焊接式全铝公交车车身设计开发

叶焕明

（厦门金龙旅行车有限公司，福建 厦门 361000）

0 前言

国民经济稳步增长的同时，我国汽车工业也得到了迅速发展，随着各类汽车数量不断增加，环境问题也越来越突出，能源消耗过量造成了一系列负面影响。各大汽车生产商也越来越重视降低油耗、减轻车身质量，从而不断提升自身综合竞争力。汽车轻量化是必然发展趋势，汽车生产商应该优化结构设计、采用高强度钢等减重方案，使用全铝材料进行汽车制造，可在保证整车强度与刚度的同时，减轻车身质量，降低油耗，从而达到减少环境污染的最终目的。和普通钢材相比较，铝合金的挤压性与比强度更好，可制造各种横截面型材，可优化部件的刚度和硬度，减轻构件质量。因此，全铝材料对减轻汽车质量、优化汽车自身结构有重要的影响，也是近年来汽车行业发展过程中的研究重点之一。

1 公交车铝车身结构设计思路

Q345、Q235 等结构钢具有价格便宜、容易加工焊接、强度高等优点，是客车常用的材质，该材料在客车行业的应用非常广泛，可靠性高。新开发的公交车铝车身结构可参考常规钢结构车身，先按要求设计好钢结构车身，然后基于强度相等的原则，将钢结构转为铝型材结构，即通过增大铝型材厚度或截面体积使其与钢车身的力学性能相等，从而保证整车强度可以满足使用需求。公交车铝车身结构设计流程图如图1 所示。

图1 公交车铝车身结构设计流程图

客车骨架按结构可分为6 大片，即地板骨架、左侧围骨架、顶盖骨架、右侧围骨架、前围骨架、后围骨架，由于地板骨架是整车受力最大的部分且底盘很多零部件安装在上面，需要固定很多支架，从强度及加工制造方面考虑，不适合用铝车身代替，可以将其余5 大片骨架用铝合金型材代替，也可以极大地降低质量[1]。另外铝车身也有两种工艺：一种是做好铝型材，连接处用直角支架通过螺栓连接起来，这种工艺简单但是后期工作量大，而且大量的支架和螺栓也会增加很多重量，不利于降重要求；另外一个方案是做好铝型材再拼焊而成，该方案对铝焊接工艺要求高，须保证在焊接处的质量能满足要求。经过两种方案的对比，再结合铝型材厂家的制造及质量控制能力，最终选择第二种方案，即焊接铝车身，铝车身焊接由铝型材厂家协作完成，提供实验认证，保证质量合格。

2 明确铝合金材料

纯铝是一种银白色金属，相关密度是2.7g/cm3，密度约为钢材的1/3，熔点660℃，铝还有一个重要特性就是耐低温，在-183℃～-253℃下不冷脆，强度不会因温度降低而降低，此外铝还有一个特殊的优势，就是防腐蚀性能好，铝会与空气中的氧气发生化学反应，形成一层氧化膜从而阻止腐蚀。铝金属本身质软强度低，不适合在结构上应用，但是在铝中加入合金，例如硅、镁、锌等，组成铝合金，这些铝合金通过适当的热处理，可以大幅度提高它的机械性能，时至今日，铝合金产量和用量仅次于钢材，成为人类应用的第二大金属，合金挤压材料在建筑、交通、电子等很多领域中都有广泛应用[2]。

6 系铝合金是以镁和硅为主要合金，属于热处理可强化铝合金。合金具有中等强度，无应力腐蚀破裂倾向，具有焊接性能好，成形性好工艺性良好等特点，是一种很好的挤压材料，另外在T6 状态下，强度在255MPa，抗拉强度在290MPa。应用最广泛的是6061 和6063 合金。此次新开发铝车身公交身根据自身需要，需要铝型材具备：良好的力学性能、可根据需要制作名种形状的铝型材、具有良好的焊接性能，另外再根据铝型材厂家的制作能力，综合以上要求考虑，最终选用型号为6061-T6。不同铝合金材料的各项参数对例如下表1 所示。

表1 不同铝合金材料的各项参数对比

3 公交车钢结构CAE 分析

在进行铝合金公交车车身设计之前，首先需要对车身进行CAE 分析，并深入了解与掌握车身的实际性能状况，同时为设定性能指标提供参考依据。并且对车身进行不同工况综合分析，对刚度与模态进行计算，CAE 模型材料具体参数见表2。

表2 CAE 模型材料具体参数表

3.1 有限元建模

静态应力分析过程中，可采用HyperMesh 处理工具对网格划分，CAE 整体包括骨架、蒙皮以及其他相关部件。车身骨架中大多数都是薄壁件，可使用壳单元完成建模，主要为四边形。在进行网格划分之前，应当取出薄壁零件中面，之后在中面进行网格划分。还需综合考虑公交车车身具体尺寸，划分标准具体如下。（1）网格尺寸为20mm，最小5mm，最大40mm，骨架不同方向有2～3 排单元；（2）翘曲度<10°。（3）长宽比<4；（4）最小角>30°；（5）三角形比例<0.5%，尽可能不要采用三角形单元。

