城市公交車身輕量化分析與設計

陸海英，甘明，楊坤

（愛普車輛（中國）有限公司上海分公司，上海 200040）

1 引言

作為城市樞紐的公交車，采用純電動技術可作為降低城市環境污染、減少能源消耗的切入點。目前續駛里程短是制約純電動公交發展的主要因素。可以通過增加動力電池的電量或者對整車進行輕量化來增加續駛里程。但是依目前的技術，增加電量即增加電池重量，整車質量也相應增加，這使純電動公交的使用成本有所提高，也降低了能源利用率。在電池技術還沒有突破性進展并應用的情況下，對客車進行輕量化設計，減輕車身的質量，是目前提高電動車的續駛里程、降低使用成本最有效的方法之一。世界節能與環境協會基于交通運營商的數據顯示，整車減重10%，可降低油耗6-8%[1]；節省電能6-9%。

車身輕量化主要有以下幾種方式。一是使用新型輕量化材料，如碳纖維、高強度鋼、鎂合金、鈦合金、纖維復合塑料以及鋁合金等。綜合比較而言，鋁合金兼具經濟性和可靠性，材料強度大，無供應瓶頸，材料環保性強，回收率高，且能夠低成本規模生產及加工，適合廣泛應用。二是新型制造加工技術。先進以及合適的連接技術，提高連接強度的同時可減少材料的使用；先進的零件制造技術，比如半固態鑄造等，可在保證零件可靠性的前提下，盡量減少材料的使用。三是車身結構的拓撲優化，根據車身傳力結構進行優化，提高承載度，盡量減少對結構性能貢獻較低的零部件，同時單個零件的拓撲優化可進一步輕量化。

2 城市公交車身結構輕量化的研究

2.1 輕量化材料應用

能用于公交車輕量化的材料大致有以下幾種：鋁合金、高強鋼、鎂合金、工程塑料和碳纖維。從材料經濟性和可靠性對比的情況大致如下所示（圖1）。

圖1 公交車輕量化材料對比

碳纖維和鈦合金材料以及在航空航天上有廣泛的應用，其可靠性和性能毋庸置疑，但是在公交車領域成本是一個重要的考量因素，就目前的生產水平和材料成本來說，碳纖維和鈦合金材料應用在公交領域還不太合適。高性能陶瓷面臨的主要問題是用于框架式結構時其靈活性不足，無法適應公交車結構量小多變的特點。工程塑料近些年的發展迅速，在強度上已經有很大的提升，但是其作為大型結構件的可靠性還有待驗證。鎂合金曾經在航空史上有過廣泛的應用，在一戰和二戰時期曾被用于生產軍用飛機，后來由于其高溫下的易燃性問題目前已經很少用于航空結構件。

經過對比分析，高強鋼和鋁合金是目前情況下適合做車身輕量化的材料。高強鋼生產工藝貼近主機廠現有工藝，可接受程度高。鋁合金對目前的大多數主機廠來說是新產品新工藝，經過近幾年的推廣，也有了一定的市場占有率。

2.2 輕量化工藝應用

公交車身輕量化的效果和車身制造工藝密不可分。在傳統鋼車身上，附件的安裝方式主要是鋼焊接、自攻釘和鋼板攻絲螺接，而且很多情況下為了考慮制造誤差，埋板的尺寸往往較大，造成材料利用率低，而且減重效果差。對傳統鋼車身的附件安裝來說，可以通過提高工件定位精度，減小埋板的大小來減重。對一個12m的鋁合金公交車身來說，補平條的重量可以達到60kg以上，而埋板的重量也可以達到50kg以上。因此在內飾件的安裝上，對自身剛度比較好的內飾件，可以減少內部骨架結構的補平和墊平部分，進一步減少車身重量。

2.3 輕量化成本分析

由于材料成本因素和技術工藝因素影響，用全鋁車身替代傳統車身時，根據不同的車長和配置要求，使用全鋁車身增加約3～7萬元采購成本。但從公交車全生命周期的使用成本來看，通過節省的電費、鋁金屬回收殘值、維修成本各方面綜合考慮，整體應用成本反而會降低，而且結合節能環保的社會效益，全鋁車身應用在純電動客車上的全生命周期使用成本將節省8～12萬元。

綜上所述，鋁合金材料在城市公交車車身結構中的應用有著巨大的優勢，而在車身結構連接工藝方面，由于焊接對鋁合金母體的損傷、螺栓連接的松動問題下，采用鉚釘連接成為主流。

