基于輕量化與模塊化的鋁合金車體結構設計

謝明智 覃星云

摘 要：輕量化、模塊化是汽車車體結構發展的重要趨勢，采用鋁合金車體結構能有效達成這一控制目標，并降低后期運行消耗和維護成本。本文基于輕量化與模塊化設計思想，指出鋁合金車體結構設計要點，期望能為車體結構的優化提供有效支撐。

關鍵詞：輕量化;模塊化;鋁合金;車體結構

城市化背景下，公交車、物流車、觀光車等公共車輛的需求不斷增加，人們對于這些車輛車體機構的設計和應用也提出了更高要求。現階段，鋁合金車體成為一種全新的車體結構形式在公共車輛設計中得以廣泛應用，其有效地實現了車輛設計的輕量化和模塊化發展。

1 輕量化與模塊化設計思想

輕量化設計是當前車輛體形結構設計的基本要求。在實際設計中，輕量化設計能通過減輕車輛的質量，提升車輛加速度和最高速度，這有利于改善車輛的操控性能，降低車輛能源消耗。實際設計中，車輛結構較為復雜，若將車輛個單元作為一個整體進行設計，則設計過程難度較大，對此，模塊化設計理念應運而生。所謂車體結構模塊設計，是指將車輛結構分解為若干個具有相同功能和結合要素的互換單元，這些單元性能、規格、結構各不相同，其中每個單元對應車輛的一個功能，系統組合這些單元，即可完成車體結構整體設計，并確保組合后的功能滿足車輛應用需要[1]。

2 輕量化與模塊化視角下的鋁合金車體結構設計

2.1 車體設計依據及尺寸

結合車輛設計依據，規范合理地進行車輛結構尺寸設計，能為公共車輛的運營管理創造奠定有效基礎。在公共車輛設計中，車體設計技術要求應符合國家現行相關標準的規定，具體而言，基于輕量化與模塊化角度，進行鋁合金車體設計需遵守《城市公共汽電車客運服務》GB/T22484、《城市客車分分等級技術要求與配置》CJ/T162等文件的具體要求。在鋁合金車體結構尺寸設計中，車輛分級是影響車輛結構尺寸的重要因素，級別不同，其具體的尺寸結構也有所差異，另外，車體的結構尺寸還受到車輛類型影響，譬如，中大汽車外形尺寸多為7980×2400×3100mm，而海格KLQ6129GQ1型客車外形尺寸為12000×2550×3250mm。

2.2 車體總體布局和劃分

鋁合金車體總體布局中，采用整體承載閉口型材鋁合金全焊接結構，這種設計方式具有以下優勢：其一，其結構設計較為簡單，同時荷載能力突出;其二，進行型材與隔音材料的搭配使用，能有效地降低車輛運行中的噪音和振動，提升車輛運行舒適性;其三，鋁合金型材生產方便，減少了焊接對車體質量的影響，整體效益突出。

在對各單元進行模塊劃分時，按照各個模塊的實際功能，將車體分為底架、頂棚、側墻、端墻和司機室五個模塊，各個模塊又包含了若干個子模塊，根據具體的模塊內容，進行設計要點把控。譬如在側墻模塊設計中，重點關注車窗和乘客門數量設計，就乘客門設計而言，依據車輛的長度設計具體數量（見表1）。

2.3 車體型材模塊化設計

采用閉口型材進行車體結構設計時，型材的插口形式、寬度公分等因素對于車體焊接的熔透型具有較大影響，同時，受壁厚偏差、筋板位置等因素的影響，部件裝配后的尺寸公差、焊接剛度、車體結構強度等因素也存在較大差異。可見，車體型材設計對于鋁合金車體設計具有深刻影響。現階段，針對車體形態模塊化設計，主要還是從底架、頂棚、側墻、端墻和司機室五個模塊進行具體設計，在實際設計中，應盡可能地采用寬幅型材，這樣不僅能減少型材開模具的數量，降低模具成本，而且，其能有效減少焊縫的數量，對于鋁合金焊接質量具有深加大影響。需注意的是，不論是那個模塊的焊接設計，鋁合金縱向焊接時都會產生一定的收縮，以此應注重收縮縫隙量的嚴格管理，確保焊接完成后，各模塊結構尺寸合理。

2.4 有限元下的強度計算

車體結構強度計算分析是車輛結構設計的重要環節。在車體強度計算中，車體而機構的形狀各異，同時荷載和邊界條件變化多端，這使得車體強度計算過程極為復雜，此時，建立有限元模型，能有效地提升計算結構的精度。具體而言，有限元結構模型不僅實現了車輛形體結構一致性的有效把控，而且在模型支撐下，實現了車輛結構邊界一致性、荷載等因素與實際情況的統籌，為后期的強度計算提供了有效支撐。在實際計算中，應關注車輛垂直靜載荷、垂直總載荷、拉伸載荷和垂直靜載荷組合等工況的有效考慮，確保車輛強度計算的精確性。需注意的是，針對實際的計算結果，還需要采用第四強度理論進行評定，確保在任何應力狀態下，鋁合金材料均不會屈服破壞，確保車輛運行的安全性、穩定性。

3 車體輕量化優勢評估

現階段，鋁合金車體在城市公交車、物流車、觀光車等公共車體結構設計中的應用不斷深入，從材料應用形態來看，其包含了5000系、6000系和7000系三種形態，通常，鋁合金的相對體積質量為鋼材的1/3，采用鋁合金車體替代傳統鋼材車體，能有效地達到車輛輕量化設計的目的，車輛成型后，鋁合金車體的質量可減少為普通鋼材車體質量的1/2。當車輛自重質量降低時，其在制定和牽引過程中的能量消耗就會降低，這使得車輛運行成本降低，保證了車輛運行的經濟性。此外，隨著車身質量降低，車輛在加減速控制中更加靈活，其在一定程度上提升了車輛的載客能力，保證了列車運行品質，可見，采用鋁合金進行車體輕量化設計，能有效地實現高運能、低成本的控制目標，這對于城市公共交通工具的進一步發展具有積極的促進作用，有效地保證了人們交通出行的效率與安全。

4 結論

采用鋁合金車體結構能有效地實現車體輕量化、模塊化發展。新時期，車輛設計人員只有重復認識到車體結構輕量化、模塊化設計的必要性，并在實際設計中，注重鋁合金車體結構設計要點的把控，才能有效地提升車體設計質量，滿足車輛高運能和低成本控制需要。

參考文獻：

[1]趙春花，黃垂剛，王康.淺談乘用車車身鋼鋁搭接兩種表面處理應用[J].涂層與防護，2019（02）：5-9.