客车车身结构及其设计

第5章客车车身结构及其设计5-1车身结构及其分类客车与轨道交通车辆是现代社会中运输旅客的主要交通工具。在我国，客车是指在设计和技术特性上用于载运乘客及其随身行李的商用车。由于其载客量大，占地面积小，在我国应用广泛。客车由发动机、底盘、车身和电器设备等几大部分构成。作为客车的重要组成部分，车身的设计越来越受到重视，客车车身主要由骨架结构和蒙皮结构两部分组成。在客车结构中，车身即是承载单元，又是功能单元。作为承载单元，由车身骨架与底架或车架（小型客车车身壳体与车架）组成的车身结构，在客车行驶中要承受多种载荷的作用。作为功能单元，车身应该为驾驶员提供便利的工作环境，为乘员提供舒适的乘坐环境，保护他们免受车辆行驶时产生的振动噪声和废气等的侵袭，以及外界恶劣天气的影响；同时在交通事故中，可靠的车身结构和乘员保护系统有助于减轻对乘员和行人造成的伤害；此外，合理的车身外部形状，以便客车行驶时能有效地引导周围的气流，提高车辆的动力性、燃油经济性和行驶稳定性，并改善发动机的冷却条件和车内通风。因此，客车车身对客车产品的设计制造有着十分重要的影响。5.1.1、客车车身定义GB37301-88在GB37301-88中，客车车身的定义为：具有长方形的车箱，主要用来装载乘员和随身行李。5.1.2、客车车身分类方法由于客车品种繁多，所以车身的分类形式也是多种多样的。常见的分类方法有按客车的用途、承载形式和车身结构进行分类。1、按用途分类按客车的用途可分为城市客车、长途客车、旅游客车和专用客车四类。（1）城市客车城市客车是为城市内公共交通运输而设计和装备的客车，如图5-1所示。这种车辆设有座椅及乘客站立的区域，由于乘客上下频繁，所以车厢内地板低、过道高、通道宽、座椅少、车门多，车窗大，并有足够的空间供频繁停站时乘客上下车走动使用。按运行特点，城市客车分为市区城市客车和城郊城市客车。为了满足大、中城市公共交通的需要及环保要求，城市客车正逐步向大型化、低地板化、环保化、高档化和造型现代化等方面发展。（2）长途客车长途客车又称公路客车，是为城间旅客运输而设计和装备的客车，如图5-2所示。由于旅客乘坐时间较长，这类客车必须保证每位乘客都有座位，不设供乘客站立的位置。为了有效利用车厢的面积，座椅布置比较密集，而且尽可能的提高座椅的舒适性，座椅质量都比较好。长途客车车厢地板高，地板一般设计成凹形，这样有利于提高车身的抗扭刚性，地板下面设有存放行李物品的行李舱。为了提高整个车身的刚度，这类客车的车门少，且多布置在前轴之前。对于高速公路上的快速客运车辆，要求具有更高的可靠性、行驶安全性、乘坐舒适性和高速行驶性能等。图5-1城市客车图5-2长途客车图5-3机场摆渡客车（3）旅游客车旅游客车是为旅游而设计和装备的客车，其与长途客车的设计原则基本相近，但在外观和舒适性等方面比长途客车好，车内设施及附件设备也更豪华和高档。为使观光方便，旅游客车的视野一般较开阔。中高档长途客车和城郊城市客车均可作为旅游线路客运车辆使用。（4）专用客车专用客车在其设计和技术特性上只适合于需经特殊布置设计后才能载运人员的车辆。这类客车与长途客车类似，但可无行李箱。一般有学校客车、机场摆渡客车、采血车和会议客车等款式。它们根据特定要求，按专门规定的设计标准和用途来制造。图5-3所示的是厦门金龙联合汽车工业有限公司的一款型号为XMQ6139B的机场摆渡车。2、按承载形式分按车身承载形式，客车车身结构可分为非承载式、半承载式和承载式三大类。非承载式和半承载式车身结构都是属于有车架式的，而承载式车身则属于无车架式的。从设计的角度看，这类分法是比较合理的。按承载形式对车身结构进行分类，表征了不同形式的车身结构的组成以及车身制造工艺过程中的差异。（1）非承载式客车车身非承载式车身（图5-4）是指在底盘车架上组装而成的车身结构形式。这类车的底盘有较强的车架，车身骨架是通过多个橡胶衬垫或弹簧沿车身总长安装在车架上的。