燕穎，任帥

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

基于auto CAD的一種城市客車骨架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

燕穎，任帥

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

本文介紹了采用auto CAD軟件設(shè)計(jì)后置發(fā)動(dòng)機(jī)的城市客車車身骨架的設(shè)計(jì)過程。主要闡述了車身骨架結(jié)構(gòu)與尺寸的設(shè)計(jì)過程。

城市客車；設(shè)計(jì)；骨架；結(jié)構(gòu)

words: Key city-bus; design; skeleton; structure

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-60-04

前言

現(xiàn)如今，經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程加快，客車制造技術(shù)越來越先進(jìn)，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。我國(guó)的城市客車制造業(yè)在迎接發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使供求關(guān)系發(fā)生了變化，已經(jīng)由賣方市場(chǎng)逐漸向買方市場(chǎng)轉(zhuǎn)變，企業(yè)必須不斷開發(fā)新產(chǎn)品，滿足客戶的不同需要；另一方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)際市場(chǎng)的接軌，也向城市客車生產(chǎn)企業(yè)提出了許多新的挑戰(zhàn)。研制和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越、質(zhì)量可靠、安全舒適的客車，成為在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的關(guān)鍵。

隨著人們對(duì)汽車安全性、舒適性、環(huán)保性能要求的提高，越來越多的組件被安裝到汽車上，這增加了汽車的質(zhì)量、耗油量和耗材量。減輕客車質(zhì)量、降低油耗、減少排放污染已成為客車技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。因此合理設(shè)計(jì)車身骨架，盡量減小整車整備質(zhì)量具有重要意義。

1、骨架結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)的確定

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外客車主流承載方式，以及綜合參考了中國(guó)國(guó)內(nèi)客車現(xiàn)狀、國(guó)內(nèi)各種路況信息、綜合考慮制造工藝方面的方便性，以及制造成本，技術(shù)的成熟程度，我們選定該車采用半承載式車身。

總長(zhǎng)：8810mm

總寬：2300mm

總高：2674mm

軸距：4250mm

前懸：1875mm

后懸：2685mm

乘客門框?qū)挾龋?20mm和1200mm

1.1 骨架設(shè)計(jì)原則

車體骨架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足車身剛度和強(qiáng)度要求，剛度不足，將會(huì)引起車身的門框、窗框、發(fā)動(dòng)機(jī)艙口及行李箱口等的變形，導(dǎo)致玻璃破裂、車門卡死。低剛度必然伴隨低的固有振動(dòng)頻率，易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，削弱結(jié)構(gòu)接頭的連接強(qiáng)度，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠則引起構(gòu)件出現(xiàn)裂紋和疲勞斷裂。車身骨架是車身裝配的基礎(chǔ)，它的尺寸和形狀誤差直接影響車身裝配件的安裝，因此，在車身骨架設(shè)計(jì)中，必須對(duì)它的尺寸和變形進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

1.2 車身骨架材料的選擇

現(xiàn)在大多數(shù)客車廠車身骨架材料選用Q235A或20#優(yōu)質(zhì)碳素鋼， Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)鋼材厚度小于16mm時(shí)屈服極限≥235，斷裂極限在375-460，延伸率≥26%。20#高級(jí)碳

素鋼屈服極限≥245，斷裂極限≥410，延伸率≥25%。兩者力學(xué)性能相似，考慮經(jīng)濟(jì)因素，本設(shè)計(jì)采用Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼。

薄壁桿件的截面形狀對(duì)其截面特性有很大的影響。薄壁桿件的截面形狀可分為閉口和開口兩類，其截面特性有較大差別。在材料面積和壁厚保持不變的情況下，閉口截面的抗彎性能稍次于開口截面，但閉口截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩要比開口截面大很多。因此，為提高整個(gè)車身和構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度，宜多采用閉口截面，但還需要考慮構(gòu)成截面的其他因素，如結(jié)構(gòu)功能、配合關(guān)系及制造工藝等。

