客車底盤結構安全性分析與輕量化設計

李長松 常偉

摘 要：衣、食、住、行是人類生活的四大需求，這四大需求也是經濟進步的基礎。鑒于經濟的快速發展，對公共交通的更高要求以及客車在交通運輸中的重要性，確保客車的運輸能力和舒適安全十分重要。因此，為了確保這些條件，必須不斷改變客車的底盤結構、運行穩定性和優化后的舒適體驗。

關鍵詞：結構;安全性;輕量化;客車底盤

0 前言

傳統的客車已經不能滿足當前的市場需求，因為傳統的客車底盤完全依賴專家在設計和車輛優化方面給出的數據結論。因此，傳統的客車底盤開發周期長，浪費了大量的人力物力，導致成本高、價格高、安全系數沒有保證。然而，隨著經濟和科技的發展，專家們開發了新技術，為車輛結構設計和車輛優化提供了有效的數據。本文首先分析了客車底盤結構設計提供的安全性，然后研究了國內外客車車身輕量化結構的現狀，并結合我國客車底盤輕量化存在的問題和前景，探討了客車底盤輕量化設計。

1 客車的底盤設計安全性分析及具體方法

1.1 設計客車底盤考慮其安全性

由于客車的底盤決定了客車的整體安全性，所以在設計底盤時必須充分考慮安全因素，從打破傳統的客車設計概念開始，因為設計客車底盤的傳統概念不能完全控制客車的安全因素，這是浪費時間和成本，所以新設計從全局的角度來設計客車底盤。這就是“滑板底盤”的概念，那么它是如何構思的？首先包括將原來的機械形式轉換成目前的電氣形式，這種電氣形式只有一個與客車車身的電氣連接，可以通過電力的控制來控制客車和制動系統的方向，這種用電力進行機械更換設計的概念不僅可以提高客車底盤的安全系數，還可以節省時間和金錢。

1.2 三聚磷酸鋁在客車底盤設計中的應用

為了考慮客車的整體安全性，必須嚴格執行客車底盤的設計。在底盤設計的時候底盤涂料也是關鍵點，一定要使用最高質量的漆，如果使用劣質油漆會使底盤在駕駛公共客車時容易腐蝕，并導致安全事故。在客車底盤用漆中，三聚磷酸鋁是最佳的涂漆材料，因為它在儲存過程中具有更好的穩定性，并且能夠有效地耐腐蝕，這有助于穩定客車底盤的物理性能，從而滿足底盤的安全要求。因此，要使客車安全運行，必須注意客車底盤的制造，因為客車底盤是決定客車是否能夠安全運行的最重要因素，在底盤和漆用材料的設計中大力推廣使用最好的防腐材料非常重要。

2 輕量化研究現狀

2.1 采用輕質材料

例如鋁，鎂，陶瓷，塑料，玻璃纖維或碳纖維復合材料。21世紀的客車底盤將發生巨大的變化，材料對客車底盤技術的進步至關重要，輕量化對未來客車底盤的發展至關重要。盡管通過優化結構設計可以減輕重量，但客車底盤重量的大幅度減輕需要使用大量低密度材料。國外許多客車底盤制作廠家一般應用鋁合金材料以達到減重的目的。

2.2 采用現代設計方法進行結構設計

例如，有限元分析，參數優化，拓撲優化等。由于計算機技術的飛速發展。有關理論與軟件的不斷發展進步使得計算機輔助分析如虎添翼，CAE在客車底盤工業起的作用越來越大。改變了過去傳統按經驗設計的模式。如圖1所示，它不僅縮短了客車底盤的開發周期，大大減少了研發投資，而且還開發了更可靠的產品。

2.3 客車底盤輕量化材料沖壓理論與工藝技術

加強高強度、輕量化先進材料在客車底盤制造領域的應用基礎研究。通過開展基于CAE的沖壓工藝設計和優化方法研究，提出輕量化材料神壓回彈預測與補償、起皺和拉裂預測與消除、毛坯反求和優化工件的新工藝、新理論和新方法。從機理上研究復雜零件沖壓中不同材料流動不均勻的產生原因和影響因素，開展多種形式的材料流動阻力控制方法及相應工藝理論和設計技術的研究。研發一種新穎實用的高強度鋼沖壓技術、客車底盤零件超高強度鋼成型技術、應用于復雜客車底盤零件的液壓成型技術和激光焊接技術等。

2.4 客車底盤輕量化激光加工技術與裝備研究

激光加工技術是實現客車底盤輕量化的重要途徑之一。系統進行激光與材料相互作用機理、激光加工過程無損檢測和控制等基礎理論研究，建立激光加工工藝方法和工藝參數的優化數據庫，研究不同材料的激光切割方式，開展激光切割、焊接、精細燒蝕、直接快速成型、激光涂敷、激光輔助切削加工等理論的研究，開發激光三維切割工藝技術，建立工藝參數數據庫及專家系統;研究激光深熔焊接理論，開發激光三維焊接技術與裝備;研究不同板厚、不同客車底盤材料，尤其是輕量化材料的激光加工拼焊技術與裝備。

