在城市公交車車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用有著巨大的優(yōu)勢，而在車身結(jié)構(gòu)連接工藝方面，由于焊接對鋁合金母體的損傷、螺栓連接的松動問題下，采用鉚釘連接成為主流。

3 鋁合金車身結(jié)構(gòu)的研究

3.1 設(shè)計原則

在傳統(tǒng)鋼車身轉(zhuǎn)化為鋁車身結(jié)構(gòu)時首先要考慮可靠性問題，從強度、剛度、模態(tài)、耐疲勞這幾個方面進行分析對比。在設(shè)計之初，可以從型材替換的角度出發(fā)，進行局部對比。

3.1.1 材料抗壓能力和截面積

公式（1）中的F為梁所受的軸向拉力或壓力；E為彈性模量，對各種鋁合金來說該數(shù)值較為穩(wěn)定，為70GPa，對于各種鋼材來說，該數(shù)值為210GPa，是鋁合金的3倍；ε為材料應(yīng)變率，和受力大小直接相關(guān)；A為梁的截面積，只和橫截面的面積大小有關(guān)，和截面形狀無關(guān)。對只受拉壓的梁來說，截面積的大小才是關(guān)鍵因素，截面形狀的影響很小。

公式（2）中 σ為梁所受的應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過梁的屈服強度的時候，梁發(fā)生不可逆變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。材料的屈服強度越高，能承受的最大力越大。由于不同強度的同種材料其彈性模量E是幾乎不變的，因為高強度材料并不能提高剛度。

3.1.2 材料抗彎能力和慣性矩

公式（3）中為梁所受的彎矩；E為材料彈性模量；θ為梁的轉(zhuǎn)角，和受力大小之間相關(guān)；I為梁的慣性矩，和截面形狀關(guān)聯(lián)度非常大，可用來表達(dá)梁的抗彎能力。形心主慣性矩具有最高的實際應(yīng)用價值，在不改變截面面積大小的情況下只是通過移軸就可以大大增強抗彎剛度，而且增強效果非常強大。

因此為了提高材料的利用效率，應(yīng)將質(zhì)量盡量分布在離形心比較遠(yuǎn)的位置。而增大截面慣性矩的簡易方法是截面形狀是矩形管，越接近矩形管的設(shè)計越好。

3.1.3 局部穩(wěn)定性問題

在 3.1.2中提到的將質(zhì)量盡可能地都分布在設(shè)計邊界上能提高材料的抗彎能力，但是這里還需要考慮局部失穩(wěn)的問題，以及連接工藝問題。局部失穩(wěn)會導(dǎo)致整體失穩(wěn)，可以通過以下辦法解決，一是金屬型材壁厚不能太薄，這也是高強鋼減重的一個瓶頸所在；二是增加局部加強筋。

綜上所述，在滿足局部穩(wěn)定性條件的前提下將材料利用效率最大化；在可能的情況下盡可能擴大設(shè)計空間；在設(shè)計空間內(nèi)將材料盡量分布在邊界，這是設(shè)計之初的型材替換過程中的設(shè)計原則。

3.2 型材連接部位有限元分析

根據(jù)上述設(shè)計原則分別設(shè)計幾款型材，并根據(jù)型材狀態(tài)考慮連接結(jié)構(gòu)，見表1中的截面示意。通過對各種狀態(tài)鋁合金連接結(jié)構(gòu)的分析與對比，找出比較相對最優(yōu)的方式。

表1 各種型材接頭有限元分析數(shù)據(jù)匯總表

從表1可以看出，型材1、4的變形量比其他型材的小，而變形量有優(yōu)勢的型材1截面積比較大，性價比并不高。在工藝性方面，型材1的截面需要增加補平條便于客車內(nèi)外飾的裝配，一定程度上又增加了重量，而型材4不存在此問題。因此，經(jīng)過綜合考慮，選用型材4作為主型材截面。

3.3 鋁車身結(jié)構(gòu)分析驗證

根據(jù)上述方式選出合適的型材截面后，在車身結(jié)構(gòu)中，替換鋼骨架，結(jié)合車架，進行整車有限元分析，分別根據(jù)模態(tài)、強度、剛度三個方面進行評價。

圖2 一階橫向彎曲模態(tài) 9.45Hz

圖3 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)11.56Hz

圖4 一階垂向彎曲模態(tài) 15.23Hz

從上圖2～4中可以看出該車車身結(jié)構(gòu)的固有振型大致可分為兩類：一是車身的整體振動，二是以車身結(jié)構(gòu)的部分振動為主的局部振動。3階的彈性模態(tài)頻率分布在9.45～15.23Hz范圍內(nèi)，以整體振動為主的振型較多。從整體上看，該車的各階振型都比較平滑，沒有大的突變，且都在經(jīng)驗值范圍內(nèi)。

在實際設(shè)計中應(yīng)盡量使車身激振頻率避開這一固有頻率范圍，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象。

經(jīng)過有限元分析，獲取相關(guān)分析結(jié)果數(shù)據(jù)后運用剛度計算公式計算得出，該車型彎曲剛度為 3454N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度為38991Nm/deg。結(jié)合既往類似車型的經(jīng)驗，該車型彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都在合理范圍內(nèi)。

圖5 靜態(tài)彎曲--鋁車身應(yīng)力云圖

圖6 緊急制動--鋁車身應(yīng)力云圖

圖7 緊急轉(zhuǎn)彎--鋁車身應(yīng)力云圖

圖8 單輪抬起--鋁車身應(yīng)力云圖

從圖8中可以看出，在各計算工況下，由于存在有限元分析建模本身局限性帶來的誤差以及鉚釘?shù)膴A緊力和摩擦力的忽略，使得應(yīng)力計算值大于實際運行值。綜上所述，該鋁型材構(gòu)建的車身結(jié)構(gòu)滿足公交車的可靠性要求，局部進行加強、優(yōu)化即可。

4 結(jié)論

通過對鋁合金材料在城市公交車車身結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用，并進行有限元分析與判定，使用輕質(zhì)鋁合金材料是輕量化的重要手段，通過計算、稱重對比，對于12m非頂置電池的城市公交車，車身骨架可減重 35～45%，蒙皮減重達(dá) 50～60%，整車減重可達(dá)500～1000kg，這是目前市場上減重效率最高，綜合性價比最高的輕量化解決方案。車身上的應(yīng)用目前已逐漸廣泛。