大客车骨架设计与优化探析

大客车骨架设计与优化探析

刘海波王普威

珠海广通汽车有限公司

摘要：车身骨架是客车的主要承重结果，骨架结构的性直接关系到客车的整车性能以及使用寿命。由于大客车的骨架比较大，几乎占整个客车整车质量的三分之一，一定程度上增加了客车的负担。随着我国汽车制造业的发展，为了减轻客车司机的负担，提高车辆运行效率，客车正在逐渐向车形状轻量化、结构轻量化、材料轻量化、设计轻量化将其车身设计的一个发展方向。因此，在保证大客车的强度和刚度前提下，如何降低骨架重量并优化骨架结构对提高客车整车性能具有重要意义。

关键词：大客车；骨架设计；优化；轻量化设计

引言

车身骨架是整个客车的基体，其主要功能是承接并连接客车各个总成零部件，并承受客车内外的各种荷载。车身骨架很大程度上决定了客车的总体布局。目前大部分客车使用整车支承的骨架，客车部件和总成全部依靠车身骨架固定。这种由车身骨架承载汽车荷载的称之为承载式客车。我国客车制造工艺起源于上个世纪七十年代，经过四十多年的发展，我国客车制造技术已经得到了一定的进步。由于客车零部件互换性比轿车好，所以采用塔积木的生产方式，客车零部件制造技术比较落后，所以不利于客车工业的发展。本文探讨了大客车骨架设计以及优化，希望提高我国客车制造业零部件生产技术，让我国客车在车身设计和总成方面能够支缩小和发达国家的差距。

一、大客车骨架设计

大客车车身骨架受力情况比较复杂，主要由薄壁杆件、冲压板件构成了复杂空间结构，结构分析难度。立柱、横梁、边梁、腰梁、搁梁、顶盖纵梁等杆件和板件是车身以及其他部件安装的基础，为了加强车身骨架支撑作用，在车身结构强度低的位置，还要设置加强杆件。车身骨架是整个客车的承载部件，其设计水平直接影响到整个客车的质量。因此必须加强车身骨架设计。车身骨架分为前围骨架、后围骨架、左侧、右侧骨架、车顶骨架、低骨架等骨架设计。

（一）侧围设计

侧围设计包括右侧围和左侧围设计。右侧围设计比较复杂，由于大型客车的车身比较长，为了提高乘客的乘坐体验，一般设置两个车门，所以结构相对比较复杂。由于车门的立柱承载应力比较大，门立柱要选择断面尺寸比较大的方形钢筋，前、后门立柱的钢筋型号为60×50×2mm。本文设计大客车前、后门宽度都为1380mm，侧窗户的宽度分别为1260mm、1260mm、1480mm、1415mm、1180mm，前三个窗户的高度为1110mm，中间窗户的宽度为770mm，最后一个窗户的宽度为500mm。侧窗立柱选择50×50×2mm的钢材，腰梁断面尺寸为50×50×2mm型号的钢材。地板横梁和腰梁之间设置立柱和斜撑，斜撑选择40×40×2mm型号的钢材，轮拱立柱开度为1260mm，轮拱上横梁距离侧围最底端的距离为960mm；左侧围不需要设置乘客门和司机门，所以结构相对比较简单。左侧围一共设置了7个侧窗，侧窗的宽度分别是1350mm、1400mm、1400mm、1380mm、1480mm、1415mm、1180mm。左侧围在设计的时候必须与右侧围保持一致，所以窗户的立柱也是采用50×50×2mm型号的钢材，中间和后门对应的窗立柱则采用50×60×2mm型号的钢材，腰梁是左侧围架的主要承担部件，所以选择断面尺寸为50×50×2mm型号的钢材。轮拱开度尺寸和右侧围保持一致，轮拱立柱开度为1260mm，轮拱上横梁距离侧围最底端的距离为960mm。

（二）顶盖骨架设计

顶盖骨设计的时候，还要考虑到大客车的室内空调位置和安全顶窗的位置。空调的总长度为5252mm，宽度为2056mm，安全窗的大小为700mm×600mm根据大客车的实际运行情况，客车内部安全顶窗以及毗邻横梁的地方应力比较大，其他地方的应力比较小。所以在设计的时候，顶盖断面的钢材尽量选择横断面比较小的型号，从而减轻大客车整体重量，横梁选择50×40×2mm型号的钢材，纵梁选择40×40×2mm型号的矩形钢材。

