焊接式全鋁公交車車身設計開發

葉煥明

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

國民經濟穩步增長的同時，我國汽車工業也得到了迅速發展，隨著各類汽車數量不斷增加，環境問題也越來越突出，能源消耗過量造成了一系列負面影響。各大汽車生產商也越來越重視降低油耗、減輕車身質量，從而不斷提升自身綜合競爭力。汽車輕量化是必然發展趨勢，汽車生產商應該優化結構設計、采用高強度鋼等減重方案，使用全鋁材料進行汽車制造，可在保證整車強度與剛度的同時，減輕車身質量，降低油耗，從而達到減少環境污染的最終目的。和普通鋼材相比較，鋁合金的擠壓性與比強度更好，可制造各種橫截面型材，可優化部件的剛度和硬度，減輕構件質量。因此，全鋁材料對減輕汽車質量、優化汽車自身結構有重要的影響，也是近年來汽車行業發展過程中的研究重點之一。

1 公交車鋁車身結構設計思路

Q345、Q235 等結構鋼具有價格便宜、容易加工焊接、強度高等優點，是客車常用的材質，該材料在客車行業的應用非常廣泛，可靠性高。新開發的公交車鋁車身結構可參考常規鋼結構車身，先按要求設計好鋼結構車身，然后基于強度相等的原則，將鋼結構轉為鋁型材結構，即通過增大鋁型材厚度或截面體積使其與鋼車身的力學性能相等，從而保證整車強度可以滿足使用需求。公交車鋁車身結構設計流程圖如圖1 所示。

圖1 公交車鋁車身結構設計流程圖

客車骨架按結構可分為6 大片，即地板骨架、左側圍骨架、頂蓋骨架、右側圍骨架、前圍骨架、后圍骨架，由于地板骨架是整車受力最大的部分且底盤很多零部件安裝在上面，需要固定很多支架，從強度及加工制造方面考慮，不適合用鋁車身代替，可以將其余5 大片骨架用鋁合金型材代替，也可以極大地降低質量[1]。另外鋁車身也有兩種工藝：一種是做好鋁型材，連接處用直角支架通過螺栓連接起來，這種工藝簡單但是后期工作量大，而且大量的支架和螺栓也會增加很多重量，不利于降重要求；另外一個方案是做好鋁型材再拼焊而成，該方案對鋁焊接工藝要求高，須保證在焊接處的質量能滿足要求。經過兩種方案的對比，再結合鋁型材廠家的制造及質量控制能力，最終選擇第二種方案，即焊接鋁車身，鋁車身焊接由鋁型材廠家協作完成，提供實驗認證，保證質量合格。

2 明確鋁合金材料

純鋁是一種銀白色金屬，相關密度是2.7g/cm3，密度約為鋼材的1/3，熔點660℃，鋁還有一個重要特性就是耐低溫，在-183℃～-253℃下不冷脆，強度不會因溫度降低而降低，此外鋁還有一個特殊的優勢，就是防腐蝕性能好，鋁會與空氣中的氧氣發生化學反應，形成一層氧化膜從而阻止腐蝕。鋁金屬本身質軟強度低，不適合在結構上應用，但是在鋁中加入合金，例如硅、鎂、鋅等，組成鋁合金，這些鋁合金通過適當的熱處理，可以大幅度提高它的機械性能，時至今日，鋁合金產量和用量僅次于鋼材，成為人類應用的第二大金屬，合金擠壓材料在建筑、交通、電子等很多領域中都有廣泛應用[2]。

6 系鋁合金是以鎂和硅為主要合金，屬于熱處理可強化鋁合金。合金具有中等強度，無應力腐蝕破裂傾向，具有焊接性能好，成形性好工藝性良好等特點，是一種很好的擠壓材料，另外在T6 狀態下，強度在255MPa，抗拉強度在290MPa。應用最廣泛的是6061 和6063 合金。此次新開發鋁車身公交身根據自身需要，需要鋁型材具備：良好的力學性能、可根據需要制作名種形狀的鋁型材、具有良好的焊接性能，另外再根據鋁型材廠家的制作能力，綜合以上要求考慮，最終選用型號為6061-T6。不同鋁合金材料的各項參數對例如下表1 所示。