综合考虑公交车的使用环境状况，结合设计参数以及相关试验数据结果，设定不同强度工况分析，具体如下：（1）模拟车辆额载状态下，在水平路面突然急停时状况，同时承受向前惯性力为0.8G 左右，查看向前制动情况。（2）模拟公交车额载状态下，在水平路面急停，惯性力为0.5G。（3）模拟车辆额载状态下，在水平路面加速的情况，同时承受加速惯性力1G 左右，查看加速情况。（4）模拟车辆额载状态下，在水平路面右转向情况，惯性力0.5G。（5）模拟车辆在额载状态下，在水平路面左转向情况，惯性力0.5G。（6）模拟车辆额载状态下，在水平路面匀速直线行驶状况，承受1.0 倍荷载。（7）模拟车辆额载状态下，在水平路面行驶过程中，遇到减速带，同时承受2.0 倍荷载。（8）模拟车辆额载状态下在不平路面上行驶，对车身形成荷载。（9）车辆乘客满载，模拟车辆在水平路面直线行驶，同时承受1.0 倍垂向荷载以及满载情况下的载荷。

3.2 有限元分析

采用HyperWorks 软件对车辆结构的模态以及刚度、不同工况环境下强度进行分析。钢结构车身在整体扭转状态下，频率为10.91Hz，整体弯曲频率为14.55Hz。对车辆在弯曲荷载环境下的刚度情况进行分析，同时观察在扭转荷载环境下的刚度情况。经过分析可得出弯曲刚度为42598895.2 N/m，扭转刚度则为26761538.96 N·m2/rad。分析钢结构公交车车身强度可知，其符合钢材料性能综合要求，和铝合金车辆强度等性能指标不具备对比性。

4 结构设计

根据钢结构车身的开发经验和深入分析，公交车的车身结构采用的是矩形材拼焊而成，即骨架式车身结构。而杆件的力学特点是适合承受拉压载荷，不适合受弯扭载荷。避免车身架产生过多的弯扭载荷的首要方法是，车身骨架的结构布局要保证力流传递的连续性[3]。所以在骨架总设计时，需要注意满足以下设计原则：1）车身骨架的顶盖弯梁、侧窗立柱、侧舱门立柱、地板横梁从上到下尽量严格对齐，形成一个方框，这就是客车行业的封闭环设计。一般右形成A 柱、前轮罩前、前轮罩后、中门前、中门后、后轮罩后、发动机舱前、发动机舱后，共8 个封闭环。 2）从前后方向看，顶骨架的左右边梁，侧围骨架的上边梁、中梁、下梁应用前后贯通。3）侧围骨架和顶骨架对接处、地板骨架和侧围骨架对接处是应力集中区，须着重加强。4）以上整体框架搭好后，再根据实际情况增加加强板和连接件。

该铝车身结构，由车身侧视图断面图可知：1）顶盖横梁、侧围立柱、地板横梁严格对齐，纵向剖面形成框形结构，很好地响应了第1 条设计原则。2）顶骨架的左右边梁，侧围骨架的上边梁、中梁、下梁应用前后贯通，很好地响应了第2 条设计原则。3）侧围骨架上边梁同顶骨架的边梁焊接好后再增加连接板，通过铆接增加强度，侧围骨架同地板骨架连接处先预埋好钢板，再同地板骨架焊接，侧围骨架同顶骨架连接处是应车集中处，为了增加强度，加大了顶骨架的截面积，另外还增加圆弧过渡，使受力更加平顺，通过以上措施很响应了第3 设计原则。4）在侧围骨架的上边梁和侧窗上梁增加加强板和斜撑，尤其是乘客门处，少了中梁，结构较弱，须增加更多，另外侧围骨架中梁以下也增加适当加强板和斜撑，通过以上措施响应了第3、4 条设计原则。

公交车有非常多零件固定在侧围骨架和顶盖骨架上，而且很多还是现场攻螺栓孔固定，例如座椅、扶手、探头、电视等，须在骨架上增加预埋板，根据实际受力情况分别处理，例如固定在顶骨架的探头，质量轻，受力小，直接用铝板代替，而固定在侧围上座椅、扶手，受力大，可把5mm 钢板先铆接在铝型材上，再把铝型材焊接在骨架上[4]。

5 铝合金公交车车身CAE 优化设计

结合之前对钢结构公交车车身分析结果，先确定车身基础结构与关键部分，之后再通过CAE 分析与优化，从而满足车身设置指标，完成对全铝公交车车身结构的设计与开发。

5.1 第一轮设计分析

第一轮铝合金公交车车身CAE 模型主要是在钢结构的基础上进一步完成，车身大部分结构并未发生变化，将材料进行更换为铝合金材料，车身底盘依然为钢结构，铝合金车身骨架通过焊接完成连接。通过该轮对两种不同材料车身结构进行分析对比，从而进一步确定铝合金车身架构的优化方案，也为提升车身性能带来借鉴参考。根据CAE 分析的具体结果可得出，该轮铝合金车身架构和钢结构相比，模态振型相同，铝合金车身架构频率更低，两者刚度差距比较大，整体弯曲刚度明显下降32.65%，扭转刚度则下降50.08%。强度分析结果表明，铝合金车身架构在不同工况下，最大应力值相对偏高，大部分结果超出材料的应力值。

