前置发动机气簧悬架中型客车的桁架式底架设计

苗小锋， 陈 啸

(金龙联合汽车工业(苏州)有限公司， 江苏 苏州 215000)

目前，国内客车车架桁架化的只有发动机后置车型；发动机前置车型只有大梁式车架，还未实现桁架化车架设计。大梁式车架存在布置空间小，结构受限制较大，且整车开发周期长和成本较高等缺点。为解决大梁式车架存在的缺点，同时保证横向刚度，我司开发了一款中型客车KLQ6759DF前置发动机气簧悬架桁架式车架。此桁架式车架采用模块化设计，底架由方钢搭接而成，形式可变化多样；底架和车身骨架采用半承载式扣合焊接而成，方便各部件安装，省去了开发模具的环节，大幅度节省了开发成本。

1 桁架式底架结构设计

KLQ6759DF车型底架的设计遵循模块化原则[1-2]，底架总体结构采用高强钢材料，局部采用普通钢材质；底架分成多个完整截面，增加车架横向刚度；截面上方与车身底架方钢搭接，车身底架再和车身骨架搭接。底盘底架与车身底架、车身骨架通过焊接连接在一起，共同承受载荷。桁架式底架结构相较于大梁式车架而言，空间利用更加灵活和高效。 KLQ6759DF车型的桁架式底架由两大模块组成：前段模块和后段模块。

1.1 前段桁架模块设计

桁架式底架前段模块是由左右大梁、双拱型梁、加强连接板、元宝梁、横推梁等部件组成，如图1所示。

图1 前段模块

前悬架气囊内侧左右大梁采用两根方钢拼接的结构，在保证前轮跳动极限下，截面高度达到最大100 mm，且外侧塞焊连接板加强。左右气囊安装结构采用双拱型梁结构，即两个形状相同的拱型梁通过中间5根方钢连接为一个整体，为气囊底座和减振器支座搭建安装平面。双拱型梁结构与外伸横梁通过焊接连接，连接处采用塞焊板加强，保证连接刚度和强度。外伸梁与左右大梁连接，下方均有斜撑支撑，且外伸梁根部连接处通过塞焊连接板加强。这种结构的优点是为气囊的安装让出比较大的空间，而且又满足轮胎跳动需要的空间[3]，缺点是占用了车内一部分空间。

前段模块需要布置发动机、水箱、变速器等，如果采用大梁式大间距的横梁布置方式，则横向的刚度将无法保证。为解决这一难题，设计四段横梁连接结构，即前贯通横梁、横推梁、元宝梁、后横梁。横推梁和元宝梁向下弯曲设计，完全避开了发动机安装。此四段横梁结构确保了横向强度与刚度满足实际要求[4]。并且，扣合车身时，车身底架在贯通横梁、双拱型梁、元宝梁处外伸梁、后截面处都有横梁搭接，扣合后焊接，与车身连接为一个整体，底架与车身骨架共同承受载荷，从力学角度看，此结构形成了封闭的“应力流”，有利于提高整车的结构强度及刚度[5-7]。

1.2 后段桁架模块设计

底架后段模块如图2所示，主要布置后气簧悬架、驱动后桥、传动轴、后处理部件、燃油箱、制动系统部件、备胎及备胎升降机构等底盘零部件。出于结构强度考虑，底架后段模块采用纵向贯通直梁与多个封闭环横向截面结构及斜撑加强件焊接，此种连接方式符合“应力流”走向[8-9]。后驱动桥位置在保证上跳极限的工况下采用最大规格80 mm×40 mm方钢叠加，纵向截面达到了120 mm，且在侧面塞焊连接板进一步加强强度。

图2 后段模块

底架后段模块重点在于传动轴通道处“半开放式C型活动梁”结构和“分体式悬架推力杆支座”结构的设计。

为避让传动轴，设计为3个半开放式C型活动梁结构，将原来的横梁下沉，变为C型梁结构，和左右大梁采用螺栓连接，设计成半开放式结构。3段C型梁截面处分别增加了斜撑，进一步提高了截面强度，这种结构的优点是既保证了横截面的完整性，又满足了在拆装传动轴时的方便性。

由于传动轴的位置限制了悬架推力杆结构无法使用贯通横梁结构，所以采用了分体式悬架推力杆支座的设计，即左右分开不贯通，通过支座底面和侧面连接到左右侧面，将推力杆传递来的力散开到左右两个侧面。推力杆支座采用了6 mm的钢板，侧面和下面均有加强筋支撑，且推力杆支座侧面和下翼面设计有多个塞焊孔，和底架方钢焊接相连，以保证良好的连接强度和刚度。

2 整车骨架强度CAE分析

根据KLQ6759DF车型的结构设计建立有限元模型，车身骨架采用壳单元，网格基本尺寸为12 mm；空气悬架、前后车桥、车轮结构、发动机悬置软垫等采用梁单元模拟，基本尺寸100 mm。分析弯曲、转向、制动和依次抬起左前轮、右前轮、左后轮和右后轮等工况[10]。各工况的约束与加载设置见表1。

表1 各工况的约束与加载设置

通过上述工况的CAE分析得到相应工况下整车骨架的应力和应变云图，由应力和应变云图得出各工况下的最大应力和最大形变均未超过材料的安全阈值，骨架结构满足强度和刚度要求，达到设计目标。

3 结束语

本文主要介绍了KLQ6759DF 前置发动机气簧悬架车型底盘的桁架式底架结构的设计方法，为前置发动机、气簧悬架中型客车的桁架式底架的设计提供了思路。