客车车身骨架结构设计研究范文

随着人们生活水平的不断提高，对客车整车的性能要求也在不断提升。客车的舒适度、安全系数、总体布局等是现代客车发展的主要趋势。作为客车的承载单元，客车车身骨架设计水平的高低对整车的总体设计有着重要的影响。车身骨架的受力情况很复杂，主要由薄壁杆件构成的复杂空间结构，其质量约占整车质量的1/3。车身骨架由前围骨架，后围骨架，左侧、右侧骨架、车顶骨架和底骨架组成。

1客车主要参数

参考原型车CA6860CQ2型城间客车，营运级别为中型中级，发动机型号为CA6DE2-16。并参考原型车尺寸及GB1589-2004《汽车外廓尺寸界限》，确定本设计客车技术参数如表1所示。客车行驶的路况通常为市内公路和高速公路等，路面情况良好。根据GB13094-2007《客车结构安全要求》中的相关规定，确定车身上其他主要设计参数，文章设计为全承载式车身，如表2所示。

2车身骨架结构设计

2.1侧围骨架设计客车侧围骨架总成由左、右侧围两部分构成，是整车重要的承载部件。当客车发生倾翻时，侧围是最脆弱的地方，极易发生压溃失效，导致车内乘客受伤。因此，设计时要考虑加强侧围的结构强度，并特意在侧窗下纵梁和行李舱上纵梁之间加上斜梁等加强结构来保证整车的弯曲特性和抗扭特性[2]。如图1所示，侧围共有六根窗柱和立柱（位于侧车窗下缘和行李舱上缘的两根腰梁），还有八根行李舱立柱、六根斜支撑加强梁、车门立柱、底部边梁和轮罩加强梁等组成。

2.2前后围骨架设计前后围骨架必须要充分考虑到风窗玻璃的安装问题，最好与玻璃要有足够的贴合度，便于车窗的定位。而且由于前围的造型曲面比较丰富，因此其骨架结构也会比较复杂。可利用客车表面蒙皮前围和侧围的交线为中心，扫略出前后围骨架、左右立柱等形状复杂的曲线。此外还要考虑到前后保险杠、前后灯具等部件的安装。此次设计前围骨架立柱两根，后围骨架立柱四根，前围横梁设置三根。因前后围骨架受力较小，结构简单可靠即可，如图2所示。

2.3顶骨架设计顶骨架由顶部贯穿纵梁、横梁、前后拱顶支撑梁等组成。有承受车顶负荷（如空调、行李架等）；连接侧围、前后围，使整车成为一个封闭舱体；承受客车在运行中产生的部分弯曲、扭转载荷等作用。为满足整车轻量化的要求，顶部横纵梁在满足结构强度的前提下应尽量减少。此外还需留出顶窗的空间，并用加强梁围出顶窗的边框，保证车辆的安全性要求[3]。设计了四根纵梁、六根横梁、前后各四根拱顶支撑梁和左右边框纵梁，如图3所示。

2.4底架地板设计底架地板主要承载乘客和行李等竖直方向的载荷，是车身重要的承重部分。设有乘客区地板和行李舱底架两层，在车前方还设有220mm和205mm的两级踏步高度。而且车身底架中部的两大纵梁是结构受力的关键部位，所以要加大横截面尺寸来保证结构刚度[4]，如图4所示。

3车身骨架有限元分析

客车整车结构比较庞大，不适合选择过小的单元尺寸，出于对精度的考虑，采用了15mm的单元尺寸对整车模型进行划分。由于客车骨架多为形状规则的矩形截面骨架型材，故只需对部分可见的形状不好的网格进行拓扑改进，为进一步的计算求解打下基础。最后需要对各部件之间做焊接处理。由于要简化模型操作，所以全部的焊接被处理为刚性连接，如图5所示。客车整车有限元模型总部件数313个，总单元数353374个，节点数349239个。其模型材料参数为16Mn，弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度7.8×10-9t/mm3。

3.1客车骨架模态分析因客车车身结构要有足够的结构强度来保证其使用和承载要求。低阶模态的频率能够反映出客车车身骨架的刚度，一般频率越高，车身骨架的刚度也越大。其次，客车骨架应具备合理的模态特性，以避免与客车发动机频率产生共振，提高客车的安全性和舒适性[5]。还可以分析客车车身的刚度和阻尼特性，为车身结构的分析计算、改进等提供依据，如图6所示。用LS-DYNA求解器对客车骨架进行模态分析，提取了前6阶模态频率值，如表3和图6所示。车辆产生共振的原因有很多。路面不平和车轮不平衡引起的振动；发动机怠速下引起的振动；传动轴引起的载荷振动等。车速大约在85km/h时，车轮引起的振动一般低于11Hz；客车发动机转速在750r/min怠速下，激振频率在35Hz左右。由表3可看出应注一阶弯曲和一阶轴向扭转的频率相差了3Hz以上，可以避免二者频率互相耦合。客车低阶模态频率集中在10Hz～25Hz之间，能够有效降低整体共振现象的发生概率。

3.2客车骨架强度分析

3.2.1弯曲工况弯曲工况为模拟客车在平直路面上满载时的受力状态。设车轮处骨架上圆周加强梁上最高一根杆为车轮悬置位置，将客车前后共四轮设为固定约束。设底架两轮之间的加强横梁与纵向梁的交点处作为车身承载的施力位置，每一处加载1000N的力，全车共加载为1.6×104。按上述约束方式及加载方式，将结果显示放大200倍，得到的计算结果如图7所示。根据图6可以看出在底架处的骨架发生了最大的变形，故可用车身底架的最大垂直挠度来描述车身的刚度。在底架纵梁上从前到后均匀选取23个点的位移值，绘制底架挠度变化曲线。从图8中可看出，弯曲工况下，底架的中部挠度较大，而前后悬处和骨架前后的变形较小。客车的弯曲刚度可以近似通过客车弯曲载荷与最大挠度的比值来衡量，如公式(1)所示：

3.2.2扭转工况扭转工况为模拟客车在通过不平整路面时车身扭转的受力状态。设车轮处骨架上的圆周加强梁上最高的一根杆为车轮悬置位置，将客车后两轮设为固定约束。客车两前轮的对应横梁的中点为受力位置，左侧车轮加载向上1000N的力，右侧加载向下1000N的力，计算结果如图9所示。客车行驶在不平整的路面上时，将存在左右不对称的载荷作用在车身上，所以车身必须要有一定的扭转刚度。其中扭转角是车身结构扭转刚度的重要评价指标。本设计悬前部左右两轮并各施加1000N的作用力，扭转角的计算公式如下列所示：测得客车两加载点之间距离为1135mm，最终计算出客车车身载荷为1134N•m，将上述结果代入公式，得到车身扭转刚度为6.517×104N•m/deg。

4结论

参考CA6860CQ2型客车和相关国家法规，以33+1座城间客车为设计对象进行，进行主要参数的设计：进行车身侧围，前后围，项骨架，底架底板的主要骨架的设计，并利用HyperMesh软件对生成的车身骨架进行了车身骨架有限元分析的前期处理工作，最后用LS-DYNA软件对生成的车身骨架的力学性能进行求解，并对整车骨架进行简单的模态分析和弯曲扭转两种工况下的静力学分析。

作者：曲敬贤 陈海峰 王晶 单位：陕西科技大学 机电工程学院