低地板公交车结构轻量化研究

韩世秀

摘 要：本论文主要通过对低地板公交车结构轻量化设计背景的阐述，低地板公交车轻量化技术作用和发展现状的研究，进一步讨论了低地板公交车轻量化技术所存在的不足，最后提供了实现低地板公交车结构轻量化的途径和在行业中的应用，从而为低地板公交车行业轻量化设计提供有效的帮助。

关键词：低地板公交车 结构轻量化 发展前景

Research on Lightweight Structure of Low-floor Bus

Han Shixiu

Abstract：This paper mainly discusses the deficiencies of low-floor bus lightweight technology by explaining the background of low-floor bus structure lightweight design， the role and development status of low-floor bus lightweight technology， and finally provides a way to realize the lightweight structure of low-floor buses and its application in the industry， thereby providing effective help for the lightweight design of the low-floor bus industry.

Key words：low-floor buses， lightweight structure， development prospects

1 引言

低地板公交车结构轻量化的研究早期应用在高端的轿车和跑车行业中，由于车型本身特殊性的要求，工程师和研发团队会通过降低车架，车身的重量来提高高端轿车和跑车的奔跑速度。随着我们国家提倡绿色出行，节能减排等一系列概念的出现，结构轻量化设计研究理念在低地板公交车设计行业中也逐渐形成，由于低地板公交车的能耗，发动机的排量无一不与低地板公交车的总重量有关，所以低地板公交车结构轻量化设计研究可以降低低地板公交车能耗以及CO2等尾气的排放。

2 低地板公交车轻量化设计的背景

随着国家各城市的发展，社会的进步，以及人们对生活品质的追求越来越高，城市公交车行业的发展主要面临三大问题：能耗、环保以及安全，因此采用轻量化设计可以降低成本已经受到了人们的重视。现在许多厂家已经开始在节约能源和保护环境方面对低地板公交车轻量化技术作进一步研究，同时国家还制定了相应的法律法规和相关的政策。低地板公交车轻量化设计就是通过减轻低地板公交车各组成部件的自身重量，从而减轻整车的总重量，达到减少低地板公交车能耗和CO2等尾气排放的目的，从而相应国策，保护环境，提供人们的生活质量，最终也节约了设计成本。

低地板公交车结构轻量化技术研究的最主要的优势是降低汽车的能耗，从而在减轻汽车重量的同时，也加强了汽车环保、节能减排等可持续发展理念。有关研究数据表明，若汽车整备质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%;若滚动阻力减10%，燃油效率可提高3%;若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。根据研究结果，我们不难看出，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗的显著降低，一般低地板公交车车身的重量占总重量的30%，在没有承载物的情况下，几乎一半以上的能耗是由低地板公交车自重而消耗的，所以减轻低地板公交车自身的重量可以降低低地板公交车的能耗，从而提高了低地板公交车的经济性。低地板公交车轻量化有利于对低地板公交车的操控性，而且还能提高低地板公交车的稳定性，使低地板公交车在运行过程中更加安全和舒适[1]。低地板公交车在运行过程中发生颠簸现象，如果减轻车身底盘的重量，这样就能增加低地板公交车的稳定性，另外倘若车身选用的高强度钢、镁铝合金、塑料、碳纤维以及其它复合材料等还具有吸收撞击能量的功能，这样的话，在低地板公交车发生碰撞时会降低车身的破坏，还能增加低地板公交车的安全性。低地板公交车轻量化设计已经成为各厂家研究的重点，轻量化设计不仅有利于传统的动力汽车，而且对电池，氢气等新能源动力汽车也具有相同的功能，这样会给各厂家带来巨大的经济效益，同样对社会的发展带有推动作用。

3 低地板公交车轻量化技术的作用

低地板公交车轻量化的含义是在保证低地板公交车安全性能的情况下，通过采用先进的设计方法和有效的設计手段对侧围，顶盖，前后围，地板骨架五大片体结构进行优化，材料的强度不断提高，钢材的板厚或壁厚不断减薄，局部需要引进等强度设计的概念，按照不同状态强度的不同要求，需要设计减重、孔加筋等，或者使用镁铝合金、塑料、碳纤维等轻质材料实现低地板公交车车身自重的降低。但是低地板公交车轻量化技术并不仅仅是降低低地板公交车自身的重量，低地板公交车的质量问题会直接影响其安全性和使用性，另外低地板公交车制造商还需要考虑低地板公交车的经济合理性，保证消费者能够接受产品的价格，这样才能使低地板公交车行业更加有序的向前发展[2]。低地板公交车轻量化的作用主要有三点：（1）低地板公交车的传统设计已经不能满足市场的需求，先进的轻量化设计技术其作用是降低低地板公交车的自身重量。（2）低地板公交车轻量化设计通过拓扑、仿真计算等先进手段合理优化，在保持原有低地板公交车行驶安全性、 耐撞性、抗震性以及舒适性等性能不降低的前提下提高低地板公交车本身的使用经济性。（3）轻量化设计既需要降低汽车的自重还需要保证汽车的强度和安全性能，因此其是性能，质量，结构优化相结合的一种先进的设计方法。