1.3 全車結(jié)構(gòu)整體規(guī)劃

城市客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整車設(shè)計(jì)時(shí)很重要的部分,其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到整車各方面的性能,如整車舒適性、結(jié)構(gòu)安全性、整車的輕量化。

1.3.1 使用閉環(huán)結(jié)構(gòu)

為增加車身整體，特別是客艙的剛度，以提高車身的結(jié)構(gòu)安全性，整車斷面應(yīng)設(shè)計(jì)成若干個(gè)封閉的剛性環(huán)形承載結(jié)構(gòu)，特別是整車的主要承載斷面。剛性的環(huán)形承載結(jié)構(gòu)有兩種形式，一種結(jié)構(gòu)是形成一個(gè)整環(huán)，另一種結(jié)構(gòu)是在受側(cè)窗玻璃和行李艙門等功能限制時(shí)的一種變通閉環(huán)結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體需要選取。優(yōu)先選用第一種結(jié)構(gòu)。

1.3.2 使用力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

基于力學(xué)原理,三連桿是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，四連桿是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮三角形結(jié)構(gòu)。側(cè)圍結(jié)構(gòu)形式：側(cè)圍腰部無斜撐和有斜撐兩種結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析時(shí)表明，兩者的承載能力相差懸殊，無斜撐結(jié)構(gòu)承載能力是有斜撐結(jié)構(gòu)的1/ 8～1/ 6，所以結(jié)構(gòu)是否合理對(duì)車身的強(qiáng)度和重量有很大的影響。

1.3.3 桿件接頭處應(yīng)進(jìn)行控制

為使力能很順暢地通過桿軸向傳遞，必須嚴(yán)格控制接頭處的焊接和相互位置。適當(dāng)時(shí)可以考慮增加連接板。應(yīng)盡量避免出現(xiàn)一桿焊接在另一桿件中間的情況，以避免一桿件承受較大的彎曲載荷。

1.3.4 優(yōu)化側(cè)圍結(jié)構(gòu)和車頂骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從整車結(jié)構(gòu)來看，若側(cè)圍和頂蓋的承載能力得到了加強(qiáng),相對(duì)來說，將減小底骨架部分的承載負(fù)擔(dān)和要求，因此，更有利于整車的輕量化設(shè)計(jì)。另外，由于側(cè)圍和頂蓋強(qiáng)度和剛度提高后，在客車發(fā)生危險(xiǎn)工況，特別是翻車事故時(shí)乘客將能得到有效的保護(hù)。

2、骨架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

整個(gè)骨架分為前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍和頂蓋五大部分。

2.1 右側(cè)圍骨架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的右側(cè)圍上，開設(shè)兩個(gè)乘客門。經(jīng)過分析，門立柱所受到的應(yīng)力比較大，所以門立柱要選用斷面尺寸較大的矩形鋼，因此，采用兩根截面尺寸相同的矩形鋼（50×40×1.75mm）作為門立柱。窗立柱間距依次為1250、1250、1360、1510、1535mm。前門的寬度按照總布置要求設(shè)置為920mm，高度為2259mm。把窗立柱的斷面尺寸選擇為50×40×1.75mm，側(cè)窗上沿梁要與頂蓋相焊接。腰梁是鋼質(zhì)材料的側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)的主要承載單元，考慮設(shè)計(jì)制造的統(tǒng)一，因此它們的斷面尺寸須要選擇較大的——40×40×1.75 mm。對(duì)應(yīng)每一根窗立柱，在腰梁與擱梁之間設(shè)立短立柱，并設(shè)立斜撐。斜撐梁式結(jié)構(gòu)大大改變了平行布置結(jié)構(gòu)的滑移變形和底架變形。左右側(cè)骨架承受載荷時(shí)上下左右互相制約，可有效提高車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。實(shí)踐證明：斜撐梁結(jié)構(gòu)可以使斜撐彎矩下降85%～94%，軸向力增加126%～202%，窗立柱總應(yīng)力下降40%，大大改善窗立柱的強(qiáng)度。采用斜撐梁結(jié)構(gòu)可使骨架式車身結(jié)構(gòu)的側(cè)圍構(gòu)件的彎矩減小，軸向力升高，窗立柱應(yīng)力下降，有效提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。前后輪拱立柱的位置要考慮車輪的因素，左右輪拱立柱距輪胎外邊緣水平95mm，輪拱上橫梁要求與輪胎外邊緣垂直距離為95mm，最后確定車輪拱立柱和上橫梁的位置：輪拱立柱開度為1110mm，輪拱的上橫梁距側(cè)圍最底端683mm?？偛贾么_定的客車的離去角是8度，依照此設(shè)計(jì)客車的后下裙邊梁。

