全承載鋁合金雙層車(chē)車(chē)身連接結(jié)構(gòu)分析

文/周劍喬（安徽安凱汽車(chē)股份有限公司）

為提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，推進(jìn)汽車(chē)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，各大汽車(chē)廠家已把車(chē)身輕量化作為節(jié)能減排的重要手段。而鋁合金材料由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、加工性能好等優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)中的優(yōu)選材料?？蛙?chē)尤其是雙層客車(chē)不能像小轎車(chē)一樣整車(chē)車(chē)身全部使用鋁合金材料，通常使用鋼鋁混合材料。鋼鋁材料混合車(chē)身結(jié)構(gòu)就是在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車(chē)身骨架中，將一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件和總成件用高強(qiáng)度鋼板和鋁合金材料替代，充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼板材在強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)和鋁合金板材在減重及吸能方面的優(yōu)勢(shì)。本文從輕量化和快速連接鋼鋁材料方面介紹我公司開(kāi)發(fā)的全承載雙層車(chē)鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)及鋁合金骨架與鋼材質(zhì)的底架的連接方式。該款雙層車(chē)前圍、后圍、側(cè)圍、頂蓋、二層骨架、樓梯骨架為鋁合金制成，底架由鋼材質(zhì)矩形管制成。

一、前、后圍骨架

前、后圍骨架對(duì)于保持整車(chē)橫向穩(wěn)定性，避免車(chē)身在車(chē)身寬度方向變形起著重要的作用。由于整車(chē)造型大多集中在前、后圍上，前、后骨架上的梁大多為不同曲率的彎梁，即前后骨架造型彎管較多、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但承受載荷相對(duì)較小，故前、后圍骨架內(nèi)各鋁合金型材之間采用焊接方式連接。

二、側(cè)圍、頂蓋、樓梯及第二層骨架

側(cè)圍、頂蓋、樓梯及第二層骨架均為鋁合金骨架，采用鉚接方式連接。鉚接連接工藝的優(yōu)勢(shì)是動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度高、撞擊能量吸收特性高。動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度高主要表現(xiàn)為連接質(zhì)量好，鉚接連接區(qū)域幾乎無(wú)集中應(yīng)力，整個(gè)連接過(guò)程主要依靠設(shè)備保證，不受人員操作影響，連接質(zhì)量可以得到明顯提高；撞擊能量吸收特性高是指鋁合金材質(zhì)本身具有特性線膨脹率高、延展性能高的特性，在意外發(fā)生撞擊時(shí)通過(guò)自身的延展性能較好地吸收瞬間傳來(lái)的能量。此外，鉚接時(shí)每個(gè)連接點(diǎn)都使用鉚釘固定，牢靠耐用，如果某一根損壞可以很方便地替換。同時(shí)鉚接不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，環(huán)保性能更好。前后圍、側(cè)圍、頂蓋、樓梯和第二層骨架的整體拼接圖如圖1 所示。

圖1 車(chē)身骨架整體拼接圖

三、底架總成

整車(chē)底架為傳統(tǒng)全承載鋼骨架，使用材料為Q345 和QSTE700 材料，全承載結(jié)構(gòu)底架的扭轉(zhuǎn)和彎曲的強(qiáng)度比普通的車(chē)身強(qiáng)很多。整體式承載在受到某一點(diǎn)的沖擊時(shí)能迅速分散受力，整個(gè)車(chē)身都吸收沖擊的能量。底架內(nèi)所有部件均采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，其優(yōu)點(diǎn)為生產(chǎn)效率高、焊接成本低、焊接變形小等，底架總成圖如圖2 所示。

圖2 底架總成圖

四、車(chē)身與底架的合拼

由于該款雙層車(chē)車(chē)身骨架均為鋁合金材料，底架總成為鋼骨架材料，兩種材料差異性較大，不能直接進(jìn)行焊接，需要通過(guò)加設(shè)鋼板來(lái)連接鋁合金車(chē)身骨架與底架牛腿。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，解決了全承載式全鋁車(chē)身與鋼底架總拼時(shí)材料差異性大、不易拼接的難題。

