客車車身骨架輕量化材料與輕量化設(shè)計(jì)

呂曉龍， 梁 爽

(北京福田歐輝新能源汽車有限公司， 北京 102206)

客車輕量化技術(shù)主要方法有三種，一是輕量化材料，二是輕量化設(shè)計(jì)[1]，三是輕量化工藝。隨著純電動(dòng)汽車對輕量化的需求，高強(qiáng)鋼用量在不斷攀升。高強(qiáng)鋼強(qiáng)而穩(wěn)定的性能、優(yōu)良的折彎性與表面質(zhì)量及其完善的成型工藝，也對整車輕量化有著巨大的貢獻(xiàn)。鋁合金材質(zhì)的車身雖重量更輕，但成本較高，而高強(qiáng)鋼材質(zhì)在制造成本上的優(yōu)勢明顯，且不會(huì)影響現(xiàn)有主機(jī)廠的制造工藝流程，整車材質(zhì)使用高強(qiáng)鋼將會(huì)是純電動(dòng)客車的發(fā)展趨勢。

1 普通鋼與高強(qiáng)鋼對比分析

選取某10 m純電動(dòng)城市客車車型，在結(jié)構(gòu)、零件規(guī)格不變的情況下，將車身矩形管由厚度3 mm和2 mm的普通鋼替換為厚度為2 mm和1.5 mm的高強(qiáng)鋼。通過CAE仿真分析結(jié)果可知：

1) 在使用了高強(qiáng)鋼之后，模態(tài)頻率的總體趨勢逐漸降低。其中一階固有頻率由7.077 Hz降低到6.977 Hz。

2) 彎曲剛度降低了31.88%，扭轉(zhuǎn)剛度降低了23%。

3) 減重約30%，即如果部分采用高強(qiáng)鋼，重量雖然可以大幅度的降低，但剛性也隨之降低。因此在后續(xù)設(shè)計(jì)中，要充分考慮結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不可盲目切換[2-7]以避免剛性下降帶來的影響。

2 車身骨架輕量化設(shè)計(jì)思路

2.1 整車主體框架采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)

目前客車車身骨架結(jié)構(gòu)基本上都是采用矩形管焊接而成，矩形管件的力學(xué)特點(diǎn)是承受拉壓載荷的性能強(qiáng)，承受彎扭載荷的性能弱。因此提高骨架的彎扭性能，一般都采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)[8]。所謂閉環(huán)結(jié)構(gòu)，是指整車骨架某一截面上的頂蓋彎梁、側(cè)圍立柱及車架橫斷面在同一平面上形成一個(gè)完整的閉環(huán)狀態(tài)，如圖1所示。此結(jié)構(gòu)不僅可以保證力流傳遞的連續(xù)性，還可以更好地引導(dǎo)力傳遞，而且閉環(huán)結(jié)構(gòu)還能減少因?yàn)榉情]環(huán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)錯(cuò)位而增加的過渡連接零件的使用數(shù)量。因此，閉環(huán)結(jié)構(gòu)有利于骨架的輕量化設(shè)計(jì)。

圖1 閉環(huán)結(jié)構(gòu)骨架截面圖

在車身骨架設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能多地采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，某些位置因結(jié)構(gòu)原因無法形成閉環(huán)的也可以通過斜梁連接實(shí)現(xiàn)力流的點(diǎn)到點(diǎn)的連通，從而使骨架導(dǎo)力結(jié)構(gòu)更加合理[9],如圖2所示。

圖2 車身骨架封閉環(huán)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)力斜梁結(jié)構(gòu)

2.2 總成結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

2.2.1 側(cè)圍骨架輕量化設(shè)計(jì)

側(cè)圍骨架總成結(jié)構(gòu)中梁分為主梁和輔梁，其中主梁包括窗立柱、門立柱、裙立柱、頂邊梁、中部橫梁、底邊梁，輔梁即為主梁以外的所有梁。輕量化設(shè)計(jì)措施如下：

1) 將主梁由厚度為3.0 mm的普通鋼材質(zhì)型鋼改成厚度為2.0 mm的高強(qiáng)鋼材質(zhì)型鋼，總成可以降重81 kg，減重率達(dá)到33.3%。但在整車結(jié)構(gòu)為頂置電池或者頂置氣瓶(CNG)時(shí)，電池或者氣瓶所在區(qū)域內(nèi)的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的主梁(單指窗立柱和裙立柱)仍采用3.0 mm的普通鋼材質(zhì)型鋼，以提高局部的結(jié)構(gòu)剛度。

2) 主梁中的門立柱由單管結(jié)構(gòu)(100 mm×40 mm矩形管，管壁厚3.0 mm)改為并管結(jié)構(gòu)(2個(gè)50 mm×40 mm矩形管，管壁厚1.5 mm，如圖3所示。經(jīng)CAE分析及整車驗(yàn)證，在整個(gè)左右側(cè)圍骨架總成減重9 kg的同時(shí)強(qiáng)度提高20%、剛度提高10%。