（三）前围骨架设计

前围玻璃比较多、且重，为了避免玻璃破碎，在前风窗上下安装位置必须有足够的刚度抵抗外力造成的变形。所以在设计的时候，风窗沿梁俯视曲线图和风窗玻璃的曲线图保持一致。风窗上下沿梁必须能够满足风窗重量，所以选择型号为50×40×2mm的钢材。前围骨架除了要安装前围玻璃、雨刷器、前保险杠、挡风玻璃等，所以必须确保前围骨架强度。按照大客车设计前视图和侧视图，确定前围骨架的弧度，前围左右立柱和左右侧围的第一立柱选择的钢材型号为50×30×2mm，并将其进行焊接。根据前围保险杆和前大灯的位置确定前大灯横梁的尺寸，并在前大灯横梁和风窗横梁下加装辅助纵梁，纵梁的尺寸大小为40×40×2mm的型钢。

（四）后围骨架设计

按照大客车车身总设计尾部图设计后围骨架，后围骨架有后车窗、车灯、发动机舱门等结构，后围骨架结构设计的时候，必须确保这些结构的性能。后围骨架设计曲线图必须和客车车身侧围曲线图保持一致，后窗上横梁断面尺寸大小为40×30×1.7mm，后窗下沿梁尺寸为40×30×2mm，并在后窗上、下沿梁之间设置立柱，立柱的截面尺寸大小为50×30×2mm，将后围骨架左右立柱和侧围尾立柱进行焊接。根据客车的总布置图确定发动机舱门的大小和位置，并在发动机舱门上沿设置后围横梁，横梁的大小尺寸为50×30×1.75mm。这三个横梁两端分别与后围左右立柱连接在一起。

二、大客车骨架优化设计

大客车骨架的重量几乎是整车重量的三分之一，所以降低车身骨架的重量是实现客车轻量化的重要手段。车身是汽车重要的一部分，随着复合材料在客车行业的广泛应用，以塑代钢成为客车制造领域追求的目标，从过去客车车身的零件到如今发展到客车车身整体塑化成型。优化设计指通过对客车车身骨架的重量、面积、应力以及费用等进行综合分析，从而达到一个最佳的设计方案。传统的优化设计方案，往往是按照设计师过去的设计经验制定一个初始方案，然后在初始方案对结构进行分析，最后在力学基础上验证方案的可行性，但是这种设计方案，需要多次修改。使用ANSYS理论进行优化设计，一次计算出结构应力以及优化结构，确定最佳约束条件。结构优化设计首先将设计问题转化为数学模型，用数学模型表达结构系数。根据结构尺寸优化方案，改变骨架结构截面尺寸，进行轻量化设计。轻量化设计以后，客车车身整体变形量没有增加，没有影响到车身整体刚度，车身骨架质量由2326kg降低到2116kg，质量减轻达到了9.5%，符合大客车运行要求。目前已经很多客车开始使用聚乙烯塑料，英国的利兰公司将聚乙烯塑料用于双层大型客车的顶板、发动机罩、扶手、安全帽、百叶窗等位置，在不降低客车整体性能的基础上，减轻客车的重量。

结束语

本文探讨了大客车前围骨架、后围骨架、左侧、右侧骨架、车顶骨架、低骨架等骨架结构设计，通过优化各个骨架结构的尺寸大小，降低车身骨架的重量，从而达到优化客车车身设计的目的，提高大客车整车质量，确保客车运行安全性和稳定性。

参考文献：

[1]司红建.大客车侧翻安全性试验仿真与改进设计研究[D].重庆交通大学，2013.

[2]纪超.大客车车架建模及有限元分析[D].河北工业大学，2012.

[3]张翔.基于强刚度特性的客车骨架结构轻量化设计[D].厦门理工学院，2015.

[4]战申.客车车身骨架轻量化设计研究[D].湖南大学，2015.

[5]安占飞.基于有限元的客车车身结构的静动态特性分析[D].长安大学，2014.