一種純電中巴車身閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

江華德

一種純電中巴車身閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

江華德

（廈門金龍汽車車身有限公司，福建 廈門 361023）

針對(duì)客車車身安全性能補(bǔ)強(qiáng)方案冗余和純電中巴車身輕量化需求之間的矛盾，結(jié)合沖壓件在純電中巴的應(yīng)用限制，提出上部沖壓件和底部桁架結(jié)合的新型承載中巴車身結(jié)構(gòu)。通過車身整體結(jié)構(gòu)方案的構(gòu)造，并以中門后立柱所在閉環(huán)為研究對(duì)象，對(duì)其截面及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。最后，為驗(yàn)證新閉環(huán)上部結(jié)構(gòu)性能，建立了方鋼閉環(huán)方案，并對(duì)比了兩種閉環(huán)模型上部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的重心和質(zhì)量。結(jié)果表明，沖壓件構(gòu)成的上部閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)比傳統(tǒng)方鋼的閉環(huán)方案，實(shí)現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)的減重和重心位置降低。所研究的純電中巴車身采用多個(gè)新型閉環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了車身輕量化和安全性能的提升。

純電中巴；承載車身；沖壓件；新閉環(huán)結(jié)構(gòu)

一項(xiàng)針對(duì)客車交通事故的調(diào)查顯示事故以碰撞、墜崖和側(cè)翻為主，而側(cè)翻事故所占比例不低[1]。提升車身安全性能可以減少側(cè)翻時(shí)人員的損傷，經(jīng)研究側(cè)翻時(shí)車身的安全性能與梁骨架的截面形態(tài)、厚度以及材料屬性相關(guān)[2]。傳統(tǒng)的方鋼骨架蒙皮車身往往通過“疊料”方式來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)，即采用多根方鋼并管焊接或加大材料規(guī)格[3]。然而，該種補(bǔ)強(qiáng)方案帶來的影響是材料的冗余度大，且受到方鋼規(guī)格制約其優(yōu)化空間有限。隨著純電中巴的應(yīng)用及推廣，提高車輛續(xù)航里程迫切需要車身實(shí)行輕量化設(shè)計(jì)[4-5]。由沖壓件構(gòu)成的車身因其結(jié)構(gòu)富有更多的設(shè)計(jì)和優(yōu)化空間有助于車身性能提升和輕量化設(shè)計(jì)需求，已被應(yīng)用在中巴車上。

然而，目前市場(chǎng)上沖壓車身的中巴均為非承載式車身結(jié)構(gòu)，由于車架縱梁及地板橫梁的存在使得這種沖壓車身整車重心偏，而重心的高低影響著車身側(cè)翻安全性能。此外，純電車電池包布置時(shí)受到底盤車架橫向?qū)挾认拗茻o法完全藏于車身內(nèi)側(cè)造成電池包外露、整車姿態(tài)差問題，導(dǎo)致沖壓件鮮有在純電中巴車身上應(yīng)用。為獲得沖壓件在純電中巴車身上應(yīng)用滿足車身安全性能和輕量化需求，本文對(duì)上部沖壓件與底部桁架總成的新型承載中巴車身結(jié)構(gòu)展開研究。

1 新型閉環(huán)結(jié)構(gòu)研究

1.1 車身整體結(jié)構(gòu)方案

為保證車身側(cè)翻時(shí)具有較好的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，車身結(jié)構(gòu)從前到后設(shè)計(jì)分布幾個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，依次為前圍A柱所處封閉環(huán)、B柱“U”形環(huán)、中門后立柱封閉環(huán)、后輪包所處“U”形環(huán)以及后圍所處尾部封閉環(huán)。每個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)其上部結(jié)構(gòu)主體均為頂部橫梁及兩側(cè)的立柱組件構(gòu)成的沖壓件并通過連接件搭接。這幾個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)通過窗框上下橫梁實(shí)現(xiàn)車身上部籠式承載。