2.2 左側(cè)圍骨架設(shè)計(jì)

整車左側(cè)圍骨架要比右側(cè)圍骨架的要簡(jiǎn)單一些，在其上不需開設(shè)乘客門，也不需開設(shè)駕駛員門。但左側(cè)圍需開設(shè)駕駛員窗，故在第一立柱上加焊角鋼。左側(cè)圍主要考慮的是與右側(cè)圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系。左側(cè)圍第一立柱的弧度和右側(cè)圍的第一立柱弧度相同，其余結(jié)構(gòu)也均相同，擱梁選擇界面較大的40×40×1.75mm,側(cè)圍上邊梁應(yīng)該選擇的斷面尺寸是60×40×1.75mm。

2.3 頂蓋骨架設(shè)計(jì)

頂蓋橫梁的布置原則：a）與窗立柱對(duì)應(yīng)，特別是在車門開口處，最好能使頂橫梁、門立柱、底盤橫梁三者形成一封

閉環(huán)——即主閉合環(huán)，以利于力的傳遞；b）重視頂橫梁的弧度。

實(shí)驗(yàn)表明，頂蓋應(yīng)力除與窗上沿梁毗鄰的部位較大外，其它均較小。因此，設(shè)計(jì)時(shí)頂蓋各構(gòu)件的斷面可選小一些，以減輕整車重量。又由于頂蓋中橫梁是主要的承載元件，不能斷開，故將加強(qiáng)用的縱梁斷開。頂蓋上與前后圍相連接的橫梁曲線與客車頂部的曲線相同，選用較大的30×30×1.75mm 和40×40×1.75mm的矩形鋼，與左右側(cè)圍上邊梁相連接的縱梁選用40×40×1.75mm的矩形鋼，其余的橫梁和縱梁均選用截面為30×30×1.75mm的矩形鋼。

頂蓋上要安裝空調(diào)并開設(shè)兩個(gè)安全頂窗?？傞L(zhǎng)3500mm，總寬1640mm?？照{(diào)前端距離前輪中心線630mm，后端距離第一個(gè)安全頂窗中心線1400mm。車頂預(yù)埋安裝16個(gè)M10×70 8.8級(jí)螺栓。兩個(gè)安全頂窗中心線之間間距為5570mm，頂窗的大小均取為800×600mm。

2.4 前圍骨架設(shè)計(jì)

前圍骨架主要是安裝前擋風(fēng)玻璃、前燈飾、雨刷器和前保險(xiǎn)杠，且要保證足夠的強(qiáng)度。根據(jù)總布置的前視圖和側(cè)視圖，確定出前圍的弧度，前圍的左右立柱和左右側(cè)圍的第一立柱相焊接，由于這兩根立柱的受力較大，故選用截面尺寸為40×40×1.75mm的型鋼，其在側(cè)視圖上的曲線和側(cè)圍的曲線一致。風(fēng)窗上沿梁在俯視圖上的曲線和風(fēng)窗玻璃的曲線一致，且稍高于風(fēng)窗玻璃的上端，風(fēng)窗下沿梁要稍低于風(fēng)窗玻璃的下端。風(fēng)窗的上下沿梁均是主要承載件，需要有足夠的強(qiáng)度，故選擇30×30×1.75mm。

