基于高強(qiáng)鋼材料的10米全承載客車輕量化設(shè)計(jì)

王秋林，牛寅中，何洪軍，郭新宇，毛愛華，熊曉清，高健

（中國(guó)第一汽車股份有限公司解放事業(yè)本部商用車開發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

前言

隨著汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保問題已成為世界各國(guó)共同關(guān)注的重要課題，而輕量化對(duì)降低車輛排放及節(jié)約能源具有顯著貢獻(xiàn)，輕量化設(shè)計(jì)已成為當(dāng)今各廠商的主要研究方向[1-2]。

輕量化在降低車身質(zhì)量的同時(shí)，也會(huì)引起車身剛度下降等問題，低剛度必然降低車身固有頻率，進(jìn)而發(fā)生結(jié)構(gòu)共振和噪聲，影響舒適性，因此，實(shí)現(xiàn)車身輕量化必須以滿足車身剛度為前提[3-4]。

本文根據(jù)高強(qiáng)鋼QSTE700TM的材料特性，將其應(yīng)用到10米全承載客車骨架中，并通過(guò)有限元手段對(duì)該車骨架剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析，同時(shí)提出相應(yīng)改進(jìn)方案。最后，通過(guò)實(shí)車臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的可行性。

1 QSTE700TM(700L)材料介紹

1.1 力學(xué)性能

表1為高強(qiáng)鋼700L與客車骨架常用材料Q235和Q345的力學(xué)性能對(duì)比[5]，由表可知：700L屈服極限和斷裂極限均高于Q235和Q345，其力學(xué)性能優(yōu)于客車骨架常用材料。

表1 材料性能對(duì)比

1.2 成形性能

圖1和圖2為Q345和700L矩管彎曲成形示意圖，對(duì)比可知：700L在大曲率的彎管過(guò)程易出險(xiǎn)開裂現(xiàn)象，彎曲成形性能弱于Q345和Q235。如果采用棍壓工藝可適當(dāng)改善彎曲成形性能，但彎曲角度受截面尺寸影響，需試驗(yàn)驗(yàn)證，目前僅限于二維彎曲。

圖1 Q345矩管彎曲成形

圖2 700L矩管彎曲成形

1.3 焊接性能

700L碳當(dāng)量為CE=0.426%，材料焊接性良好，焊接前不需要預(yù)熱。圖3和圖4為本企業(yè)700L矩管角接和對(duì)接焊縫樣品檢測(cè)圖，其焊角、熔深以及焊縫厚度尺寸等均滿足焊接質(zhì)量要求。

圖3 角接焊縫

圖4 對(duì)接焊縫

1.4 替換原則

客車骨架由不同截面的矩管焊接而成。高強(qiáng)鋼700L的矩管最小規(guī)格為 40×30×1.5,客車骨架常用矩管最小規(guī)格為20×10×1.5。研究表明：在同一輪廓下，高強(qiáng)鋼替代普通鋼厚度減薄計(jì)算公式如下[6]：

式中：t為零件壁厚；σ為屈服極限。

通過(guò)公式（1）計(jì)算，700L替換Q345減薄系數(shù)為1.424，700L替換Q235減薄系數(shù)為1.726。

綜上，客車骨架應(yīng)用高強(qiáng)鋼材料的原則如下：

1）大曲率彎管不考慮替換；

2）規(guī)格小于40×30×1.5的矩管不替換；

3）壁厚1.5mm的不替換；

4）Q235壁厚2mm替換為1.5mm，壁厚3mm替換為2mm；

5）Q345壁厚3mm替換為2mm或2.5mm，壁厚4mm替換為2.5mm或3mm；

6）盡量替換廠家已有規(guī)格，減少模具開發(fā)費(fèi)用；

7）承載區(qū)因結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)綜合考慮。

2 輕量化設(shè)計(jì)

10米全承載客車骨架輕量化是在現(xiàn)有成熟車型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，為控制模具開發(fā)費(fèi)用及人力資源，該車的內(nèi)外飾、附件及動(dòng)力系統(tǒng)等均未發(fā)生變化。

2.1 車體骨架設(shè)計(jì)

圖5為車體骨架示意圖，原材料為Q235和Q345。封閉環(huán)是客車抵抗側(cè)翻變形的主要載體[7]，為滿足側(cè)翻性能，其矩管規(guī)格一般選取較大，是替換高強(qiáng)度材料的主要區(qū)域。

圖5 車體骨架

前、后圍骨架：左、右立柱替換700L，壁厚2.5mm，其余梁由于規(guī)格過(guò)小或曲率較大、成形難，不替換。

頂蓋骨架：頂蓋邊縱梁替換700L，壁厚2.5mm；頂蓋弧形梁由于端部曲率較大，不替換；其余梁壁厚為 1.5mm，不替換。

側(cè)圍骨架：立柱替換700L，壁厚2.5mm；斜撐和裙邊梁壁厚1.5mm，不替換；窗下梁和腰梁需新開模具，不替換。

地板骨架和底架連接梁：橫梁替換700L，壁厚2.5mm，其余梁需新開模具，不替換。

2.2 底架骨架設(shè)計(jì)