车身骨架与车架弹性连接，安装在车架上的车身对车架的加固作用不大，车架是支承全车的基体，承受着安装在其上面的各个总成的各种载荷；车身只在很小程度上承受由车架弯曲和扭转所引起的载荷，所以严格说来，车身并非完全不承载。车架的振动通过弹性元件传到车身上，由于弹性元件的挠性作用，大部分来自路面的振动和冲击能被减弱或消除，在坏路行驶时可以对车身起到保护作用。在我国客车发展的初期，其车身通常由专业化车身厂家生产，然后安装在现成的货车底盘车架上。国内的轻型客车，其绝大部分都是这种非承载式车身壳体结构，一般是在货车三类底盘（包括一部分进口轻型货车底盘）或者在专用客车底盘上直接改装车身。该车身结构形式具有传统底盘-车身结构的优点：1）连接车身和车架的橡胶衬垫或弹簧可以起到一定的缓冲、隔振和降低噪声的作用，车厢内噪音低，缓冲隔振性能和乘坐舒适性较好；2）底盘与车身可以分开以后再组装成一体，便于生产装配及在同一底盘上安装不同的车身，简化了装配工艺，便于组织专业化生产；3）有车架作为整车的基础，便于在汽车上安装各总成和部件；4）安全性能由底盘加强，遇到撞车事故时，车架可以对车身起到一定的保护作用，车厢变形小。基于上述优点，非承载式车身形式在现阶段我国轻型客车的设计中应用广泛。但其在结构上也存在明显的缺陷：1）在设计时候没有考虑车身参与承载，而是由底盘单独承载，所以必须保证车架的强度足够大以满足设计要求，这样就使得整车的质量增大，不符合车身轻量化的设计趋势；2）车架的存在使得车身地板高度的降低受到一定的限制，不适合城市客车地地板化的趋势；3)车架纵梁是大型零件，其制造需要大型锻压设备、装焊夹具及检验等一系列昂贵复杂的生产设备；4)底盘结构调整不易，改进成本高，开发周期长；5）客车质心高，高速行驶时稳定性较差。图5-4非承载式客车的底盘及车身（2）半承载式客车车身半承载式车身就是车身与车架刚性连接，车身部分承载的结构形式。其结构特点是底盘仍保留有车架，车身通过焊接、铆接或螺钉与车架作刚性连接，是一种介于非承载式车身和承载式车身之间的车身结构。它的车身本体与底架（此时的车架也可称之为“底架”）用焊接或螺栓刚性连接，将车身骨架侧壁立柱与车架纵梁两侧的外伸横梁或牛腿连接在一起，加强了部分车身底架而起到一部分车架的作用，故车身也可以分担一部分弯曲和扭转载荷，例如发动机和悬架都安装在加固的车身底架上，车身与底架成为一体共同承受载荷。半承载式车身结构的优点是结构简单，对车辆进行改装容易，可以适当地降低地板的高度；同时车身部分参与了承载作用，可在一定程度上减弱底架的强度和刚度，减轻客车的自身重量。但由于保留有底架，半承载式车身还是一种过渡结构，车身地板的高度受底架的限制而难以很大的降低；整车的轻量化仍受到一定的限制；车架纵梁的制造需要大型锻压设备、装焊夹具及校验等一系列昂贵复杂的生产设备；此外，底盘的结构调整也比较繁琐，改进成本高，开发周期长。图5-5所示是典型的半承载式客车车身结构，一般是在现有的客车专用底盘（其车架由两根前后直通的纵梁27与若干横梁10、23等组成）上将车架用若干悬臂梁25加宽并与车身侧壁立柱刚性连接，使车身骨架也承担车架的一部分载荷。图5-5客车半承载式车身1-顶灯地板；2-换气扇框；3-顶盖横梁；4-顶盖纵梁；5-前风窗框上横梁；6-前风窗立柱；7-前风窗中立框；8-前风窗框下横梁；9-前围搁梁；10-车架前横梁；11-前围立柱；12-后风窗框下横梁；13-后围搁梁；14-后围裙边梁；15-侧围窗立柱；16-车轮拱；17-斜撑；18-腰梁；19-侧围搁梁；20-侧围立柱，21-侧围裙边梁；22-上边梁；23-车架横梁；24-门立柱；25-车架悬臂梁；26-门槛；27-车架纵梁（3）承载式客车车身应用在客车上的全承载车身技术是高档豪华客车制造技术中的重要项目。该技术是德国凯斯鲍尔公司于上个世纪50年代首创，将飞机制造的整体化框架结构技术应用于客车生产，并通过严格的碰撞试验，性能优越，使客车具有经济、安全和舒适等优点，尤其适应高速长距离客运。