摘要：近年来，汽车行业高速发展，汽车的安全问题、舒适问题受到人们的普遍关注。大型客车是人们日常出行使用频率最多的交通工具之一，客车的车身骨架影响着整个大型客车的使用性能。本文对目前使用的大型客车的车身骨架结构进行了分析，并提出了车身骨架钢铝一体化结构，指导客车的车身结构设计，从轻量化的结构和轻量化的材料两个方面，完成对客车车身的轻量化设计。
关键词：大型客车；车身骨架；轻量化设计
客车的车身骨架是整个车体受力的承载体，是一种较为复杂的结构，在保证客车使用性能的前提下，尽量的减少车身的质量，有助于减少汽车尾气的排放、节约能源，实现环境保护的目的，对可持续发展战略有重要意义。对客车车身进行轻量化设计，主要有两个方面，选择轻量化的材料和改进结构设计，以下将从这两个方面探讨如何最大限度地减轻车身骨架的质量。
一、车身骨架结构特点
通常来讲，大型客车一般采用全承载式车身骨架结构，这是一种没有独立车架的整体车身结构形式，主要由钢质型材焊接而成，全承载式车身骨架由底架、前围后围、左右侧围、车身顶盖六个部分组成。车身的底架使用薄钢板冲压而形成的纵横格栅，在大型长途客车中被广泛使用，全承载式的车身骨架结构能够有效保证客车实际运行过程中的稳定和平衡。具体来分，根据车身上部和下部受力程度的差异，还可以分为整体承载式和基础承载式[1]。
二、大型客车车身轻量化设计
（一）客车车身轻量化材料
能够实现车身轻量化的材料主要有两种，一种是以高强度钢为代表的高强度材料，另一种是以合金类材料、塑料和复合材料为代表的轻质材料。其中铝合金是最为常用的一种轻量化材料，具有质量轻、抗腐蚀性强、导热性好以及易于回收利用等优点，所以被广泛的应用在汽车工业上。大型客车的车身质量大约占客车总质量的30%-40%，因此应用铝合金型材制作车身，能够达到良好的轻量化效果，奥迪、本田等多家汽车企业都已经成功制造出了全铝制的车身。而高强度钢是一种结合了强度和韧性的钢种，具有质量轻、强度高、耐腐蚀和成本低的特点，近年来也被作为客车轻量化的材料使用，虽然铝合金等轻量化材料被广泛的应用，但是却无法完全取代钢铁材料，高强度钢仍然是未来汽车用刚才的主要发展方向，如果利用高强度钢制造客车的车身，能够减轻客车质量的30%-40%左右，板材和钢材是目前主要使用的高强度钢材料，钢材成型的技术也随着高强度钢的使用而不断的发展，国外普遍使用的是点焊和粘接相结合的复合连接技术，我国在这方面的应用还不十分成熟。另外可以作为轻量化材料的是镁合金，镁合金材料具有承载力强、抗腐蚀性好和密度小的特点，但是目前由于缺乏对镁合金材料的可靠数据支持，因此镁合金的使用普及程度不及铝合金。除此之外，塑料及其复合材料也能作为汽车轻量化材料，这类材料的优点是比重较小、容易成形、质量较轻而且生产效率高，能够用在汽车方面的复合材料主要有金属基复合材料、陶瓷复合材料和聚复合材料等等，但是现阶段我国车用塑料的比例较少[2]。
根据对这几种常用的轻量化材料的成本和轻量化效果的考虑，镁和铝的轻量化效果最好，但是成本也比较高，镁合金和塑料等用在车身附件的轻量化设计上，所以选择铝合金和高强度钢作为大型客车车身骨架的轻量化材料，无论是从材料的性能方面、使用范围方面还是成本考虑，都有很好的应用优势。
（二）客车车身骨架结构优化
车身骨架结构是承载式客车车身的主要承载体，细长杆件是车身骨架大的基本构件，这种细长杆件在受力的过程中能够很好的抵抗轴向载荷，所以在设计的过程中如果能够尽量避免车身杆件的非轴向载荷，就能获得比较好的车身骨架结构。多材料车身结构轻量化的方法主要是为车身的每一个零件确定最合适的材料，从而对车身进行尺寸上的优化，基于车身的结构考虑，转化成数学模型，建立约束方程，根据求解结果确定轻量化的设计方案。还可以根据汽车的碰撞安全性能进行分析，通过计算相关参数，衡量汽车的性能。车身骨架拓扑优化的方法是一种将材料分布作为优化设计变量的方法，有助于设计材料的最佳分布方法，拓扑优化可以分为两种，一种是连续性拓扑优化；另一种是离散性的拓扑优化。拓扑优化的方法有很多，例如均匀化方法、变密度法等，数学算法也包括拉格朗日乘子法和遗传算法等，至于如何选择，还要根据优化的模型确定。拓扑优化法首先要定义拓扑空间，然后再进行车身拓扑优化[3]。
