某全鋁城市客車頂蓋與側(cè)圍連接結(jié)構(gòu)比較分析

胡國(guó)強(qiáng)，徐志強(qiáng)，呂宗寧，夏德偉，何洪威

（忠旺鋁業(yè)有限公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究所，北京100102）

0 前言

近年來，汽車工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，汽車已成為世界能源消耗和污染物排放的主要來源。汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，對(duì)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化還可以改善汽車的操作穩(wěn)定性、裝備動(dòng)力性、行駛安全性以及乘坐舒適性等［1-3］。研究數(shù)據(jù)表明，汽車每減重其總質(zhì)量的10%，油耗可降低6%，二氧化碳排放降低5%，汽車加速度時(shí)間減少8%，輪胎壽命延長(zhǎng)7%。

鋁合金材料具有較高的比強(qiáng)度和很好的擠壓性，經(jīng)加工能夠得到滿足剛性及強(qiáng)度的復(fù)雜截面構(gòu)件，大大降低了材料的消耗及構(gòu)件的質(zhì)量。因此，鋁合金型材在汽車輕量化中得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］。

目前，鋁制客車已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外汽車市場(chǎng)嶄露頭角，本文所述的全鋁客車為“全鋁車身+鋼制車架”結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了其頂蓋與側(cè)圍的鉚接、螺接、螺鉚這3種連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，并從性能分析、輕量化效果、安裝工藝等三個(gè)方面進(jìn)行了比較，為全鋁客車車身設(shè)計(jì)提供參考。

1 頂蓋與側(cè)圍連接結(jié)構(gòu)

在車身其他部分保持不變的前提下，本文提出了頂蓋與側(cè)圍連接的三種不同連接方式：鉚接結(jié)構(gòu)、螺接結(jié)構(gòu)及螺鉚結(jié)構(gòu)。

1.1 鉚接結(jié)構(gòu)

圖1為頂蓋與側(cè)圍連接鉚接結(jié)構(gòu)，通過鉚釘及鋼板將頂蓋邊梁及側(cè)圍上橫梁進(jìn)行連接。頂蓋邊梁為異型管材，集成了玻璃止口、流水槽、蒙皮弧面、連接鋼板止口及鉆孔定位的功能。側(cè)圍上橫梁亦為異型管材，垂向尺寸大，集成了風(fēng)道支架固定、連接鋼板止口及鉆孔定位功能。該連接結(jié)構(gòu)中，側(cè)圍上橫梁貫穿整車長(zhǎng)度，加上大量連接鋼板的使用，車身重量明顯增加。

圖1 鉚接結(jié)構(gòu)

1.2 螺接結(jié)構(gòu)

圖2為頂蓋與側(cè)圍連接螺接結(jié)構(gòu)，通過T型螺栓將頂蓋邊梁與側(cè)圍上橫梁進(jìn)行連接。頂蓋邊梁增設(shè)滑槽，實(shí)現(xiàn)T型螺栓的裝入和滑動(dòng)。側(cè)圍上橫梁為一體化擠壓型材，在連接位置加工出矩形孔，用于T型螺栓的定位和緊固。

圖2 螺接結(jié)構(gòu)

1.3 螺鉚結(jié)合方式

圖3所示為頂蓋與側(cè)圍連接螺鉚結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用鑄件角鋁將頂蓋橫梁與側(cè)圍立柱連接，上端通過T型螺栓固定，側(cè)端通過鉚釘固定。此結(jié)構(gòu)取消了側(cè)圍上橫梁，有利于實(shí)現(xiàn)減重。

圖3 螺鉚結(jié)構(gòu)

2 有限元模型建立

2.1 模型處理

以頂蓋與側(cè)圍連接鉚接結(jié)構(gòu)為例，在靜態(tài)應(yīng)力分析時(shí)，對(duì)整車進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。客車車身骨架大部分為薄壁件，采用殼單元建模，以四邊形為主，三角形為輔［6-8］，模型生成1 694 209個(gè)節(jié)點(diǎn)和233萬個(gè)網(wǎng)格。

圖4 頂蓋與側(cè)圍連接鉚接結(jié)構(gòu)全鋁客車有限元模型

2.2 骨架材料

車身骨架由前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、頂蓋組成。車身材料為鋁合金，車架材料為鋼，具體參數(shù)見表1。

表1 車身骨架材料屬性

2.3 載荷施加

不同載荷按照質(zhì)心位置或者均勻分布的方式施加在車體相應(yīng)的受力結(jié)構(gòu)件上，主要載荷質(zhì)量如表2所示。

表2 整車主要載荷質(zhì)量

3 有限元結(jié)果分析

客車各工況仿真模擬中，扭轉(zhuǎn)工況條件下各結(jié)構(gòu)的受力均處于較高水平。在扭轉(zhuǎn)工況下，動(dòng)載荷變化非常緩慢，可近似為靜載荷［9-10］。本次設(shè)定安全系數(shù)為1.5，并選取扭轉(zhuǎn)工況中最惡劣的左后輪懸空及右后輪懸空兩種工況進(jìn)行分析。

3.1 車身強(qiáng)度

在左后輪懸空或右后輪懸空兩種工況下，車身最大應(yīng)力及最大位移如圖5所示。其中，頂蓋與側(cè)圍連接螺接結(jié)構(gòu)的車身應(yīng)力最大，位于側(cè)圍上橫梁加工的矩形孔處，最大應(yīng)力為190.9 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求；采用螺鉚結(jié)構(gòu)的鋁車身位移最大，位于車的右后部，最大位移值為34.15 mm，滿足整車變形量要求。

圖5 頂蓋與側(cè)圍不同連接結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)工況車身最大應(yīng)力及最大位移

