某全鋁城市客車頂蓋與側圍連接結構比較分析

胡國強，徐志強，呂宗寧，夏德偉，何洪威

（忠旺鋁業(yè)有限公司產(chǎn)品設計與應用研究所，北京100102）

0 前言

近年來，汽車工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，汽車已成為世界能源消耗和污染物排放的主要來源。汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，對汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。實現(xiàn)汽車的輕量化還可以改善汽車的操作穩(wěn)定性、裝備動力性、行駛安全性以及乘坐舒適性等［1-3］。研究數(shù)據(jù)表明，汽車每減重其總質量的10%，油耗可降低6%，二氧化碳排放降低5%，汽車加速度時間減少8%，輪胎壽命延長7%。

鋁合金材料具有較高的比強度和很好的擠壓性，經(jīng)加工能夠得到滿足剛性及強度的復雜截面構件，大大降低了材料的消耗及構件的質量。因此，鋁合金型材在汽車輕量化中得到了廣泛的應用［4-5］。

目前，鋁制客車已經(jīng)在國內外汽車市場嶄露頭角，本文所述的全鋁客車為“全鋁車身+鋼制車架”結構，重點介紹了其頂蓋與側圍的鉚接、螺接、螺鉚這3種連接結構的應用，并從性能分析、輕量化效果、安裝工藝等三個方面進行了比較，為全鋁客車車身設計提供參考。

1 頂蓋與側圍連接結構

在車身其他部分保持不變的前提下，本文提出了頂蓋與側圍連接的三種不同連接方式：鉚接結構、螺接結構及螺鉚結構。

1.1 鉚接結構

圖1為頂蓋與側圍連接鉚接結構，通過鉚釘及鋼板將頂蓋邊梁及側圍上橫梁進行連接。頂蓋邊梁為異型管材，集成了玻璃止口、流水槽、蒙皮弧面、連接鋼板止口及鉆孔定位的功能。側圍上橫梁亦為異型管材，垂向尺寸大，集成了風道支架固定、連接鋼板止口及鉆孔定位功能。該連接結構中，側圍上橫梁貫穿整車長度，加上大量連接鋼板的使用，車身重量明顯增加。

圖1 鉚接結構

1.2 螺接結構

圖2為頂蓋與側圍連接螺接結構，通過T型螺栓將頂蓋邊梁與側圍上橫梁進行連接。頂蓋邊梁增設滑槽，實現(xiàn)T型螺栓的裝入和滑動。側圍上橫梁為一體化擠壓型材，在連接位置加工出矩形孔，用于T型螺栓的定位和緊固。

圖2 螺接結構

1.3 螺鉚結合方式

圖3所示為頂蓋與側圍連接螺鉚結構。該結構采用鑄件角鋁將頂蓋橫梁與側圍立柱連接，上端通過T型螺栓固定，側端通過鉚釘固定。此結構取消了側圍上橫梁，有利于實現(xiàn)減重。

圖3 螺鉚結構

2 有限元模型建立

2.1 模型處理

以頂蓋與側圍連接鉚接結構為例，在靜態(tài)應力分析時，對整車進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示?？蛙囓嚿砉羌艽蟛糠譃楸”诩?，采用殼單元建模，以四邊形為主，三角形為輔［6-8］，模型生成1 694 209個節(jié)點和233萬個網(wǎng)格。

圖4 頂蓋與側圍連接鉚接結構全鋁客車有限元模型

2.2 骨架材料

車身骨架由前圍、后圍、左側圍、右側圍、頂蓋組成。車身材料為鋁合金，車架材料為鋼，具體參數(shù)見表1。

表1 車身骨架材料屬性

2.3 載荷施加

不同載荷按照質心位置或者均勻分布的方式施加在車體相應的受力結構件上，主要載荷質量如表2所示。

表2 整車主要載荷質量

3 有限元結果分析

客車各工況仿真模擬中，扭轉工況條件下各結構的受力均處于較高水平。在扭轉工況下，動載荷變化非常緩慢，可近似為靜載荷［9-10］。本次設定安全系數(shù)為1.5，并選取扭轉工況中最惡劣的左后輪懸空及右后輪懸空兩種工況進行分析。

3.1 車身強度

在左后輪懸空或右后輪懸空兩種工況下，車身最大應力及最大位移如圖5所示。其中，頂蓋與側圍連接螺接結構的車身應力最大，位于側圍上橫梁加工的矩形孔處，最大應力為190.9 MPa，遠遠小于鋁合金材料的屈服強度，滿足設計要求；采用螺鉚結構的鋁車身位移最大，位于車的右后部，最大位移值為34.15 mm，滿足整車變形量要求。