5.2 第二轮设计分析

结合第一轮CAE 分析结果，对局部存在问题的车身机构进一步优化改进，优化改进环节主要包括了以下方面：（1）蒙皮料厚增加约50%；（2）侧围立柱厚度设计为4.0mm；（3）顶盖纵梁加大加粗。CAE 分析结果可得，第二轮铝合金和钢结构，两者之间相比，刚度差距缩小，整体弯度刚度下降，不同工况环境下，最大应力值有所降低，但是也存在超过允许应力的情况，后续仍需逐步改进。

5.3 第三轮设计分析

针对上一轮CAE 结果，对公交车车身结构进一步优化，主要改进方面有以下几个方面：（1）顶盖和侧围骨架两者间采用贯通式铝合金材料连接，材料断面可采用HyperWorks 优化进行获得，使受力更加平顺过渡，并增加加强筋；（2）窗立柱规格为80cm×50cm，可以增加弯曲应力强度；（3）框架壁厚进行尺寸优化，并结合具体结果，对梁壁厚进行适当调整，从而保证结构整体厚度相同；（4）对第二轮框架改进方案予以保留，同时，增加加强斜撑。根据CAE 分析结果，第三轮铝合金公交车车身和钢结构的刚度车距缩小，车身模态频率提高，扭转刚度有所下降，不同工况下最大应力值降低。

5.4 第四轮设计分析

这一轮主要是在上一轮基础上，进一步优化设计车身骨架尺寸，并结合实际情况，对强度比较弱的局部区域，增加斜撑和加强板，主要包括侧围骨架和顶骨架连接处、侧围骨架和地板骨架结合处。根据CAE 分析结果，这一轮车身和钢结构车身对比，整体扭转频率发生改变，可达到12.58Hz，整体弯曲频率为15.46Hz 且刚度缩小，模态频率明显加快，扭转刚度也明显提高，符合钢结构车身标准要求刚度。通过强度分析，可得出，不同工况下，最大应力值有所降低且符合材料许用应力。公交车主要的行驶环境是城市，路况环境较好，因此，遇到恶劣工况的概率也比较小，不会对车身产生危害和不良影响。经过以上几轮的优化设计与试验，铝合金公交车车身和钢结构相比较，车身模态明显得到提升，车身扭转与弯曲刚度也与钢结构车身几乎相近，各个工况环境下，最大应力值均符合标准要求。同时，铝合金车身和钢结构相比较，其车身质量也明显减轻，为31.5%，能够充分说明其轻量化效果是非常明显的。

6 最终设计

初步方案完成设计后，由专业CAE 工程师分析，并组织工艺、车间、采购物流等相关部门评审，在薄弱处、应力集中处加强结构：1）顶盖边梁增大截面，增加加强筋，加大圆弧，使力流传递更加平顺。2）增加侧围连接地板预埋板尺寸以增加强度。制作工艺流程为分别先拼焊好顶骨架、地板骨架、左右侧围骨架、前围骨架、后围骨架六大片，再到工装台架上完成整车骨架拼焊及铆接。全铝合金公交车车身骨架是将铝合金挤压材料进行焊拼形成，主要是通过连接进行固定，截面也可结合具体优化结果设计，种类更多，可选择性也更多。全铝公交车车身结构骨架主要截面形状包括以下几种，即“U”形、矩形、圆弧形以及日字形，矩形材料主要是进行骨架梁设计制作，“U”形材料主要适用于对刚度要求并不高的局部区域，日字形主要是在侧窗以及侧围立柱方面，圆弧形材料主要适用于侧围与顶盖骨架两者之间，并对其进行连接，纵向布置。经过统计结果得知，以同配置10m 长公交车为例，焊接式铝合金公交车车身和钢结构车身相比较，其车身质量明显下降，轻了约490kg，效果很好，从而有效降低燃油消耗，达到开发目标[5]。

7 结语

时代在发展，人类探索科技发展的脚步一直在前进，节能减排一直是社会的要求。铝合金钢车身由于成本高、焊接工艺难等问题无法全面推广，但是在开发探索应用中也为我们提供了丰富的经验，就例如轿车行业的铝合金轮毂已全面推广，铝合金悬架、铝合金连接件也在逐渐更多的应用，焊接式全铝公交车车身设计与开发过程中，能够有效提升车身刚度，满足不同工况环境，同时符合标准要求，车身质量也明显减轻，轻量化效果显著，具有较高的价值。只要我们保持探索的精神，就一定能为人类科技文明作贡献，为节能减排、地球环保作贡献！