3 鋁合金車身結構的研究

3.1 設計原則

在傳統鋼車身轉化為鋁車身結構時首先要考慮可靠性問題，從強度、剛度、模態、耐疲勞這幾個方面進行分析對比。在設計之初，可以從型材替換的角度出發，進行局部對比。

3.1.1 材料抗壓能力和截面積

公式（1）中的F為梁所受的軸向拉力或壓力；E為彈性模量，對各種鋁合金來說該數值較為穩定，為70GPa，對于各種鋼材來說，該數值為210GPa，是鋁合金的3倍；ε為材料應變率，和受力大小直接相關；A為梁的截面積，只和橫截面的面積大小有關，和截面形狀無關。對只受拉壓的梁來說，截面積的大小才是關鍵因素，截面形狀的影響很小。

公式（2）中 σ為梁所受的應力，當該應力超過梁的屈服強度的時候，梁發生不可逆變形，導致結構失效。材料的屈服強度越高，能承受的最大力越大。由于不同強度的同種材料其彈性模量E是幾乎不變的，因為高強度材料并不能提高剛度。

3.1.2 材料抗彎能力和慣性矩

公式（3）中為梁所受的彎矩；E為材料彈性模量；θ為梁的轉角，和受力大小之間相關；I為梁的慣性矩，和截面形狀關聯度非常大，可用來表達梁的抗彎能力。形心主慣性矩具有最高的實際應用價值，在不改變截面面積大小的情況下只是通過移軸就可以大大增強抗彎剛度，而且增強效果非常強大。

因此為了提高材料的利用效率，應將質量盡量分布在離形心比較遠的位置。而增大截面慣性矩的簡易方法是截面形狀是矩形管，越接近矩形管的設計越好。

3.1.3 局部穩定性問題

在 3.1.2中提到的將質量盡可能地都分布在設計邊界上能提高材料的抗彎能力，但是這里還需要考慮局部失穩的問題，以及連接工藝問題。局部失穩會導致整體失穩，可以通過以下辦法解決，一是金屬型材壁厚不能太薄，這也是高強鋼減重的一個瓶頸所在；二是增加局部加強筋。

綜上所述，在滿足局部穩定性條件的前提下將材料利用效率最大化；在可能的情況下盡可能擴大設計空間；在設計空間內將材料盡量分布在邊界，這是設計之初的型材替換過程中的設計原則。

3.2 型材連接部位有限元分析

根據上述設計原則分別設計幾款型材，并根據型材狀態考慮連接結構，見表1中的截面示意。通過對各種狀態鋁合金連接結構的分析與對比，找出比較相對最優的方式。

表1 各種型材接頭有限元分析數據匯總表

從表1可以看出，型材1、4的變形量比其他型材的小，而變形量有優勢的型材1截面積比較大，性價比并不高。在工藝性方面，型材1的截面需要增加補平條便于客車內外飾的裝配，一定程度上又增加了重量，而型材4不存在此問題。因此，經過綜合考慮，選用型材4作為主型材截面。

3.3 鋁車身結構分析驗證

根據上述方式選出合適的型材截面后，在車身結構中，替換鋼骨架，結合車架，進行整車有限元分析，分別根據模態、強度、剛度三個方面進行評價。

圖2 一階橫向彎曲模態 9.45Hz

圖3 一階扭轉模態11.56Hz

圖4 一階垂向彎曲模態 15.23Hz

從上圖2～4中可以看出該車車身結構的固有振型大致可分為兩類：一是車身的整體振動，二是以車身結構的部分振動為主的局部振動。3階的彈性模態頻率分布在9.45～15.23Hz范圍內，以整體振動為主的振型較多。從整體上看，該車的各階振型都比較平滑，沒有大的突變，且都在經驗值范圍內。

在實際設計中應盡量使車身激振頻率避開這一固有頻率范圍，以避免發生整體共振現象。

經過有限元分析，獲取相關分析結果數據后運用剛度計算公式計算得出，該車型彎曲剛度為 3454N/mm，扭轉剛度為38991Nm/deg。結合既往類似車型的經驗，該車型彎曲剛度和扭轉剛度都在合理范圍內。

圖5 靜態彎曲--鋁車身應力云圖

圖6 緊急制動--鋁車身應力云圖

圖7 緊急轉彎--鋁車身應力云圖

圖8 單輪抬起--鋁車身應力云圖

從圖8中可以看出，在各計算工況下，由于存在有限元分析建模本身局限性帶來的誤差以及鉚釘的夾緊力和摩擦力的忽略，使得應力計算值大于實際運行值。綜上所述，該鋁型材構建的車身結構滿足公交車的可靠性要求，局部進行加強、優化即可。

4 結論

通過對鋁合金材料在城市公交車車身結構中的研究與應用，并進行有限元分析與判定，使用輕質鋁合金材料是輕量化的重要手段，通過計算、稱重對比，對于12m非頂置電池的城市公交車，車身骨架可減重 35～45%，蒙皮減重達 50～60%，整車減重可達500～1000kg，這是目前市場上減重效率最高，綜合性價比最高的輕量化解決方案。車身上的應用目前已逐漸廣泛。