基于高强钢材料的10米全承载客车轻量化设计

王秋林，牛寅中，何洪军，郭新宇，毛爱华，熊晓清，高健

（中国第一汽车股份有限公司解放事业本部商用车开发院，吉林 长春 130011）

前言

随着汽车行业迅猛发展，节能和环保问题已成为世界各国共同关注的重要课题，而轻量化对降低车辆排放及节约能源具有显著贡献，轻量化设计已成为当今各厂商的主要研究方向[1-2]。

轻量化在降低车身质量的同时，也会引起车身刚度下降等问题，低刚度必然降低车身固有频率，进而发生结构共振和噪声，影响舒适性，因此，实现车身轻量化必须以满足车身刚度为前提[3-4]。

本文根据高强钢QSTE700TM的材料特性，将其应用到10米全承载客车骨架中，并通过有限元手段对该车骨架刚度和强度进行分析，同时提出相应改进方案。最后，通过实车台架试验进一步验证轻量化设计的可行性。

1 QSTE700TM(700L)材料介绍

1.1 力学性能

表1为高强钢700L与客车骨架常用材料Q235和Q345的力学性能对比[5]，由表可知：700L屈服极限和断裂极限均高于Q235和Q345，其力学性能优于客车骨架常用材料。

表1 材料性能对比

1.2 成形性能

图1和图2为Q345和700L矩管弯曲成形示意图，对比可知：700L在大曲率的弯管过程易出险开裂现象，弯曲成形性能弱于Q345和Q235。如果采用棍压工艺可适当改善弯曲成形性能，但弯曲角度受截面尺寸影响，需试验验证，目前仅限于二维弯曲。

图1 Q345矩管弯曲成形

图2 700L矩管弯曲成形

1.3 焊接性能

700L碳当量为CE=0.426%，材料焊接性良好，焊接前不需要预热。图3和图4为本企业700L矩管角接和对接焊缝样品检测图，其焊角、熔深以及焊缝厚度尺寸等均满足焊接质量要求。

图3 角接焊缝

图4 对接焊缝

1.4 替换原则

客车骨架由不同截面的矩管焊接而成。高强钢700L的矩管最小规格为 40×30×1.5,客车骨架常用矩管最小规格为20×10×1.5。研究表明：在同一轮廓下，高强钢替代普通钢厚度减薄计算公式如下[6]：

式中：t为零件壁厚；σ为屈服极限。

通过公式（1）计算，700L替换Q345减薄系数为1.424，700L替换Q235减薄系数为1.726。

综上，客车骨架应用高强钢材料的原则如下：

1）大曲率弯管不考虑替换；

2）规格小于40×30×1.5的矩管不替换；

3）壁厚1.5mm的不替换；

4）Q235壁厚2mm替换为1.5mm，壁厚3mm替换为2mm；

5）Q345壁厚3mm替换为2mm或2.5mm，壁厚4mm替换为2.5mm或3mm；

6）尽量替换厂家已有规格，减少模具开发费用；

7）承载区因结构刚度应综合考虑。

2 轻量化设计

10米全承载客车骨架轻量化是在现有成熟车型基础上设计的，为控制模具开发费用及人力资源，该车的内外饰、附件及动力系统等均未发生变化。

2.1 车体骨架设计

图5为车体骨架示意图，原材料为Q235和Q345。封闭环是客车抵抗侧翻变形的主要载体[7]，为满足侧翻性能，其矩管规格一般选取较大，是替换高强度材料的主要区域。

图5 车体骨架

前、后围骨架：左、右立柱替换700L，壁厚2.5mm，其余梁由于规格过小或曲率较大、成形难，不替换。

顶盖骨架：顶盖边纵梁替换700L，壁厚2.5mm；顶盖弧形梁由于端部曲率较大，不替换；其余梁壁厚为 1.5mm，不替换。

侧围骨架：立柱替换700L，壁厚2.5mm；斜撑和裙边梁壁厚1.5mm，不替换；窗下梁和腰梁需新开模具，不替换。

地板骨架和底架连接梁：横梁替换700L，壁厚2.5mm，其余梁需新开模具，不替换。

2.2 底架骨架设计

底架是主要承载总成，与前、后桥及动力系统具有直接关联关系[8]，底架高强钢替换应考虑结构的局部刚度，其结构形式及矩管截面大小应适当优化。

图6 底架骨架

图6为底架骨架示意图，原材料为Q345。底架中部为无斜撑框架结构，抗变形能力较差；前、后桥安装处结构需承受地面冲击力，应保证局部刚度和强度；后悬结构是动力系统的安装区域，还会受到传动系统的较大扭矩，应保证刚度减少震动；以上区域除过道地板支撑梁壁厚 1.5mm，不替换外；其余纵梁替换700L，壁厚2.5mm，截面尺寸在车身坐标系中Z向增加10mm，Y向缩小10mm；立柱替换700L，壁厚2.5mm，截面尺寸X向增加10mm，Y向缩小10mm；横梁替换700L，壁厚2.5mm，截面尺寸Z向增加10mm，X向缩小10mm；斜撑替换700L，壁厚2.5mm，其截面尺寸根据区域断面调整。前悬结构根据厂家已有规格相应减薄替换。

2.3 整车结构优化

静刚度直接关系到模态、强度、碰撞安全等性能,是客车结构设计的重要指标[9]。

客车骨架壁厚的减薄必然会引起整车刚度下降，为保证客车刚度，有必要对整车结构进一步优化。由于客车前围、后围、侧围和顶盖受客车玻璃，舱门和内饰等边界条件影响较大，以上结构优化空间有限，故对地板和底架总成进一步优化。优化方案如图9所示，将地板和底架上部结构中的地板支撑纵梁改为斜撑布置，规格不变[10]。

图7 优化方案对比

3 轻量化验证

3.1 刚度分析

根据企业以往开发经验，客车静态刚度评价主要以考察扭转刚度为主。

图8 整车扭转变形图

图8为有限元计算的整车扭转变形，通过等截面直杆的经典扭转理论，计算得到的

客车扭转刚度值如表2所示，与普通钢客车相比，优化前高强钢客车下降 21%；优化后高强钢客车提高 1%，满足设计要求。

表2 高强钢和普通钢客车扭转刚度对比

3.2 强度分析

为考察高强钢客车骨架强度，模拟弯曲、制动、左转弯和右转弯四个极限工况，计算整车应力云图如图9所示。

图9 整车极限工况应力云图

根据仿真结果可知：各工况中客车骨架各部件最大应力均小于自身材料屈服应力，其极限强度满足设计要求。

3.3 MTS台架试验

汽车强化试验是考核汽车可靠性的基本试验方案，是在强化路面上进行寿命试验。本文通过采集路面载荷谱数据，然后在试验台上模拟整车的强化试验，具体见图10，试验结果表明：整车骨架未出现开裂现象，满足使用要求。

图10 台架试验

3.4 轻量化效果

10m全承载客车骨架采用高强钢 700L材料，实现降重357kg，占原结构12%。

4 结束语

高强钢是客车结构轻量化关键材料，对客车结构发展具有至关重要的作用。本文介绍了高强钢700L材料特性及其客车骨架的应用方法，并通过700L材料对10米全承载客车进行轻量化设计，在保证客车骨架刚度和强度基础上，实现降重357kg，即12%。

静刚度是评价客车结构性能的一项关键指标。本文提出的优化方案可大幅提高客车扭转刚度，并且通过CAE计算客车刚度,可在产品开发过程中实施,且费用低、重复性好，对客车结构设计具有指导作用。