表1 不同鋁合金材料的各項參數對比

3 公交車鋼結構CAE 分析

在進行鋁合金公交車車身設計之前，首先需要對車身進行CAE 分析，并深入了解與掌握車身的實際性能狀況，同時為設定性能指標提供參考依據。并且對車身進行不同工況綜合分析，對剛度與模態進行計算，CAE 模型材料具體參數見表2。

表2 CAE 模型材料具體參數表

3.1 有限元建模

靜態應力分析過程中，可采用HyperMesh 處理工具對網格劃分，CAE 整體包括骨架、蒙皮以及其他相關部件。車身骨架中大多數都是薄壁件，可使用殼單元完成建模，主要為四邊形。在進行網格劃分之前，應當取出薄壁零件中面，之后在中面進行網格劃分。還需綜合考慮公交車車身具體尺寸，劃分標準具體如下。（1）網格尺寸為20mm，最小5mm，最大40mm，骨架不同方向有2～3 排單元；（2）翹曲度<10°。（3）長寬比<4；（4）最小角>30°；（5）三角形比例<0.5%，盡可能不要采用三角形單元。

綜合考慮公交車的使用環境狀況，結合設計參數以及相關試驗數據結果，設定不同強度工況分析，具體如下：（1）模擬車輛額載狀態下，在水平路面突然急停時狀況，同時承受向前慣性力為0.8G 左右，查看向前制動情況。（2）模擬公交車額載狀態下，在水平路面急停，慣性力為0.5G。（3）模擬車輛額載狀態下，在水平路面加速的情況，同時承受加速慣性力1G 左右，查看加速情況。（4）模擬車輛額載狀態下，在水平路面右轉向情況，慣性力0.5G。（5）模擬車輛在額載狀態下，在水平路面左轉向情況，慣性力0.5G。（6）模擬車輛額載狀態下，在水平路面勻速直線行駛狀況，承受1.0 倍荷載。（7）模擬車輛額載狀態下，在水平路面行駛過程中，遇到減速帶，同時承受2.0 倍荷載。（8）模擬車輛額載狀態下在不平路面上行駛，對車身形成荷載。（9）車輛乘客滿載，模擬車輛在水平路面直線行駛，同時承受1.0 倍垂向荷載以及滿載情況下的載荷。

3.2 有限元分析

采用HyperWorks 軟件對車輛結構的模態以及剛度、不同工況環境下強度進行分析。鋼結構車身在整體扭轉狀態下，頻率為10.91Hz，整體彎曲頻率為14.55Hz。對車輛在彎曲荷載環境下的剛度情況進行分析，同時觀察在扭轉荷載環境下的剛度情況。經過分析可得出彎曲剛度為42598895.2 N/m，扭轉剛度則為26761538.96 N·m2/rad。分析鋼結構公交車車身強度可知，其符合鋼材料性能綜合要求，和鋁合金車輛強度等性能指標不具備對比性。

4 結構設計

根據鋼結構車身的開發經驗和深入分析，公交車的車身結構采用的是矩形材拼焊而成，即骨架式車身結構。而桿件的力學特點是適合承受拉壓載荷，不適合受彎扭載荷。避免車身架產生過多的彎扭載荷的首要方法是，車身骨架的結構布局要保證力流傳遞的連續性[3]。所以在骨架總設計時，需要注意滿足以下設計原則：1）車身骨架的頂蓋彎梁、側窗立柱、側艙門立柱、地板橫梁從上到下盡量嚴格對齊，形成一個方框，這就是客車行業的封閉環設計。一般右形成A 柱、前輪罩前、前輪罩后、中門前、中門后、后輪罩后、發動機艙前、發動機艙后，共8 個封閉環。 2）從前后方向看，頂骨架的左右邊梁，側圍骨架的上邊梁、中梁、下梁應用前后貫通。3）側圍骨架和頂骨架對接處、地板骨架和側圍骨架對接處是應力集中區，須著重加強。4）以上整體框架搭好后，再根據實際情況增加加強板和連接件。