3) 輔梁厚度由2.0 mm的普通鋼材質(zhì)型鋼改成厚度為1.5 mm的高強(qiáng)鋼材質(zhì)型鋼，總成可以降重33 kg,減重率達(dá)到25%。還有一些輔梁可根據(jù)功能需求，在不影響功能使用的前提下適當(dāng)縮小鋼材規(guī)格，亦可達(dá)到降重目的，但局部結(jié)構(gòu)可能需要改變。如圖4所示，像窗下梁、斜撐等輔梁鋼材規(guī)格都減小后，應(yīng)在窗下梁與中部橫梁之間增加連接梁形成類似H型結(jié)構(gòu)，增加局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體剛度，將兩者形成一個(gè)局部結(jié)構(gòu)環(huán)。

4) 取消一些輔梁臃腫設(shè)計(jì)。如：避免采用大規(guī)格的矩形管，盡量采用滿足功能需求的小規(guī)格矩形管；盡量減少功能單一的梁重復(fù)或疊加使用；骨架的預(yù)埋板尺寸滿足使用即可，不必設(shè)計(jì)得過大，特殊情況可以通過設(shè)計(jì)減重孔等。從圖5所示的斜梁和橫梁關(guān)系可以看出，斜梁被橫梁打斷，雖然橫梁增加了局部強(qiáng)度，但力并沒有很好引導(dǎo)出去，這樣反而容易造成應(yīng)力集中。將橫梁取消，可以降低重量，總成可以降重14.5 kg。然后將斜梁連成了整體，并對斜梁的連接方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，一端連接在了立柱上，力即得到了有效引導(dǎo)，避免了應(yīng)力的集中，貫通斜梁結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 斜梁被橫梁打斷結(jié)構(gòu)

2.2.2 頂蓋骨架輕量化設(shè)計(jì)

頂蓋骨架總成結(jié)構(gòu)中的梁分為主梁和輔梁，主梁即頂彎梁，其他結(jié)構(gòu)梁都為輔梁。輕量化設(shè)計(jì)措施如下：

1) 主梁由厚度為3.0 mm的普通鋼材質(zhì)型鋼改成厚度為2.0 mm的高強(qiáng)鋼材質(zhì)型鋼，總成可以降重40.5 kg，減重率達(dá)到33.3%。但右側(cè)圍門立柱位置采用雙頂彎梁結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，在整車結(jié)構(gòu)相對較弱的位置形成整車最強(qiáng)的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，與側(cè)圍骨架中的并管結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，在考慮輕量化的同時(shí)保證整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖7 右側(cè)圍門立柱位置采用雙頂彎梁結(jié)構(gòu)

2) 全部輔梁厚度由2.0 mm的普通鋼材質(zhì)型鋼改成厚度為1.5 mm的高強(qiáng)鋼材質(zhì)型鋼，總成可以降重32 kg，減重率達(dá)到25%。同時(shí)將中間的矩形管輔梁改為U型折彎件結(jié)構(gòu)，在保證其功能性沒有變化的前提下進(jìn)行降重設(shè)計(jì)，總成還可以降重8.5 kg，如圖8所示。

(a) 改進(jìn)前結(jié)構(gòu) (b) 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

3) 將多重斜撐(如圖9所示)優(yōu)化成連續(xù)斜撐(如圖10所示)，從結(jié)構(gòu)上可以看出輔梁主要起到連接和支撐作用，而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中其性能其實(shí)是過盈的，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)既簡潔又不影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，總成可以降重7 kg。

圖9 多重斜撐結(jié)構(gòu)

2.2.3 前后圍骨架輕量化設(shè)計(jì)

前后圍骨架總成結(jié)構(gòu)相對比較簡單，主要由頂彎梁、側(cè)立柱(A柱)、風(fēng)窗上彎梁、風(fēng)窗下彎梁構(gòu)成，其中頂彎梁與側(cè)立柱(A柱)形成封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，風(fēng)窗上下彎梁與側(cè)立柱(A柱)形成框架結(jié)構(gòu)(前圍如圖11所示、后圍如圖12所示)，二者形成一個(gè)雙維度封閉框架結(jié)構(gòu)，其他根據(jù)功能需要增加相應(yīng)輔梁，起到連接、搭接和支撐作用。故輕量化設(shè)計(jì)主要措施是：在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)尺寸均不作改變，只采用1.5 mm厚度矩形管代替2.0 mm厚度的矩形管作為輔梁，前圍可以降重1.8 kg，后圍可以降重1.2 kg；而主梁選用較大規(guī)格的矩形管來保證框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，以滿足安全需求。

圖11 封閉雙維度框架前圍結(jié)構(gòu)

圖12 封閉雙維度框架后圍結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，不僅需要數(shù)據(jù)模擬的技術(shù)支撐，更需要以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作為數(shù)據(jù)依托，而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)思路要清晰，要分清結(jié)構(gòu)中的主、輔梁的設(shè)定，主梁是核心，是主要的承載件或承載結(jié)構(gòu)的組成部分，輔梁是起到連接、搭接和支撐作用，只有核心的受力框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完整，再配合合理的連接，完善的導(dǎo)力結(jié)構(gòu)，才能組合成一個(gè)最優(yōu)的整車骨架結(jié)構(gòu)，做到最大化的輕量化設(shè)計(jì)。