在传统技术条件下，客车产品达到低地板、轻量化、配置人性化、低排放、环保化、乘客空间大等种种要求越来越难，而全承载车身技术的出现，适应了时代的要求.目前，全承载车身技术已应用到多家客车生产厂的客车产品上，引发了国内客车制造业的一场技术变革。承载式车身就是无独立车架的整体车身结构形式，其结构构特点是底盘不是传统的冲压成型铆接车架式结构，而是由矩形钢管构成的格栅式结构。底架、前围、后围、左右侧围、车顶六大片组成全承载式车身。车身采用封闭环结构，由于没有车架，故可降低地板和整车高度。载荷由整个车身承受，车身上下部结构形成一整体，在承受载荷时，整个车身壳体可以达到稳定平衡状态。在具有较大的抗扭刚度的格栅式结构的底架上，配置发动机、前后桥等总成，可以保证各总成正确的相对位置关系。承载式车身除了其固有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷。图5-6奔驰O404大客车的承载式车身1-侧窗立柱；2-顶盖纵梁；3-顶盖横梁；4-顶盖斜撑；5-上边梁；6-前风窗框上横梁；7-前风窗立柱；8-仪表板横梁；9-前风窗框下横梁；10-前围搁梁；11-后风窗框上横梁；12-后风窗框下横梁；13-后围加强横梁；14-后围立柱；15-腰梁；16-角板；17-侧围搁梁；18-斜撑；19-底架横格栅；20-侧围裙边梁；21-裙立柱；22-门立柱；23-门槛；24-底架纵格栅图5-6所示是奔驰O404大客车的承载式车身结构，其底架是薄钢板冲压或用型钢焊制的纵横格栅，以取代笨重的车架。格栅是高度较大（约500mm）桁架结构，因而车身两侧地板上只能布置坐席，而坐席下方高大的空间可用做行李舱，故适用于大型长途客车。整体承载式车身结构的特点是所有的车身壳体构件都参与承载，互相牵连和协调，充分发挥材料的潜力，使车身质量最小而强度和刚度最大。承载式车身的优点是：1）车身结构在设计时就进行了有限元分析和计算，优化了车身结构，使得车身重量降低，结构强度与刚度提高；2)简化构件的成型过程，提高材料利用率；3)整车重心低，高速行驶稳定性较好；4)加工不需要大型的冲压设备，便于产品改型和系列化，容易实现多品种系列化生产。5)被动安全性好，承载式客车采用的格栅式结构，能使整车在受力时将力迅速分解到全车各处，按照欧洲的客车被动安全测试，这种结构能够在汽车翻滚及相撞时，保证乘客的安全空间。但采用全承载式车身也存在一些不足和现实问题需要解决。首先，由于取消了车架，来自道路的负载会通过悬架装置直接传给车身本体，而车厢本身又是易于形成引起空腔共鸣的共振箱，因此噪音和振动较大，恶化了乘坐舒适性，因此对隔振降噪的设计要求较高，使得成本和质量都会有所增加。其次是需要严格控制下料精度，承载式车身主要采用小截面方管焊接结构，需要重点控制下料尺寸、角度以及下料后弯折的加工精度，下料的准确度关系到小总成乃至车身焊接总成的准确度。最后，需要严格控制焊接变形和焊接应力。全承载式车身相对于半承载式和非承载式车身，其焊接工作量明显增加，焊接接头的数量也成倍增加。由于其结构特点导致整车骨架对接头处焊接质量更加敏感，因此需要研究焊接工艺，提高焊接水平，更加严格的控制接头处的焊接质量。根据客车车身上部和下部受力程度的不同，承载式客车车身又可分为基础承载式和整体承载式两种，其受力原则简图如图5-7所示。a)b)图5-7承载式客车车身受力原则简图a)基础承载式b)整体承载式①基础承载式这种承载车身形式是将车身侧围腰线以下部分，包括窗台以下到地板的侧壁骨架和底部结构，设计成强度和刚度较大的主要承载件，车顶则设计为不参与承载的部分，这样窗立柱就可以适当缩小尺寸。基础承载式车身结构底部的纵向和横向构件一般采用薄壁型钢或薄板来制造。其高度可达0.5m左右，可充分利用车身地板下面的空间来作为行李舱②整体承载式整体承载式车身就是整个车身的全部构件都参与承载。其车身的上下部结构形成一个整体，在承受载荷时，以强济弱，可使整个车身壳体达到稳定平衡状态。如果可以从理论分析和结构上进行优化设计，发挥材料