該鋁車身結構，由車身側視圖斷面圖可知：1）頂蓋橫梁、側圍立柱、地板橫梁嚴格對齊，縱向剖面形成框形結構，很好地響應了第1 條設計原則。2）頂骨架的左右邊梁，側圍骨架的上邊梁、中梁、下梁應用前后貫通，很好地響應了第2 條設計原則。3）側圍骨架上邊梁同頂骨架的邊梁焊接好后再增加連接板，通過鉚接增加強度，側圍骨架同地板骨架連接處先預埋好鋼板，再同地板骨架焊接，側圍骨架同頂骨架連接處是應車集中處，為了增加強度，加大了頂骨架的截面積，另外還增加圓弧過渡，使受力更加平順，通過以上措施很響應了第3 設計原則。4）在側圍骨架的上邊梁和側窗上梁增加加強板和斜撐，尤其是乘客門處，少了中梁，結構較弱，須增加更多，另外側圍骨架中梁以下也增加適當加強板和斜撐，通過以上措施響應了第3、4 條設計原則。

公交車有非常多零件固定在側圍骨架和頂蓋骨架上，而且很多還是現場攻螺栓孔固定，例如座椅、扶手、探頭、電視等，須在骨架上增加預埋板，根據實際受力情況分別處理，例如固定在頂骨架的探頭，質量輕，受力小，直接用鋁板代替，而固定在側圍上座椅、扶手，受力大，可把5mm 鋼板先鉚接在鋁型材上，再把鋁型材焊接在骨架上[4]。

5 鋁合金公交車車身CAE 優化設計

結合之前對鋼結構公交車車身分析結果，先確定車身基礎結構與關鍵部分，之后再通過CAE 分析與優化，從而滿足車身設置指標，完成對全鋁公交車車身結構的設計與開發。

5.1 第一輪設計分析

第一輪鋁合金公交車車身CAE 模型主要是在鋼結構的基礎上進一步完成，車身大部分結構并未發生變化，將材料進行更換為鋁合金材料，車身底盤依然為鋼結構，鋁合金車身骨架通過焊接完成連接。通過該輪對兩種不同材料車身結構進行分析對比，從而進一步確定鋁合金車身架構的優化方案，也為提升車身性能帶來借鑒參考。根據CAE 分析的具體結果可得出，該輪鋁合金車身架構和鋼結構相比，模態振型相同，鋁合金車身架構頻率更低，兩者剛度差距比較大，整體彎曲剛度明顯下降32.65%，扭轉剛度則下降50.08%。強度分析結果表明，鋁合金車身架構在不同工況下，最大應力值相對偏高，大部分結果超出材料的應力值。

5.2 第二輪設計分析

結合第一輪CAE 分析結果，對局部存在問題的車身機構進一步優化改進，優化改進環節主要包括了以下方面：（1）蒙皮料厚增加約50%；（2）側圍立柱厚度設計為4.0mm；（3）頂蓋縱梁加大加粗。CAE 分析結果可得，第二輪鋁合金和鋼結構，兩者之間相比，剛度差距縮小，整體彎度剛度下降，不同工況環境下，最大應力值有所降低，但是也存在超過允許應力的情況，后續仍需逐步改進。