4 低地板公交车轻量化技术的发展现状

低地板公交车轻量化技术主要是包括低地板公交车结构的创新和轻量化材料的应用，如果低地板公交车本身结构符合规范要求，那就需要通过研究轻量化材料来降低低地板公交车本身的自重。在低地板公交车轻量化设计研究过程中，材料是影响车身自重的主要因素[3]。通过研究发现，低地板公交车轻量化技术主要包括4个方面：（1）材料：如果想要实现低地板公交车轻量化，制造商必须要使用新材料和新技术。现在许多制造商主要使用的轻量化材料是高强度钢、镁铝合金、塑料、碳纤维以及其它复合材料。高强度钢不言而喻，它的作用就是通过降低钢材的板厚或者壁厚，从而降低车身焊接后的总重量，同时还能保证低地板公交车运行过程中的稳定性和安全性能;镁铝合金、塑料、碳纤维以及其它复合材料主要是在低地板公交车非结构构件上来降低车身的自重。低地板公交车使用的部分材料（如图1）

（2）结构优化设计：现在消费者对低地板公交车的要求越来越高，所以制造商一定要渗透一些人机学，智慧设计等先进的理念，加强和提高低地板公交车设计的水平，也越来越多的制造商已经开始使用轻型悬架结构来减轻低地板公交车自身的重量，从而达到低地板公交车轻量化的目的。

（3）制作工艺：现在低地板公交车制造业已经在低地板公交车形态和外部连接方面研究出新的技术，比如：使用铆接实现不同材质、不同厚度、多层材料进行连接等，这些技术都在很大程度上降低了低地板公交车自身的重量。

（4）评价作用：低地板公交车轻量化技术的意义是为了解决过度的能源消耗，对于环境的保护以及汽车的安全性能。评价标准主要是通过产品的生产工艺和环境保护进行评价，减小对能源的消耗，降低能源对环境的影响，进一步改善低地板公交车轻量化技术。

5 低地板公交车轻量化技术存在的问题

（1）低地板公交车轻量化研究主要集中在低地板公交车研发的后期，只是对现有车型的外部材料进行加强和减重，并没有针对整个车身骨架的设计，所以这种优化设计方案并没有对低地板公交车本身减重造成影响，设计者需要在早期的设计理念中加入结构轻量化技术，结合低地板公交车框架形式和构件的尺寸进行确定，通过仿真分析得出个结构的影响参数和性能指标，最后得出最优的设计方案，一定要将低地板公交车的质量和性能相结合。

（2）轻量化设计比较单一，设计优化目标不明确。在进行优化设计以后，需要通过检测车的性能对优化的结果进行检测，但是并没有考虑其他方面因素的影响，这可能会导致最后的优化设计方案不是合理的优化。轻量化优化设计并不是针对某一方向进行优化，需要结合其他学科进行修正[4]。轻量化设计需要考虑低地板公交车的各项性能指标，是一个结合多学科多方向的优化设计过程，最后找到最优的设计方案。

（3）轻量化设计主要集中在对材料强度的加强和减小构件厚度来降低材料的重量，并没有考虑到各部件间的拓扑关系和截面尺寸等因素影响，并没有使轻量化设计起到应有的作用。低地板公交车是一个整体结构，各部件之间的拓扑关系、零件的截面尺寸以及材料的强度共同影响低地板公交车的性能。

6 实现低地板公交车轻量化设计的主要途径

低地板公交车的轻量化设计是在保证低地板公交车基本性能的前提下，减轻低地板公交车的自重而降低能源的消耗，从而保护环境。现在实现低地板公交车轻量化设计的主要途径有三种：

（1）结构轻量化，就是通过对结构进行优化设计，从而改进汽车的外部形状和各部件之间的拓扑关系，降低汽车自身的重量，满足汽车设计的要求。低地板公交车结构轻量化设计并不是简单的将汽车结构进行简化，主要是通过软件进行仿真模拟来验证结构轻量化设计方案是否可行，能否满足低地板公交车本身的结构要求和稳定性要求，得出最优的设计。

（2）特种加工，轻量化设计主要通过应用先进的连接方式（比如：激光拼焊板等）和成行方式（比如：柔性轧制）进行设计，特别是在进行构件之间的连接时，需要充分考虑构建的强度和断面形式。

（3）材料轻量化，轻量化设计主要采用的是高强度钢板和轻质复合材料，比如：镁铝合金、碳纤维、高强度复合材料等，这些材料都是在进行低地板公交车轻量化设计中使用的主要原料，也是未来汽车制造中的重要材料。

7 低地板公交车轻量化设计在城市公交车行业中的应用

在进行轻量化设计过程中，需要引入拓扑仿真优化、外部形态优化以及尺寸优化，从而可以节约设计的时间，节约成本。（如图2）

现在汽车产业已经成为国家经济最重要的一部分，但是轻量化技术还不够成熟，我国的能源消耗和环境污染越来越严重，因此轻量化技术的研发十分重要，必将会在未来的城市公交车行业中发挥巨大的作用，其发展前景十分广阔。对于低地板公交车轻量化研究來说，要综合多学科的系统体系，同时结合国家的发展战略，制作出最优的设计方案。低地板公交车的轻量化设计要加强创新，并不断的进行钻研，使该技术广泛的应用于城市公交车行业中。

8 结语

低地板公交车轻量化设计和研究已经成为城市公交车行业的重要研究课题，本文主要通过研究和分析低地板公交车轻量化技术，希望提高汽车的安全性，降低能源消耗，对促进社会和谐和经济发展作出重要贡献，为未来的城市公交车行业发展提供重要的依据。

参考文献：

[1]陈文弟.客车制造工艺技术[M].北京：人民交通出版社，2002.10.

[2]张德鹏，张启明.客车车身结构的分析[[J].长安大学学报（自然科学版）2002，122（14）：32-36.

[3]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004.8.

[4]谭继锦，张代胜，熊良平，徐志汉，郭志勇.某型大客车车身骨架轻量化设计[J].汽车工程，2006，395-389.

[5]孔维峰.电动低地板城市大客车车身轻量化技术研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2008.