從安全性方面考慮，在發(fā)生正面碰撞時(shí)，前圍承受很大的沖擊，前圍的骨架結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此前圍的構(gòu)件應(yīng)選截面較大的型鋼,橫梁均選30×30×1.75mm。在前圍的下部要安裝保險(xiǎn)杠以增強(qiáng)抗沖擊的能力，前保險(xiǎn)杠的下沿與前圍下橫梁平齊。前圍下橫梁的高度根據(jù)客車前燈及燈飾的高度來確定，要比前燈的下邊緣高度稍低一些，橫梁和前圍下橫梁之間的距離要能夠放置燈具、燈飾，斷面尺寸選擇為30×30×1.75mm。風(fēng)窗下沿梁與橫梁、前圍下橫梁之間為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，必須放置短立柱，短立柱的斷面尺寸選擇為30×30×1.75mm。橫梁與前圍下橫梁之間的短立柱要根據(jù)前車燈的寬度來確定并加裝鋼板以安裝燈具。風(fēng)窗下沿梁與橫梁之間的短立柱則要考慮雨刮器寬度及位置。同時(shí)，為了安裝雨刮器，在橫梁與風(fēng)窗下沿梁之間焊接100mm寬、3mm厚的鋼板，在前圍下橫梁與橫梁之間焊接3mm厚的鋼板。

2.5 后圍骨架設(shè)計(jì)

后圍骨架的設(shè)計(jì)要根據(jù)總布置尾部圖來設(shè)計(jì)，主要有后車窗、發(fā)動(dòng)機(jī)艙門、車燈等。后圍左右立柱要與左右側(cè)圍尾立柱相焊接，斷面尺寸選擇為40×40×1.75mm，它的曲線和客車整車側(cè)圍曲線相同。后窗上橫梁的高度比后窗的高度稍高一點(diǎn)，俯視的曲線和整車后部俯視曲線相同，側(cè)視曲線和后窗上部曲線相同，斷面尺寸選擇為30×30×1.75mm。后窗下沿梁的位置在后窗玻璃下端低一點(diǎn)，斷面尺寸30×30×1.75mm，它的曲線和整車尾部俯視曲線相同。根據(jù)總布置選擇的后窗尺寸，在后窗上、下沿梁之間設(shè)立立柱，端面尺寸選擇為30×30×1.75mm?？偛贾酶鶕?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)確定了發(fā)

動(dòng)機(jī)艙門的大小和位置。沿發(fā)動(dòng)機(jī)艙門的上沿放置后圍橫梁，斷面尺寸選擇為30×30×1.75mm，它的曲線和客車尾部俯視曲線相同。以上三根橫梁都是不斷開的，兩端與后圍左右立柱焊接在一起。后圍下橫梁的位置根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的位置來設(shè)置，選用截面為30×30×1.75mm的矩形型鋼。發(fā)動(dòng)機(jī)艙下部安裝后保險(xiǎn)杠，選擇合適的保險(xiǎn)杠從而保證8°的離去角。

3、結(jié)束語

隨著國(guó)內(nèi)客車制造水平的不斷提高, 城市客車必然朝更加安全、舒適、豪華的方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)提供了一個(gè)輕量化城市客車骨架尺寸和形狀的設(shè)計(jì)模型，為以后城市客車設(shè)計(jì)提供了參考素材。

[1] 黃天澤，黃金陵. 汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2] 周方壽. 客車車身覆蓋件的設(shè)計(jì)與制造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3] 李強(qiáng)客. 客車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4] 余志生. 汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[5] 王望予. 汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6] 尹冠生. 理論力學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[7] GB 13094-2007. 客車結(jié)構(gòu)安全要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[8] 許倫斌. GDW6105G 城市客車設(shè)計(jì)[J]. 客車技術(shù)與研究, 2007, 29(2): 18-19.

An urban passenger auto CAD-based framework structure size design

Yan Ying, Ren Shuai
（Chang'an University, Shaanxi Xi’ an 710064）

This paper described the process of city-bus’s framework design, using AutoCAD. It’s mainly about the skeleton design process of the body’s structure and size.

U462.2

A

1671-7988(2014)09-60-04

燕穎，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)車輛工程系。