由于側(cè)翻時(shí)車身上部結(jié)構(gòu)吸能占比較大，底部結(jié)構(gòu)吸能占比較小，底部結(jié)構(gòu)在保證基本的剛強(qiáng)度性能時(shí)，在車身框架設(shè)計(jì)初期可視為一個(gè)封閉桁架，并在桁架兩側(cè)搭接橫梁與車身其他總成實(shí)現(xiàn)連接。而封閉的桁架主體則實(shí)現(xiàn)純電底盤系統(tǒng)的匹配。由此新型承載純電中巴車身，就由上部沖壓件結(jié)構(gòu)和底部桁架總成結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

1.2 關(guān)鍵閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

出于安全防護(hù)考慮，純電中巴車型中段往往布置多個(gè)電池包，因此，中門后立柱所在閉環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。

在中門后立柱封閉環(huán)截面構(gòu)造時(shí)，將側(cè)圍立柱內(nèi)板和側(cè)圍立柱外板斷面均按“幾”型設(shè)計(jì)并構(gòu)成截面閉環(huán)，通過截面尺寸調(diào)整可實(shí)現(xiàn)側(cè)圍立柱需求的慣性矩以提升側(cè)圍立柱的剛度。而頂蓋橫梁也采用“幾”型截面設(shè)計(jì)，并使其截面中心線與左右兩側(cè)立柱內(nèi)板的截面中心線分別上、下貫穿對(duì)齊。

由于側(cè)翻碰撞時(shí)，側(cè)圍立柱及頂蓋橫梁等部位往往較為薄弱[6]，只有具備較高的剛度和強(qiáng)度抵抗變形才能確保車內(nèi)有足夠的生存空間。為了保證車身觸地位置的剛度，可將中門后立柱內(nèi)板分為三段，通過上端零件的加厚及結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)局部加強(qiáng)，形成以中門后門框上內(nèi)板、中門后門框中內(nèi)板及中門后門框下內(nèi)板構(gòu)成的中門后立柱內(nèi)板組件。對(duì)于中門框后立柱外板，若采用中門后立柱內(nèi)板同樣的分段方案，則中門框存在可見焊縫影響外觀且分段會(huì)增加焊接工作量。此外，為避免點(diǎn)焊連接不連續(xù)造成剛強(qiáng)度下降，采用整體式?jīng)_壓外板可以有效規(guī)避分段的不足。為此，將中門前立柱外板、中門后立柱外板、中門上橫梁外板及中門門檻外板合并為一個(gè)中門框外板，體現(xiàn)門洞外板的整體性。在中門外板上方兩側(cè)，通過增加上部加強(qiáng)板實(shí)現(xiàn)與頂蓋橫梁的連接，并在中門框外板中段及底部，根據(jù)兩側(cè)窗框上下沿橫梁位置增加相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)板，各零件間通過點(diǎn)焊實(shí)現(xiàn)中門框外板總成的拼接。

由于底部桁架兩側(cè)方鋼橫梁與上部沖壓件立柱之間屬于厚薄板連接，為此通過設(shè)計(jì)連接件，一端與側(cè)圍立柱通過點(diǎn)焊連接，另一端與方鋼橫梁通過二保焊連接，如圖1所示。最終，桁架橫梁及兩側(cè)連接件與上部沖壓件的“U”形環(huán)，構(gòu)成了中門后立柱完整的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

1.3 閉環(huán)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零件優(yōu)化

在上述的中門后立柱閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，為降低上部結(jié)構(gòu)重心位置，須對(duì)頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。即頂蓋橫梁“幾”形結(jié)構(gòu)兩側(cè)與頂蓋橫梁連接板搭接處減少截面深度，僅保留其中段的截面深度不變，截面減少的結(jié)構(gòu)在橫梁連接板上進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)于頂蓋橫梁連接板，則按自對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)頂蓋橫梁兩側(cè)左右件共用，其截面尺寸從“幾”形變化為“一”，大截面端實(shí)現(xiàn)橫梁連接板與中門框外板后連接板或左側(cè)圍立柱外板的搭接，小截面端實(shí)現(xiàn)頂蓋橫梁上部的封閉。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和重組，原“幾”形結(jié)構(gòu)的頂蓋橫梁以頂蓋橫梁組件形式呈現(xiàn)，其構(gòu)成為頂蓋橫梁主體、左側(cè)橫梁連接板和右側(cè)橫梁連接板，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的頂蓋橫梁組件結(jié)構(gòu)示意圖

