陸海英，甘明，楊坤

（愛(ài)普車輛（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200040）

1 引言

作為城市樞紐的公交車，采用純電動(dòng)技術(shù)可作為降低城市環(huán)境污染、減少能源消耗的切入點(diǎn)。目前續(xù)駛里程短是制約純電動(dòng)公交發(fā)展的主要因素。可以通過(guò)增加動(dòng)力電池的電量或者對(duì)整車進(jìn)行輕量化來(lái)增加續(xù)駛里程。但是依目前的技術(shù)，增加電量即增加電池重量，整車質(zhì)量也相應(yīng)增加，這使純電動(dòng)公交的使用成本有所提高，也降低了能源利用率。在電池技術(shù)還沒(méi)有突破性進(jìn)展并應(yīng)用的情況下，對(duì)客車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，減輕車身的質(zhì)量，是目前提高電動(dòng)車的續(xù)駛里程、降低使用成本最有效的方法之一。世界節(jié)能與環(huán)境協(xié)會(huì)基于交通運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)顯示，整車減重10%，可降低油耗6-8%[1]；節(jié)省電能6-9%。

車身輕量化主要有以下幾種方式。一是使用新型輕量化材料，如碳纖維、高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鈦合金、纖維復(fù)合塑料以及鋁合金等。綜合比較而言，鋁合金兼具經(jīng)濟(jì)性和可靠性，材料強(qiáng)度大，無(wú)供應(yīng)瓶頸，材料環(huán)保性強(qiáng)，回收率高，且能夠低成本規(guī)模生產(chǎn)及加工，適合廣泛應(yīng)用。二是新型制造加工技術(shù)。先進(jìn)以及合適的連接技術(shù)，提高連接強(qiáng)度的同時(shí)可減少材料的使用；先進(jìn)的零件制造技術(shù)，比如半固態(tài)鑄造等，可在保證零件可靠性的前提下，盡量減少材料的使用。三是車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)車身傳力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高承載度，盡量減少對(duì)結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)較低的零部件，同時(shí)單個(gè)零件的拓?fù)鋬?yōu)化可進(jìn)一步輕量化。

2 城市公交車身結(jié)構(gòu)輕量化的研究

2.1 輕量化材料應(yīng)用

能用于公交車輕量化的材料大致有以下幾種：鋁合金、高強(qiáng)鋼、鎂合金、工程塑料和碳纖維。從材料經(jīng)濟(jì)性和可靠性對(duì)比的情況大致如下所示（圖1）。

圖1 公交車輕量化材料對(duì)比

碳纖維和鈦合金材料以及在航空航天上有廣泛的應(yīng)用，其可靠性和性能毋庸置疑，但是在公交車領(lǐng)域成本是一個(gè)重要的考量因素，就目前的生產(chǎn)水平和材料成本來(lái)說(shuō)，碳纖維和鈦合金材料應(yīng)用在公交領(lǐng)域還不太合適。高性能陶瓷面臨的主要問(wèn)題是用于框架式結(jié)構(gòu)時(shí)其靈活性不足，無(wú)法適應(yīng)公交車結(jié)構(gòu)量小多變的特點(diǎn)。工程塑料近些年的發(fā)展迅速，在強(qiáng)度上已經(jīng)有很大的提升，但是其作為大型結(jié)構(gòu)件的可靠性還有待驗(yàn)證。鎂合金曾經(jīng)在航空史上有過(guò)廣泛的應(yīng)用，在一戰(zhàn)和二戰(zhàn)時(shí)期曾被用于生產(chǎn)軍用飛機(jī)，后來(lái)由于其高溫下的易燃性問(wèn)題目前已經(jīng)很少用于航空結(jié)構(gòu)件。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，高強(qiáng)鋼和鋁合金是目前情況下適合做車身輕量化的材料。高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝貼近主機(jī)廠現(xiàn)有工藝，可接受程度高。鋁合金對(duì)目前的大多數(shù)主機(jī)廠來(lái)說(shuō)是新產(chǎn)品新工藝，經(jīng)過(guò)近幾年的推廣，也有了一定的市場(chǎng)占有率。

