基于高強鋼材料的10米全承載客車輕量化設計

王秋林，牛寅中，何洪軍，郭新宇，毛愛華，熊曉清，高健

（中國第一汽車股份有限公司解放事業本部商用車開發院，吉林 長春 130011）

前言

隨著汽車行業迅猛發展，節能和環保問題已成為世界各國共同關注的重要課題，而輕量化對降低車輛排放及節約能源具有顯著貢獻，輕量化設計已成為當今各廠商的主要研究方向[1-2]。

輕量化在降低車身質量的同時，也會引起車身剛度下降等問題，低剛度必然降低車身固有頻率，進而發生結構共振和噪聲，影響舒適性，因此，實現車身輕量化必須以滿足車身剛度為前提[3-4]。

本文根據高強鋼QSTE700TM的材料特性，將其應用到10米全承載客車骨架中，并通過有限元手段對該車骨架剛度和強度進行分析，同時提出相應改進方案。最后，通過實車臺架試驗進一步驗證輕量化設計的可行性。

1 QSTE700TM(700L)材料介紹

1.1 力學性能

表1為高強鋼700L與客車骨架常用材料Q235和Q345的力學性能對比[5]，由表可知：700L屈服極限和斷裂極限均高于Q235和Q345，其力學性能優于客車骨架常用材料。

表1 材料性能對比

1.2 成形性能

圖1和圖2為Q345和700L矩管彎曲成形示意圖，對比可知：700L在大曲率的彎管過程易出險開裂現象，彎曲成形性能弱于Q345和Q235。如果采用棍壓工藝可適當改善彎曲成形性能，但彎曲角度受截面尺寸影響，需試驗驗證，目前僅限于二維彎曲。

圖1 Q345矩管彎曲成形

圖2 700L矩管彎曲成形

1.3 焊接性能

700L碳當量為CE=0.426%，材料焊接性良好，焊接前不需要預熱。圖3和圖4為本企業700L矩管角接和對接焊縫樣品檢測圖，其焊角、熔深以及焊縫厚度尺寸等均滿足焊接質量要求。

圖3 角接焊縫

圖4 對接焊縫

1.4 替換原則

客車骨架由不同截面的矩管焊接而成。高強鋼700L的矩管最小規格為 40×30×1.5,客車骨架常用矩管最小規格為20×10×1.5。研究表明：在同一輪廓下，高強鋼替代普通鋼厚度減薄計算公式如下[6]：