2 新閉環(huán)上部結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證

2.1 方鋼閉環(huán)方案構(gòu)造

中門后立柱沖壓件的環(huán)形結(jié)構(gòu)經(jīng)過上述設(shè)計(jì)和優(yōu)化，已完成“U”形環(huán)的上部構(gòu)造即圖3的模型B。為了驗(yàn)證其性能和輕量化指標(biāo)，在中門后立柱所在位置采用方鋼骨架對(duì)該“U”形環(huán)進(jìn)行等效設(shè)計(jì)，賦予其客車骨架中門常用規(guī)格即中門后立柱采用規(guī)格為40 mm×30 mm×2.0 mm與40 mm× 40 mm×2.0 mm并管焊接、相鄰后窗框立柱采用40 mm×30 mm×2.0 mm的短管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，左側(cè)圍立柱也為40 mm×30 mm×2.0 mm與40 mm×40 mm× 2.0 mm并管焊接，頂部橫梁則采用兩根相同的 40 mm×40 mm×2.0 mm方鋼進(jìn)行并管焊接。中門后立柱的“U”形環(huán)，經(jīng)過方鋼方案構(gòu)造即圖3的模型A，兩種模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩種“U”形上部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 兩種閉環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比

為驗(yàn)證沖壓件構(gòu)成的新閉環(huán)結(jié)構(gòu)性能，選取中門框后立柱位置所在閉環(huán)的上部結(jié)構(gòu)，對(duì)比圖3中兩種模型的重心及質(zhì)量差異，如表1所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，沖壓件構(gòu)成的上部環(huán)形結(jié)構(gòu)其重心同比方鋼方案低且質(zhì)量更輕。

表1 中門框后立柱上部結(jié)構(gòu)重心及質(zhì)量對(duì)比表

模型A（常用方鋼規(guī)格）模型B（沖壓件）差值（A-B） 重心/mm1 290.521 158.05132.47 質(zhì)量/kg32.6427.035.61

若采用非中門框處的環(huán)形骨架規(guī)格，即兩側(cè)立柱均采用單根60 mm×40 mm×2.0 mm、頂蓋橫梁采用單根50 mm×40 mm×3.0 mm的規(guī)格，此時(shí)圖3兩種模型的重心及質(zhì)量對(duì)比如表2所示。僅從結(jié)果看，模型A采用單根方鋼的方案其質(zhì)量比沖壓件方案低，但重心位置仍無法降低。

表2 模型A參數(shù)變更對(duì)應(yīng)兩種模型重心及質(zhì)量對(duì)比

模型A（其他方鋼規(guī)格）模型B（沖壓件）差值（A-B） 重心/mm1 323.1011 158.05165.051 質(zhì)量/kg20.2827.03-6.75

為了評(píng)估頂蓋橫梁方鋼規(guī)格對(duì)質(zhì)量和重心位置的影響，保留左右立柱單根60 mm×40 mm× 2.0 mm規(guī)格，頂蓋橫梁則采用單根不同規(guī)格，此時(shí)上部“U”形結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)圖3中模型A的重心及質(zhì)量對(duì)比如表3所示。

表3 不同頂蓋橫梁規(guī)格模型A重心及質(zhì)量對(duì)比表

名稱參數(shù) 方鋼規(guī)格/mm50×40×3.050×40×2.040×40×2.0 重心/mm1 323.111 224.721 193.36 質(zhì)量/kg20.2817.8917.27