2.2 輕量化工藝應(yīng)用

公交車身輕量化的效果和車身制造工藝密不可分。在傳統(tǒng)鋼車身上，附件的安裝方式主要是鋼焊接、自攻釘和鋼板攻絲螺接，而且很多情況下為了考慮制造誤差，埋板的尺寸往往較大，造成材料利用率低，而且減重效果差。對(duì)傳統(tǒng)鋼車身的附件安裝來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)提高工件定位精度，減小埋板的大小來(lái)減重。對(duì)一個(gè)12m的鋁合金公交車身來(lái)說(shuō)，補(bǔ)平條的重量可以達(dá)到60kg以上，而埋板的重量也可以達(dá)到50kg以上。因此在內(nèi)飾件的安裝上，對(duì)自身剛度比較好的內(nèi)飾件，可以減少內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)的補(bǔ)平和墊平部分，進(jìn)一步減少車身重量。

2.3 輕量化成本分析

由于材料成本因素和技術(shù)工藝因素影響，用全鋁車身替代傳統(tǒng)車身時(shí)，根據(jù)不同的車長(zhǎng)和配置要求，使用全鋁車身增加約3～7萬(wàn)元采購(gòu)成本。但從公交車全生命周期的使用成本來(lái)看，通過(guò)節(jié)省的電費(fèi)、鋁金屬回收殘值、維修成本各方面綜合考慮，整體應(yīng)用成本反而會(huì)降低，而且結(jié)合節(jié)能環(huán)保的社會(huì)效益，全鋁車身應(yīng)用在純電動(dòng)客車上的全生命周期使用成本將節(jié)省8～12萬(wàn)元。

綜上所述，鋁合金材料在城市公交車車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用有著巨大的優(yōu)勢(shì)，而在車身結(jié)構(gòu)連接工藝方面，由于焊接對(duì)鋁合金母體的損傷、螺栓連接的松動(dòng)問(wèn)題下，采用鉚釘連接成為主流。

3 鋁合金車身結(jié)構(gòu)的研究

3.1 設(shè)計(jì)原則

在傳統(tǒng)鋼車身轉(zhuǎn)化為鋁車身結(jié)構(gòu)時(shí)首先要考慮可靠性問(wèn)題，從強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、耐疲勞這幾個(gè)方面進(jìn)行分析對(duì)比。在設(shè)計(jì)之初，可以從型材替換的角度出發(fā)，進(jìn)行局部對(duì)比。

3.1.1 材料抗壓能力和截面積

公式（1）中的F為梁所受的軸向拉力或壓力；E為彈性模量，對(duì)各種鋁合金來(lái)說(shuō)該數(shù)值較為穩(wěn)定，為70GPa，對(duì)于各種鋼材來(lái)說(shuō)，該數(shù)值為210GPa，是鋁合金的3倍；ε為材料應(yīng)變率，和受力大小直接相關(guān)；A為梁的截面積，只和橫截面的面積大小有關(guān)，和截面形狀無(wú)關(guān)。對(duì)只受拉壓的梁來(lái)說(shuō)，截面積的大小才是關(guān)鍵因素，截面形狀的影響很小。

公式（2）中 σ為梁所受的應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)梁的屈服強(qiáng)度的時(shí)候，梁發(fā)生不可逆變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。材料的屈服強(qiáng)度越高，能承受的最大力越大。由于不同強(qiáng)度的同種材料其彈性模量E是幾乎不變的，因?yàn)楦邚?qiáng)度材料并不能提高剛度。

3.1.2 材料抗彎能力和慣性矩

公式（3）中為梁所受的彎矩；E為材料彈性模量；θ為梁的轉(zhuǎn)角，和受力大小之間相關(guān)；I為梁的慣性矩，和截面形狀關(guān)聯(lián)度非常大，可用來(lái)表達(dá)梁的抗彎能力。形心主慣性矩具有最高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在不改變截面面積大小的情況下只是通過(guò)移軸就可以大大增強(qiáng)抗彎剛度，而且增強(qiáng)效果非常強(qiáng)大。

因此為了提高材料的利用效率，應(yīng)將質(zhì)量盡量分布在離形心比較遠(yuǎn)的位置。而增大截面慣性矩的簡(jiǎn)易方法是截面形狀是矩形管，越接近矩形管的設(shè)計(jì)越好。