式中：t為零件壁厚；σ為屈服極限。

通過公式（1）計算，700L替換Q345減薄系數為1.424，700L替換Q235減薄系數為1.726。

綜上，客車骨架應用高強鋼材料的原則如下：

1）大曲率彎管不考慮替換；

2）規格小于40×30×1.5的矩管不替換；

3）壁厚1.5mm的不替換；

4）Q235壁厚2mm替換為1.5mm，壁厚3mm替換為2mm；

5）Q345壁厚3mm替換為2mm或2.5mm，壁厚4mm替換為2.5mm或3mm；

6）盡量替換廠家已有規格，減少模具開發費用；

7）承載區因結構剛度應綜合考慮。

2 輕量化設計

10米全承載客車骨架輕量化是在現有成熟車型基礎上設計的，為控制模具開發費用及人力資源，該車的內外飾、附件及動力系統等均未發生變化。

2.1 車體骨架設計

圖5為車體骨架示意圖，原材料為Q235和Q345。封閉環是客車抵抗側翻變形的主要載體[7]，為滿足側翻性能，其矩管規格一般選取較大，是替換高強度材料的主要區域。

圖5 車體骨架

前、后圍骨架：左、右立柱替換700L，壁厚2.5mm，其余梁由于規格過小或曲率較大、成形難，不替換。

頂蓋骨架：頂蓋邊縱梁替換700L，壁厚2.5mm；頂蓋弧形梁由于端部曲率較大，不替換；其余梁壁厚為 1.5mm，不替換。

側圍骨架：立柱替換700L，壁厚2.5mm；斜撐和裙邊梁壁厚1.5mm，不替換；窗下梁和腰梁需新開模具，不替換。

地板骨架和底架連接梁：橫梁替換700L，壁厚2.5mm，其余梁需新開模具，不替換。

2.2 底架骨架設計

底架是主要承載總成，與前、后橋及動力系統具有直接關聯關系[8]，底架高強鋼替換應考慮結構的局部剛度，其結構形式及矩管截面大小應適當優化。

圖6 底架骨架

圖6為底架骨架示意圖，原材料為Q345。底架中部為無斜撐框架結構，抗變形能力較差；前、后橋安裝處結構需承受地面沖擊力，應保證局部剛度和強度；后懸結構是動力系統的安裝區域，還會受到傳動系統的較大扭矩，應保證剛度減少震動；以上區域除過道地板支撐梁壁厚 1.5mm，不替換外；其余縱梁替換700L，壁厚2.5mm，截面尺寸在車身坐標系中Z向增加10mm，Y向縮小10mm；立柱替換700L，壁厚2.5mm，截面尺寸X向增加10mm，Y向縮小10mm；橫梁替換700L，壁厚2.5mm，截面尺寸Z向增加10mm，X向縮小10mm；斜撐替換700L，壁厚2.5mm，其截面尺寸根據區域斷面調整。前懸結構根據廠家已有規格相應減薄替換。

2.3 整車結構優化

靜剛度直接關系到模態、強度、碰撞安全等性能,是客車結構設計的重要指標[9]。

客車骨架壁厚的減薄必然會引起整車剛度下降，為保證客車剛度，有必要對整車結構進一步優化。由于客車前圍、后圍、側圍和頂蓋受客車玻璃，艙門和內飾等邊界條件影響較大，以上結構優化空間有限，故對地板和底架總成進一步優化。優化方案如圖9所示，將地板和底架上部結構中的地板支撐縱梁改為斜撐布置，規格不變[10]。

圖7 優化方案對比

3 輕量化驗證

3.1 剛度分析

根據企業以往開發經驗，客車靜態剛度評價主要以考察扭轉剛度為主。

圖8 整車扭轉變形圖

圖8為有限元計算的整車扭轉變形，通過等截面直桿的經典扭轉理論，計算得到的

客車扭轉剛度值如表2所示，與普通鋼客車相比，優化前高強鋼客車下降 21%；優化后高強鋼客車提高 1%，滿足設計要求。

表2 高強鋼和普通鋼客車扭轉剛度對比

3.2 強度分析

為考察高強鋼客車骨架強度，模擬彎曲、制動、左轉彎和右轉彎四個極限工況，計算整車應力云圖如圖9所示。

圖9 整車極限工況應力云圖

根據仿真結果可知：各工況中客車骨架各部件最大應力均小于自身材料屈服應力，其極限強度滿足設計要求。

3.3 MTS臺架試驗

汽車強化試驗是考核汽車可靠性的基本試驗方案，是在強化路面上進行壽命試驗。本文通過采集路面載荷譜數據，然后在試驗臺上模擬整車的強化試驗，具體見圖10，試驗結果表明：整車骨架未出現開裂現象，滿足使用要求。

圖10 臺架試驗

3.4 輕量化效果

10m全承載客車骨架采用高強鋼 700L材料，實現降重357kg，占原結構12%。

4 結束語

高強鋼是客車結構輕量化關鍵材料，對客車結構發展具有至關重要的作用。本文介紹了高強鋼700L材料特性及其客車骨架的應用方法，并通過700L材料對10米全承載客車進行輕量化設計，在保證客車骨架剛度和強度基礎上，實現降重357kg，即12%。

靜剛度是評價客車結構性能的一項關鍵指標。本文提出的優化方案可大幅提高客車扭轉剛度，并且通過CAE計算客車剛度,可在產品開發過程中實施,且費用低、重復性好，對客車結構設計具有指導作用。