經(jīng)過表3分析可以看出，頂蓋橫梁方鋼規(guī)格尺寸越小其重心位置越低，但是以上幾種狀態(tài)為非門洞處的“U”形結(jié)構(gòu)，其重心位置均比表1中使用沖壓件的模型B高。由于使用方鋼結(jié)構(gòu)的車身其在前門、中門以及前后圍合拼處均使用多根方鋼并管拼接以保證車身性能，且本項(xiàng)目研發(fā)的車身后輪對(duì)應(yīng)頂蓋位置設(shè)有天窗開口需要加強(qiáng)，因而并未有單根方鋼的環(huán)形結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景。由此可見，中門框后立柱處的上部“U”形結(jié)構(gòu)，與相同位置采用方鋼方案進(jìn)行對(duì)比，采用沖壓件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)了減重和重心位置的降低。

3 結(jié)束語

本文從純電中巴對(duì)車身安全性能和輕量化需求著手，結(jié)合沖壓件可設(shè)計(jì)性和優(yōu)化空間好的特點(diǎn)，對(duì)中門后立柱閉環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證，得出沖壓件構(gòu)成的閉環(huán)上部結(jié)構(gòu)具備重心低和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)?；仡欆嚿碚w方案，對(duì)于其在純電中巴上的應(yīng)用有以下幾個(gè)意義：

1）車身上部結(jié)構(gòu)采用多個(gè)沖壓件的環(huán)形結(jié)構(gòu)有助于車身輕量化，提高純電車?yán)m(xù)航里程；

2）底部平臺(tái)采用桁架結(jié)構(gòu)，與上部沖壓件主體構(gòu)成了新型承載車身結(jié)構(gòu)，降低了整車的重心，提高了純電車的安全性能；

3）桁架底部平臺(tái)，匹配純電中巴底盤，避免電池包外露以及整車姿態(tài)差問題。

[1] 白芳華,王若璜,顏長(zhǎng)征.營(yíng)運(yùn)客車交通事故特征研究與分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(12):206-210.

[2] 高軼男,鞏建強(qiáng).客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能試驗(yàn)和優(yōu)化研究[J].公路與汽運(yùn),2022(2):1-4,7.

[3] 朱銘.全承載式電動(dòng)客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2020(28):84-85.

[4] 韓剛.純電動(dòng)客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析[J].黑龍江科學(xué),2022,13(2):1-3,6.

[5] 翟慧穎,胡新.電動(dòng)汽車車身輕量化技術(shù)研究[J].時(shí)代汽車,2023(10):107-109.

[6] 徐曉芳.客車上部結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2018.

The Design of a Closed-loop Structure for Pure Electric Midibus Body

JIANG Huade

( Xiamen Golden Dragon Autobody Company Limited, Xiamen 361023, China )

Because of the contradiction between the redundancy of the bus body safety perfor- mance reinforcement scheme and the lightweight demand of pure electric midibus body, as well as the application limitation of stamping parts in pure electric midibus, a new load-bearing midibus body structure based on upper stamping parts and bottom truss is presented in this paper. The overall structure scheme of the body is constructed, and the section and structure of the closed-loop structure where the rear pillar of the passenger door located are designed and optimized. Finally, to verify the mechanical properties of the new closed-loop structure, a square steel closed-loop structure is established, then the center of gravity and quality corresponding to the upper structure of the two closed-loop models are compared. The results show that the upper closed-loop structure composed of stamping parts can reduce the weight of the body structure and reduce the height position of the center of gravity compared with the closed-loop scheme of traditional square steel. The pure electric midibus body studied adopts a number of new closed-loop structures, which realizes the lightweight and safety performance of the body.

Pure electric midibus; Load-bearing body; Stamping parts; New closed-loop structure

U462.1

A

1671-7988(2023)19-108-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.021

江華德（1986－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)檐嚿砑傲悴考Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，E-mail:307173732@qq.com。