3.1.3 局部穩(wěn)定性問(wèn)題

在 3.1.2中提到的將質(zhì)量盡可能地都分布在設(shè)計(jì)邊界上能提高材料的抗彎能力，但是這里還需要考慮局部失穩(wěn)的問(wèn)題，以及連接工藝問(wèn)題。局部失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致整體失穩(wěn)，可以通過(guò)以下辦法解決，一是金屬型材壁厚不能太薄，這也是高強(qiáng)鋼減重的一個(gè)瓶頸所在；二是增加局部加強(qiáng)筋。

綜上所述，在滿足局部穩(wěn)定性條件的前提下將材料利用效率最大化；在可能的情況下盡可能擴(kuò)大設(shè)計(jì)空間；在設(shè)計(jì)空間內(nèi)將材料盡量分布在邊界，這是設(shè)計(jì)之初的型材替換過(guò)程中的設(shè)計(jì)原則。

3.2 型材連接部位有限元分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則分別設(shè)計(jì)幾款型材，并根據(jù)型材狀態(tài)考慮連接結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表1中的截面示意。通過(guò)對(duì)各種狀態(tài)鋁合金連接結(jié)構(gòu)的分析與對(duì)比，找出比較相對(duì)最優(yōu)的方式。

表1 各種型材接頭有限元分析數(shù)據(jù)匯總表

從表1可以看出，型材1、4的變形量比其他型材的小，而變形量有優(yōu)勢(shì)的型材1截面積比較大，性價(jià)比并不高。在工藝性方面，型材1的截面需要增加補(bǔ)平條便于客車內(nèi)外飾的裝配，一定程度上又增加了重量，而型材4不存在此問(wèn)題。因此，經(jīng)過(guò)綜合考慮，選用型材4作為主型材截面。

3.3 鋁車身結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證

根據(jù)上述方式選出合適的型材截面后，在車身結(jié)構(gòu)中，替換鋼骨架，結(jié)合車架，進(jìn)行整車有限元分析，分別根據(jù)模態(tài)、強(qiáng)度、剛度三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 一階橫向彎曲模態(tài) 9.45Hz

圖3 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)11.56Hz

圖4 一階垂向彎曲模態(tài) 15.23Hz

從上圖2～4中可以看出該車車身結(jié)構(gòu)的固有振型大致可分為兩類：一是車身的整體振動(dòng)，二是以車身結(jié)構(gòu)的部分振動(dòng)為主的局部振動(dòng)。3階的彈性模態(tài)頻率分布在9.45～15.23Hz范圍內(nèi)，以整體振動(dòng)為主的振型較多。從整體上看，該車的各階振型都比較平滑，沒(méi)有大的突變，且都在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使車身激振頻率避開這一固有頻率范圍，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)有限元分析，獲取相關(guān)分析結(jié)果數(shù)據(jù)后運(yùn)用剛度計(jì)算公式計(jì)算得出，該車型彎曲剛度為 3454N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度為38991Nm/deg。結(jié)合既往類似車型的經(jīng)驗(yàn)，該車型彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都在合理范圍內(nèi)。

圖5 靜態(tài)彎曲--鋁車身應(yīng)力云圖

圖6 緊急制動(dòng)--鋁車身應(yīng)力云圖

圖7 緊急轉(zhuǎn)彎--鋁車身應(yīng)力云圖

圖8 單輪抬起--鋁車身應(yīng)力云圖

從圖8中可以看出，在各計(jì)算工況下，由于存在有限元分析建模本身局限性帶來(lái)的誤差以及鉚釘?shù)膴A緊力和摩擦力的忽略，使得應(yīng)力計(jì)算值大于實(shí)際運(yùn)行值。綜上所述，該鋁型材構(gòu)建的車身結(jié)構(gòu)滿足公交車的可靠性要求，局部進(jìn)行加強(qiáng)、優(yōu)化即可。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋁合金材料在城市公交車車身結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用，并進(jìn)行有限元分析與判定，使用輕質(zhì)鋁合金材料是輕量化的重要手段，通過(guò)計(jì)算、稱重對(duì)比，對(duì)于12m非頂置電池的城市公交車，車身骨架可減重 35～45%，蒙皮減重達(dá) 50～60%，整車減重可達(dá)500～1000kg，這是目前市場(chǎng)上減重效率最高，綜合性價(jià)比最高的輕量化解決方案。車身上的應(yīng)用目前已逐漸廣泛。