圖5 頂蓋與側圍不同連接結構扭轉工況車身最大應力及最大位移

3.2 扭轉剛度

扭轉剛度的大小能夠體現(xiàn)整車結構抵抗變形的能力，對車身其它性能如強度、疲勞耐久性等也有很大影響［11-12］。選取頂蓋與側圍連接為螺接結構的整車為例，約束左后輪和右后輪，并分別對左、右前輪分別施加豎直向上與向下大小為1 000 N的載荷。經(jīng)計算，兩個加載點Z向的位移差為0.5594 mm，如圖6所示。

圖6 鉚接結構整車扭轉變形圖

本客車輪距為1 346 mm，扭轉剛度的計算公式如公式（1）所示：

式中：GT為扭轉剛度，L為力偶距，F(xiàn)為載荷，h為加載點Z向位移差。

根據(jù)公式（1）的計算，螺接結構的整車扭轉剛度為53 900 N·m/（°）。同理得到，鉚接結構及螺鉚結構的整車扭轉剛度分別為56 500 N·m/（°）、48 900 N·m/（°）。三種連接結構的扭轉剛度均高于行業(yè)水平，性能優(yōu)異。

4 輕量化效果

頂蓋與側圍連接形式分別為鉚接結構、螺接結構、螺鉚結構的鋁車身重量如表2所示。由表2可見，鉚接結構的車身重量最大，螺接結構次之，螺鉚結構的車身重量最小。與鉚接結構相比，螺鉚結構的鋁車身重量減少125 kg，減重比例達到13%，輕量化效果明顯。在推廣新能源客車輕量化的今天，減重降本一直是其研發(fā)方向并使其市場化的重要手段。由本文分析可見，螺鉚結構的鋁車身客車在減重方面有著較為明顯的效果。

表2 頂蓋與側圍三種連接結構的鋁車身比較

5 合裝工藝比較

客車鋁車身由前圍、后圍、頂蓋、左側圍、右側圍五大片骨架組成，為方便生產(chǎn)及運輸，分片骨架通常單獨裝配，再到主機廠完成五大片骨架與車架的合裝。籍此，頂蓋與側圍不同的連接結構導致了合裝工藝的差異。

鉚接結構使用鉚釘通過鋼板將頂蓋骨架與側圍骨架連接。考慮到安裝孔較多，頂蓋邊梁上的孔須提前機加出來。為保證配合精度，側圍上橫梁的安裝孔在合裝現(xiàn)場進行配鉆。鉚釘為非標件，故要使用專用的工具鉚接，這樣安裝速度才快。但即便如此，配鉆工作量仍然很大，合裝效率低。

螺接結構使用T型螺栓將頂蓋骨架與側圍骨架連接。合裝過程中，先將頂蓋骨架吊至側圍骨架正上方，保持一定的垂向距離。T型螺栓按數(shù)量從頂蓋邊梁的一端放入滑槽內，通過調節(jié)位置，T型螺栓與側圍上橫梁的安裝孔一一對應，落下頂蓋骨架，依次安裝墊片、螺栓，打扭矩緊固。面對一輛車少則幾十多則過百的T型螺栓，耗費時間長，一旦損壞，須將整個頂蓋骨架吊起，進行重新調節(jié)、布置，維修性差。

螺鉚結構使用T型螺栓和鉚釘通過鑄件角鋁將頂蓋骨架與側圍骨架連接。在頂蓋邊梁滑槽部分機加工適當數(shù)量的安裝孔，用以T型螺栓滑入和取下，避免了螺接方式中T型螺栓必須從一端放入且不易更換的弊端。同時，T型螺栓與鑄件角鋁進行預連接，通過移動鑄件角鋁，實現(xiàn)頂蓋與側圍的連接定位，大大縮短了螺接結構中T型螺栓調節(jié)、對位的時間。另外，螺鉚結構的連接孔數(shù)量較鉚接結構減少了一半，使現(xiàn)場配鉆時間大幅減小，生產(chǎn)效率至少提升50%。

6 結論

從某全鋁客車頂蓋與側圍連接所用鉚接結構、螺接結構和螺鉚結構這3種連接方式的有限元分析結果可知，上述結構的剛度、強度均滿足設計要求。其中螺鉚結構的鋁車身輕量化效果最好，較鉚接結構、螺接結構減重比例分別提高2.6%和13%。通過合裝現(xiàn)場工藝比較，螺鉚結構操作簡便，生產(chǎn)效率高。綜上所述，螺鉚結構對全鋁客車車身設計發(fā)展具有一定的參考價值。