鋁合金車(chē)身骨架材料為6061-T6，底架牛腿和加設(shè)的鋼板材料為Q345，連接用的平頭鉚釘規(guī)格為GB70.3-M8×55。在鋁合金車(chē)身骨架上設(shè)預(yù)留孔位，鋼板通過(guò)穿過(guò)預(yù)留孔位的平頭鉚釘與螺母緊固在鋁合金車(chē)身骨架上，底架牛腿設(shè)置在鋁合金車(chē)身骨架的內(nèi)側(cè)并焊接在鋼板上。車(chē)身與底架合拼示意圖如圖3 所示。鋼板的厚度為5mm，比較適中，與底架牛腿焊接后不影響美觀；Q345 材料的強(qiáng)度、塑性和焊接性良好，保障了車(chē)身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3 車(chē)身與底架合拼示意圖

全承載雙層客車(chē)底架牛腿與車(chē)身連接點(diǎn)約為90 個(gè)，鋁合金車(chē)身骨架每個(gè)連接點(diǎn)均在鋁合金車(chē)身上鉚上鋼板，大約有80 個(gè)預(yù)埋鋼板。底架在設(shè)計(jì)時(shí)，牛腿處長(zhǎng)度縮短5mm，用以與鋁合金車(chē)身上預(yù)埋的鋼板相連接。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得鋁合金車(chē)身與底架合拼時(shí)連接方式與傳統(tǒng)鋼車(chē)身與鋼骨架連接工藝完全相同。

五、全承載鋁合金雙層車(chē)模態(tài)及強(qiáng)度分析

為驗(yàn)證該款鋁合金車(chē)身雙層車(chē)車(chē)身強(qiáng)度，對(duì)整車(chē)身進(jìn)行建模，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析和強(qiáng)度分析驗(yàn)證，整車(chē)骨架模型如圖4 所示。

圖4 整車(chē)骨架模型

模態(tài)分析。車(chē)身固有振型大致可分為兩類，一是車(chē)身整體振動(dòng)，二是以車(chē)身結(jié)構(gòu)部分振動(dòng)為主的局部振動(dòng)。三階的彈性模態(tài)頻率分布在3.3～4.7 Hz，以局部振動(dòng)為主的振型較多。從整體上看，該車(chē)的各階振型都比較平滑，沒(méi)有大的突變，車(chē)身激振頻率避開(kāi)這一固有頻率范圍，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象。一般鋁車(chē)身的一階模態(tài)頻率在3～3.5Hz，設(shè)計(jì)車(chē)型一階模態(tài)為3.3Hz，處于鋁車(chē)身的合理范圍。

強(qiáng)度分析。在各計(jì)算工況下，鋁車(chē)身應(yīng)力水平都在控制水平之內(nèi)，其中鉚釘和連接片之間的連接用剛性單元來(lái)連接，因?yàn)殂T釘作用時(shí)有夾緊力和摩擦力，負(fù)載時(shí)的應(yīng)力分布是非線性的。根據(jù)既往路試經(jīng)驗(yàn)及分析報(bào)告，車(chē)身結(jié)構(gòu)主要需要關(guān)注的點(diǎn)在骨架車(chē)門(mén)立柱上部和底架連接部位，該車(chē)的這兩類位置的應(yīng)力水平都在控制水平之內(nèi)。因此綜合判斷該車(chē)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著新能源汽車(chē)不斷推廣，客車(chē)鋁合金車(chē)身的開(kāi)發(fā)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，對(duì)于全承載鋁合金雙層車(chē)車(chē)身不同部位、不同材質(zhì)之間的連接方式以及技術(shù)工藝會(huì)越來(lái)越成熟。