3.2 扭轉(zhuǎn)剛度

扭轉(zhuǎn)剛度的大小能夠體現(xiàn)整車結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，對(duì)車身其它性能如強(qiáng)度、疲勞耐久性等也有很大影響［11-12］。選取頂蓋與側(cè)圍連接為螺接結(jié)構(gòu)的整車為例，約束左后輪和右后輪，并分別對(duì)左、右前輪分別施加豎直向上與向下大小為1 000 N的載荷。經(jīng)計(jì)算，兩個(gè)加載點(diǎn)Z向的位移差為0.5594 mm，如圖6所示。

圖6 鉚接結(jié)構(gòu)整車扭轉(zhuǎn)變形圖

本客車輪距為1 346 mm，扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算公式如公式（1）所示：

式中：GT為扭轉(zhuǎn)剛度，L為力偶距，F(xiàn)為載荷，h為加載點(diǎn)Z向位移差。

根據(jù)公式（1）的計(jì)算，螺接結(jié)構(gòu)的整車扭轉(zhuǎn)剛度為53 900 N·m/（°）。同理得到，鉚接結(jié)構(gòu)及螺鉚結(jié)構(gòu)的整車扭轉(zhuǎn)剛度分別為56 500 N·m/（°）、48 900 N·m/（°）。三種連接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度均高于行業(yè)水平，性能優(yōu)異。

4 輕量化效果

頂蓋與側(cè)圍連接形式分別為鉚接結(jié)構(gòu)、螺接結(jié)構(gòu)、螺鉚結(jié)構(gòu)的鋁車身重量如表2所示。由表2可見，鉚接結(jié)構(gòu)的車身重量最大，螺接結(jié)構(gòu)次之，螺鉚結(jié)構(gòu)的車身重量最小。與鉚接結(jié)構(gòu)相比，螺鉚結(jié)構(gòu)的鋁車身重量減少125 kg，減重比例達(dá)到13%，輕量化效果明顯。在推廣新能源客車輕量化的今天，減重降本一直是其研發(fā)方向并使其市場(chǎng)化的重要手段。由本文分析可見，螺鉚結(jié)構(gòu)的鋁車身客車在減重方面有著較為明顯的效果。

表2 頂蓋與側(cè)圍三種連接結(jié)構(gòu)的鋁車身比較

5 合裝工藝比較

客車鋁車身由前圍、后圍、頂蓋、左側(cè)圍、右側(cè)圍五大片骨架組成，為方便生產(chǎn)及運(yùn)輸，分片骨架通常單獨(dú)裝配，再到主機(jī)廠完成五大片骨架與車架的合裝。籍此，頂蓋與側(cè)圍不同的連接結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了合裝工藝的差異。

鉚接結(jié)構(gòu)使用鉚釘通過鋼板將頂蓋骨架與側(cè)圍骨架連接。考慮到安裝孔較多，頂蓋邊梁上的孔須提前機(jī)加出來。為保證配合精度，側(cè)圍上橫梁的安裝孔在合裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配鉆。鉚釘為非標(biāo)件，故要使用專用的工具鉚接，這樣安裝速度才快。但即便如此，配鉆工作量仍然很大，合裝效率低。

螺接結(jié)構(gòu)使用T型螺栓將頂蓋骨架與側(cè)圍骨架連接。合裝過程中，先將頂蓋骨架吊至側(cè)圍骨架正上方，保持一定的垂向距離。T型螺栓按數(shù)量從頂蓋邊梁的一端放入滑槽內(nèi)，通過調(diào)節(jié)位置，T型螺栓與側(cè)圍上橫梁的安裝孔一一對(duì)應(yīng)，落下頂蓋骨架，依次安裝墊片、螺栓，打扭矩緊固。面對(duì)一輛車少則幾十多則過百的T型螺栓，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，一旦損壞，須將整個(gè)頂蓋骨架吊起，進(jìn)行重新調(diào)節(jié)、布置，維修性差。

螺鉚結(jié)構(gòu)使用T型螺栓和鉚釘通過鑄件角鋁將頂蓋骨架與側(cè)圍骨架連接。在頂蓋邊梁滑槽部分機(jī)加工適當(dāng)數(shù)量的安裝孔，用以T型螺栓滑入和取下，避免了螺接方式中T型螺栓必須從一端放入且不易更換的弊端。同時(shí)，T型螺栓與鑄件角鋁進(jìn)行預(yù)連接，通過移動(dòng)鑄件角鋁，實(shí)現(xiàn)頂蓋與側(cè)圍的連接定位，大大縮短了螺接結(jié)構(gòu)中T型螺栓調(diào)節(jié)、對(duì)位的時(shí)間。另外，螺鉚結(jié)構(gòu)的連接孔數(shù)量較鉚接結(jié)構(gòu)減少了一半，使現(xiàn)場(chǎng)配鉆時(shí)間大幅減小，生產(chǎn)效率至少提升50%。

6 結(jié)論

從某全鋁客車頂蓋與側(cè)圍連接所用鉚接結(jié)構(gòu)、螺接結(jié)構(gòu)和螺鉚結(jié)構(gòu)這3種連接方式的有限元分析結(jié)果可知，上述結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。其中螺鉚結(jié)構(gòu)的鋁車身輕量化效果最好，較鉚接結(jié)構(gòu)、螺接結(jié)構(gòu)減重比例分別提高2.6%和13%。通過合裝現(xiàn)場(chǎng)工藝比較，螺鉚結(jié)構(gòu)操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)效率高。綜上所述，螺鉚結(jié)構(gòu)對(duì)全鋁客車車身設(shè)計(jì)發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。