底架是主要承載總成，與前、后橋及動(dòng)力系統(tǒng)具有直接關(guān)聯(lián)關(guān)系[8]，底架高強(qiáng)鋼替換應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的局部剛度，其結(jié)構(gòu)形式及矩管截面大小應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化。

圖6 底架骨架

圖6為底架骨架示意圖，原材料為Q345。底架中部為無(wú)斜撐框架結(jié)構(gòu)，抗變形能力較差；前、后橋安裝處結(jié)構(gòu)需承受地面沖擊力，應(yīng)保證局部剛度和強(qiáng)度；后懸結(jié)構(gòu)是動(dòng)力系統(tǒng)的安裝區(qū)域，還會(huì)受到傳動(dòng)系統(tǒng)的較大扭矩，應(yīng)保證剛度減少震動(dòng)；以上區(qū)域除過(guò)道地板支撐梁壁厚 1.5mm，不替換外；其余縱梁替換700L，壁厚2.5mm，截面尺寸在車身坐標(biāo)系中Z向增加10mm，Y向縮小10mm；立柱替換700L，壁厚2.5mm，截面尺寸X向增加10mm，Y向縮小10mm；橫梁替換700L，壁厚2.5mm，截面尺寸Z向增加10mm，X向縮小10mm；斜撐替換700L，壁厚2.5mm，其截面尺寸根據(jù)區(qū)域斷面調(diào)整。前懸結(jié)構(gòu)根據(jù)廠家已有規(guī)格相應(yīng)減薄替換。

2.3 整車結(jié)構(gòu)優(yōu)化

靜剛度直接關(guān)系到模態(tài)、強(qiáng)度、碰撞安全等性能,是客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[9]。

客車骨架壁厚的減薄必然會(huì)引起整車剛度下降，為保證客車剛度，有必要對(duì)整車結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。由于客車前圍、后圍、側(cè)圍和頂蓋受客車玻璃，艙門和內(nèi)飾等邊界條件影響較大，以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間有限，故對(duì)地板和底架總成進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化方案如圖9所示，將地板和底架上部結(jié)構(gòu)中的地板支撐縱梁改為斜撐布置，規(guī)格不變[10]。

圖7 優(yōu)化方案對(duì)比

3 輕量化驗(yàn)證

3.1 剛度分析

根據(jù)企業(yè)以往開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，客車靜態(tài)剛度評(píng)價(jià)主要以考察扭轉(zhuǎn)剛度為主。

圖8 整車扭轉(zhuǎn)變形圖

圖8為有限元計(jì)算的整車扭轉(zhuǎn)變形，通過(guò)等截面直桿的經(jīng)典扭轉(zhuǎn)理論，計(jì)算得到的

客車扭轉(zhuǎn)剛度值如表2所示，與普通鋼客車相比，優(yōu)化前高強(qiáng)鋼客車下降 21%；優(yōu)化后高強(qiáng)鋼客車提高 1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 高強(qiáng)鋼和普通鋼客車扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)比

3.2 強(qiáng)度分析

為考察高強(qiáng)鋼客車骨架強(qiáng)度，模擬彎曲、制動(dòng)、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎四個(gè)極限工況，計(jì)算整車應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 整車極限工況應(yīng)力云圖

根據(jù)仿真結(jié)果可知：各工況中客車骨架各部件最大應(yīng)力均小于自身材料屈服應(yīng)力，其極限強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 MTS臺(tái)架試驗(yàn)

汽車強(qiáng)化試驗(yàn)是考核汽車可靠性的基本試驗(yàn)方案，是在強(qiáng)化路面上進(jìn)行壽命試驗(yàn)。本文通過(guò)采集路面載荷譜數(shù)據(jù)，然后在試驗(yàn)臺(tái)上模擬整車的強(qiáng)化試驗(yàn)，具體見圖10，試驗(yàn)結(jié)果表明：整車骨架未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，滿足使用要求。

圖10 臺(tái)架試驗(yàn)

3.4 輕量化效果

10m全承載客車骨架采用高強(qiáng)鋼 700L材料，實(shí)現(xiàn)降重357kg，占原結(jié)構(gòu)12%。

4 結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)鋼是客車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵材料，對(duì)客車結(jié)構(gòu)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。本文介紹了高強(qiáng)鋼700L材料特性及其客車骨架的應(yīng)用方法，并通過(guò)700L材料對(duì)10米全承載客車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證客車骨架剛度和強(qiáng)度基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)降重357kg，即12%。

靜剛度是評(píng)價(jià)客車結(jié)構(gòu)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。本文提出的優(yōu)化方案可大幅提高客車扭轉(zhuǎn)剛度，并且通過(guò)CAE計(jì)算客車剛度,可在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中實(shí)施,且費(fèi)用低、重復(fù)性好，對(duì)客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。