3 我國客車底盤輕量化所面臨的問題

（1）輕量化技術涵蓋廣泛的研究領域，需要運用多學科交叉融合所形成的綜合性、系統的知識體系，而在當前的研發體系中，研發機構往往只關注單個技術的研發，很少實現技術的交叉與融合。

（2）客車底盤輕量化技術涉及眾多的共性技術和前沿技術其關鍵、核心技術的突破不可能由單個公司或科研機構無法實現的。國家級的研究機構需要對尚未實施的關鍵問題進行先進的戰略和前瞻性部署措施。

（3）產、學、研結合不夠緊密，沒有明確的定位、合理的分工，基礎研究與技術開發研究的有機對接不夠。公司規模小、分散，輕量化發展能力低，研發人才不足以及整體技術水平落后。為了提高我國輕型客車底盤技術的技術水平，迫切需要整合國內輕型技術的技術優勢，實現產、學、研結合，建立輕量化客車底盤技術資源共享的技術創新平臺。平臺應積極促進產、學、研方面的合作;與交流促進客車底盤輕量化技術研究成果向產業化方向轉化;建立輕量化客車底盤重要產品和檢測方法等標準和規范;在相關行業建立高水平的職業培訓基地，并提供技術咨詢服務。客車底盤輕型技術創新平臺應重點研究開發以下領域：

①客車底盤輕量化先進材料開發研究;

②客車底盤輕量化結構優化設計研究;

③客車底盤輕量化材料沖壓理論與工藝技術研究;

④客車底盤輕量化激光加工技術與裝備研究。

4 底盤輕量化的出路

4.1 高強度鋼的運用

底盤的零件因為要直接承受地面的沖擊所以某些零件的應力會大些。因此，有必要增加材料的數量來降低應力。例如，微型客車擺臂的支撐桿在制動時承受更大的應力。如果我們使用普通材料，我們必須使用30mm的桿，以確保應力小于250Mpa，以達到材料允許的安全范圍，但重量達到2.33kg。如果我們采用高強度鋼我們可以使用中20mm的桿應力可以達到408Mpa，重量減少到1.21kg，這表明高強度鋼對底盤零件的減重效果相當明顯。

4.2 高強度彈簧鋼的運用

高強度彈簧在彈簧設計中非常有用。眾所周知，懸掛在底盤上的彈簧既是安全部件，也是性能部件。我們需要它來滿足剛性和耐用性的要求。但是剛性和耐用性是另一個悖論。用高強度彈簧鋼，我們可以很好地解決這個問題。例如，微型車的后懸架彈簧是根據傳統材料設計的，要設計的圈數是5.75圈簧絲直徑φ15.4mm才能達到要求的剛度，但是其重量為2.66kg，如果采用高強度彈簧鋼我們彈簧的圈數可以做到4.5圈，簧絲直徑φ14.3mm，可以達到要求的剛度，并且應力也符合高強度彈簧剛度材料許用極限，其重量為1.8kg。高強度鋼彈簧不僅耐用，而且剛性好，符合要求，質量比傳統彈簧低0.86kg，彈簧數量少于質量，整車質量更舒適。

5 客車底盤結構輕量化設計

改革要從客車底盤加工的成型技術入手來進行，采用高強度沖壓將配件放入熱加工爐，加熱時間必須嚴格控制，不得低于或低于，只需四分鐘。用均勻的奧氏體化，用機械臂將其取出，并且取出后要迅速將配件轉移到熱沖壓模具上快速沖壓成形。成形的底盤配件的強度必須達到1200 MPa才能合格。客車的底盤主要由三種形式的沖壓梁：U形、W形和V形。

因此，這三種類型的客車底盤沖壓梁在客車的構造中起著不同的作用。V形梁是客車底盤防震結構的主要形式，對提高客車整體的整體性非常重要。因為它作為中間結構提升了客車的剛度與強度。而且它使用輕量化材料，所以它的重量在客車底盤上也非常重要。W形梁也廣泛用于客車底盤的設計和制造，因為它減少了V形梁以外的橫截面跨度，并提高了V形梁的安全系數。

此外，在加工了客車底盤的結構之后，有必要繼續優化客車的結構，因此客車底盤的輕量化的提高必須在構件的形狀方面進行處理和改進。例如，您可以通過構建檢測機來減小構件的尺寸。此外，圓形孔洞是客車底盤設計中最常見的方法，因為圓形孔洞可以均勻分布構件上的應力，同時節省輕質材料，降低成本，優化客車底盤的輕量化做到創新發展。

6 結語

研究了客車底盤的總體布局設計，發現只有實現客車底盤的輕量化結構，才能保證客車使用的安全性和環保性。希望本文能為客車底盤企業制造客車底盤帶來有效的參考價值。

參考文獻：

[1]王祝堂.“全鋁車身+全鋁底盤”客車路試順利[J].輕合金加工技術，2018，46（08）：42.