客车车身骨架轻量化设计探讨

客车车身骨架轻量化设计探讨

罗良振

厦门丰泰国际客车 有限公司（ 361026）

摘要：随着现代交通的发展和汽车工业的进步，汽车已经完全融入到我们的生活中。我国人口众多，公共交通是我国发展的主流。客车不仅具有及时迅速的特点，而且可以实现点对点的直线运输，机动灵活性非常强。大客车作为公路客运最主要的一种形式，与航空、铁路相辅相成，每年承担着城乡、城际等重要的载客任务。因此，客车的节能和环保直接影响着我国的能源和环境。据统计，客车质量每降低10%，相应的耗油量减少6%-8%，尾气排放也会降低很多。客车车身质量占整个汽车整备质量的20%-30%，因此客车车身轻量化有助于客车油耗的降低和污染物排放的减少，对我国生态文明建设意义重大。

关键词:客车车身；轻量化；设计

引言

随着汽车行业的进步以及公路客车新技术的发展，公路客车轻量化已成为客车行业追求与发展的新趋势。公路客车轻量化的重要性在于提高车辆的节能效果和降低制造成本。提高车辆节能效果不但能够有效降低运营成本和提升公路客车产品的市场竞争力，还能进一步实现节能减排效果。降低制造成本有利于提高制造企业的盈利能力和制造水平，降低客运企业采购客车的经济压力。目前，由于深受高铁和民航客运的持续冲击，传统的公路客运市场不断萎缩，客车生产企业和客运企业均面临较大的经营压力，为了扭转不利局面，摆脱困境，从而实现企业持续健康的发展，选择公路客车轻量化是目前一条较有效的技术路线和解决方法。经。

一、客车骨架结构的研究及其意义

为了提升人们在交通和物质运输中的效率，提升客车使用人员的安全性和稳定性，客车需要不断创新和发展，从而提升自身的使用价值。客车的车身骨架是整个客车中最重要的组成结构，在承载方面占据着重要的作用，同时由于客车使用环境的多变性，使得其骨架结构需要经历多种环境变化，如何对客车骨架结构进行优化，提升其运行和使用效果，是客车创新工作中的重点。

二、客车轻量化途径

客车车身轻量化主要有三个途径：新材料技术、先进的加工制造技术和结构优化方法。结构优化方法可以利用最少的资源（材料、造价、工艺等），实现结构强度、刚度、稳定性等各种最优性能。国内外大型设计案例表明，将优化方法运用到设计中，不仅可以大大缩短设计周期，而且可以显著提高设计质量，解决一些传统设计方法无法解决的问题。

结构优化设计是以数学理论为基础，将实际的物理模型转变为计算机可以识别的数学模型，运用最优化的数学设计理论，结合相应的计算机软件，在满足各种约束的前提条件下寻求满足要求的最佳设计。有限元方法和最优化技术结合产生的结构优化设计技术已发展成熟，广泛应用到产品设计的各个阶段，并取得了很好的效果。优化设计包括三个主要内容：目标函数、约束条件和设计变量。目标函数是指在设计过程中所追求的最优解，比如质量最轻、体积最小等。约束条件是指，要达到所设定的优化目标所必需满足的性能条件，比如：应力小于材料的许用应力、位移小于设定值等。设计变量是指在优化过程中要改变的参数，如：杆件截面参数、单元厚度等。

三、客车车身材料轻量化设计

1.高强度钢

尽管目前轻金属材料、复合材料等新科技材料在汽车车身骨架中已经被越来越多的运用，但因为高强度钢制作成本低、制作材料简单易得、性能稳定，所以它仍然是汽车车身骨架构结中的主要材料。目前屈服强度很高的高强度钢，已经越来越多的被用到了车身骨架的制作中，在一般的车辆中，其车身骨架冲压件高强度钢的应用比例为50%左右，而且在其他构建方面，也都用到了各种不同屈服强度的高强度钢。

2.轻合金材料

合金材料具有质量轻、强度高、耐磨性能好、加工性能强等特点，而且轻合金材料可以回收再利用，避免了资源的浪费，实现了科学材料良性发展。在汽车车身骨架制作方面，为了车身骨架结构设计的需要，可以采用激光束压合成型技术，将不同的轻合金材料复合成型，不仅增强了强度，而且实现了轻量化的要求。轻合金材料最大的优点是质量轻，与传统的钢铁材料相比，质量可减轻30%左右，从另一方面来讲提升了汽车的性能。另外，我国的轻金属材料储存量丰富，应该在汽车车身骨架制造业中大力的发展使用轻金属材料，降低对于钢铁矿石材料的依赖。

3.工程塑料

工程塑料即复合材料，是一种纤维增强塑料，经常使用的是热固性树脂和玻璃纤维的复合材料。工程塑料具有比重小、比强度大的优点，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，现已被广泛的应用于汽车车身骨架制造业中。

四、客车车身轻量化设计方法

1.车身顶盖拓扑优化设计

车身的顶盖在各情况下变形较大，所以需要对车身的顶盖的结构进行优化，以提高其承受强度。车身的顶盖由纵梁和横梁组成，其中纵梁有两根，横梁根据车的长度进行调整，这两部分难以参与优化，但是根据电脑程序计算出来的拓扑优化模型，可以将汽车车顶盖分为不同的单元格，经过计算机计算，车梁均匀分布后，将顶盖的模型设为拓扑优化目标函数，通过程序不断优化将计算出可以进行拓扑优化的结构，通过纵横梁的交叉实现车身骨架顶盖结构优化。

2.车身腰围设计

车身腰围的轻量化设计，主要是综合拓扑优化、外貌美观等结构优化方式，现已改变车身腰围的骨架材料、结构模型和尺寸大小。在实现轻量化设计的要求下，不能影响汽车的功用效果和美观，因此应该从车身腰围的等效强度和刚性强度的角度对车身腰围结构进行优化。可以将车身腰围的构件材料有刚性材料替换为轻合金材料，在保证坚固性能的前提下，大大的降低了车身腰围的重量。

3.车身骨架侧窗设计

客车车身骨架侧窗的设计，在原有拓扑优化方案的基础上，将车身侧窗六面体的结构作为对象，确定应力的分布位置，对汽车在运行过程中的受力分析，通过采用新工艺，包括热冲压成形、冷温涨型成形、激光拼焊、喷丸强化等进行设计，表面与柔性介质接触，使得工件表面质量高，可将某些钢质梁部分替换为轻合金材料，减少零件数量、工件的成形次数以及配套模具数量和成本。

4.车身尾架设计

在进行车尾设计时，基于客车安全问题，要采取合理的材料和刚性的设计来加固汽车车尾，通过采用分块拓扑优化的方法，以柔度最小作为优化的目标，以增大材料的密度，减小材料的质量为目标，建立客车车尾骨架的有限元模型，经模态分析后，考虑车尾骨架的应力分布和变形情况，实现轻量化效果。

结语

随着客车技术的进一步发展，公路客车轻量化方案将不断随之进行完善与优化。目前，公路客车轻量化实施效果还未达到最佳的理想结果。因此，有必要进一步进行公路客车轻量化的研究与优化，这不仅有利于改善客车生产企业的经营压力，提高公路客运的盈利能力，还能够在一定程度上对客车环保事业做出重要的贡献。轻量化是公路客车技术发展的一个正确方向，应持之以恒，不断地进行丰富与完善。希望本文提出的轻量化优化方案能对公路客车轻量化的进一步研究与优化提供一些帮助。

参考文献：

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