5.3 第三輪設計分析

針對上一輪CAE 結果，對公交車車身結構進一步優化，主要改進方面有以下幾個方面：（1）頂蓋和側圍骨架兩者間采用貫通式鋁合金材料連接，材料斷面可采用HyperWorks 優化進行獲得，使受力更加平順過渡，并增加加強筋；（2）窗立柱規格為80cm×50cm，可以增加彎曲應力強度；（3）框架壁厚進行尺寸優化，并結合具體結果，對梁壁厚進行適當調整，從而保證結構整體厚度相同；（4）對第二輪框架改進方案予以保留，同時，增加加強斜撐。根據CAE 分析結果，第三輪鋁合金公交車車身和鋼結構的剛度車距縮小，車身模態頻率提高，扭轉剛度有所下降，不同工況下最大應力值降低。

5.4 第四輪設計分析

這一輪主要是在上一輪基礎上，進一步優化設計車身骨架尺寸，并結合實際情況，對強度比較弱的局部區域，增加斜撐和加強板，主要包括側圍骨架和頂骨架連接處、側圍骨架和地板骨架結合處。根據CAE 分析結果，這一輪車身和鋼結構車身對比，整體扭轉頻率發生改變，可達到12.58Hz，整體彎曲頻率為15.46Hz 且剛度縮小，模態頻率明顯加快，扭轉剛度也明顯提高，符合鋼結構車身標準要求剛度。通過強度分析，可得出，不同工況下，最大應力值有所降低且符合材料許用應力。公交車主要的行駛環境是城市，路況環境較好，因此，遇到惡劣工況的概率也比較小，不會對車身產生危害和不良影響。經過以上幾輪的優化設計與試驗，鋁合金公交車車身和鋼結構相比較，車身模態明顯得到提升，車身扭轉與彎曲剛度也與鋼結構車身幾乎相近，各個工況環境下，最大應力值均符合標準要求。同時，鋁合金車身和鋼結構相比較，其車身質量也明顯減輕，為31.5%，能夠充分說明其輕量化效果是非常明顯的。

6 最終設計

初步方案完成設計后，由專業CAE 工程師分析，并組織工藝、車間、采購物流等相關部門評審，在薄弱處、應力集中處加強結構：1）頂蓋邊梁增大截面，增加加強筋，加大圓弧，使力流傳遞更加平順。2）增加側圍連接地板預埋板尺寸以增加強度。制作工藝流程為分別先拼焊好頂骨架、地板骨架、左右側圍骨架、前圍骨架、后圍骨架六大片，再到工裝臺架上完成整車骨架拼焊及鉚接。全鋁合金公交車車身骨架是將鋁合金擠壓材料進行焊拼形成，主要是通過連接進行固定，截面也可結合具體優化結果設計，種類更多，可選擇性也更多。全鋁公交車車身結構骨架主要截面形狀包括以下幾種，即“U”形、矩形、圓弧形以及日字形，矩形材料主要是進行骨架梁設計制作，“U”形材料主要適用于對剛度要求并不高的局部區域，日字形主要是在側窗以及側圍立柱方面，圓弧形材料主要適用于側圍與頂蓋骨架兩者之間，并對其進行連接，縱向布置。經過統計結果得知，以同配置10m 長公交車為例，焊接式鋁合金公交車車身和鋼結構車身相比較，其車身質量明顯下降，輕了約490kg，效果很好，從而有效降低燃油消耗，達到開發目標[5]。

7 結語

時代在發展，人類探索科技發展的腳步一直在前進，節能減排一直是社會的要求。鋁合金鋼車身由于成本高、焊接工藝難等問題無法全面推廣，但是在開發探索應用中也為我們提供了豐富的經驗，就例如轎車行業的鋁合金輪轂已全面推廣，鋁合金懸架、鋁合金連接件也在逐漸更多的應用，焊接式全鋁公交車車身設計與開發過程中，能夠有效提升車身剛度，滿足不同工況環境，同時符合標準要求，車身質量也明顯減輕，輕量化效果顯著，具有較高的價值。只要我們保持探索的精神，就一定能為人類科技文明作貢獻，為節能減排、地球環保作貢獻！