（三）客车车身骨架的轻量化设计
由上述两段可以看出，只有将轻量化材料和结构优化有机的结合起来进行车身骨架的轻量化设计，才有可能实现车身的轻量化设计，既减轻了车身的质量，又保证了客车车身的性能不受影响。所以本文采取的方法就是将钢材和轻量化材料相结合，进行车身结构的设计，以下进行具体的讨论。
1.铝合金材料和型号的选择
首先在通过一系列的对比之后，将材料确定为铝合金材料，实现钢铝一体化的车身骨架结构，由于不同的铝合金材料属性和适用范围都不相同，因此在综合杆件的使用范围考虑后，采用铝合金挤压型材对车身骨架进行设计，在现阶段被广泛使用的车用铝合金中，6000系不但适用于制作汽车车身骨架，成本也比较低，因此非常适合作为客车车身的轻量化材料[4]。
2.铝合金型材的设计
对铝合金型材的设计包括型材截面形式的设计和型材性能的考虑，设计的铝合金型材要有足够的强度和刚度，同时要形式简单、易于操作。车身结构的刚度直接影响着整个车的性能，所以对铝合金型材的截面进行设计的时候，可以选择内部是矩形空心形式的截面，如下截面图。
3.车身骨架钢铝一体化轻量化的结构设计
在车身骨架钢铝一体化结构设计中，需要确定适用于铝合金型材进行替换的部位，对于车身顶盖，由于车身骨架的顶盖变形较大，所以需要提高车身顶盖的刚度性能，因此要采用拓扑优化方法对顶盖结构进行拓扑优化设计；对于车身腰围的设计，要保持原来腰围结构的布置形式，将部分钢制梁替换为铝合金型材即可；对于车身骨架侧窗的设计，也要将钢制梁替换为铝合金型材；对于车身尾架的设计，由于有曲线和曲面的造型设计，因此也将钢制梁替换为铝合金型材即可[5]。
4.车身骨架结构的钢铝连接设计
由于钢铝连接的技术在我国应用还不十分成熟，例如螺栓连接和焊接相结合的形式，在铝合金型材和钢制梁的连接上采用螺栓连接，铝合金型材之间采用焊接的方式，并做好镀锌处理，从而防止化学腐蚀现象。对于铝合金组合截面的杆件设计，可以将原有车身腰围底部的横梁设计成铝合金型材和钢型材组合的形式，将钢制结构和铝合金型材连接在一起。
结束语
综上所述，车身骨架钢铝一体化的设计方案能够很好的完成客车车身骨架的轻量化设计。本文在对大型客车车身骨架结构进行分析的基础上，从轻量化材料和优化结构设计两个方面探讨了客车轻量化设计方案。
参考文献：
[1]伍玉霞，韩剑，刘俊杰等.大型客车车身骨架静态模态分析及优化[J].机械设计与制造，2016，（4）：130-132，136.
[2]武和全，曹立波，苗润路等.基于可靠性优化设计的客车碰撞安全性研究[J].公路交通科技，2016，33（10）：142-147.
[3]左向南，焦映厚，陈照波等.大型客车车身骨架轻量化设计研究[J].机械工程师，2012，（8）：3-5.
[4]龙江启，李毅，俞平等.基于结构优化的客车骨架轻量化设计研究[J].机械科学与技术，2013，32（4）：558-563.
[5]左向南.大型客车车身骨架结构分析与轻量化研究[D].哈尔滨工业大学，2011.
论文作者:郑瑞彪,邬绍辉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/23
标签：车身论文; 骨架论文; 客车论文; 轻量化论文; 材料论文; 铝合金论文; 型材论文; 《基层建设》2018年第6期论文;