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客车车身设计:车骨与车架连接

时间:2023-08-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:在讨论车身与车架的连接方式之前,还要定义A柱、B柱、C柱等概念。图3-9所示是一种承载式车架前端在A柱断面同车身的连接方式,其结构特点是直接采用桁架结构。

客车车身设计:车骨与车架连接

在讨论车身与车架的连接方式之前,还要定义A柱、B柱、C柱等概念。实际上柱的叫法源于轿车:前风窗玻璃与驾驶员门之间的窗柱叫A柱,驾驶员门后的窗柱叫B柱,最后的窗柱叫C柱。在客车里我们也延用轿车的叫法,只是在B柱与C柱之间还有很多柱很重要,这都需要去定义,如图3-5所示,各柱定义如下:

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图3-5 车身骨架若干立柱的定义

A柱:前风窗玻璃与驾驶员窗之间的立柱,是车身的第一道立柱断面,通常在大巴车型中我们也称之为乘客门前柱。

B柱:大巴车型的乘客门后柱或驾驶员窗后柱。

F1柱:前轮前端面立柱。

F2柱:前轮后端面立柱。

S柱:中间的行李舱断面立柱。

R1柱:后轮前端面立柱。

R2柱:后轮后端面立柱。

M柱:后轮后端面与C柱之间的立柱。

C柱:后围骨架与侧围骨架的对接立柱,是车身的最后一道立柱断面。

在骨架总成图中,表达车身与车架的连接方式,其重点是表达在A、B、F1、F2、S、R1、R2、M、C这几个柱处的连接方式。

1.A柱断面

车架前端与侧围第一立柱的连接,要做强,尤其是左侧驾驶区处,应设置防撞梁以在碰撞时保护驾驶员和转向器

图3-6所示是一种直大梁或三段式车架前端在A柱断面同车身的连接方式,图中结构的特点是用了一个左右贯通的大断面矩形方钢(100mm×100mm×6mm),使车架与车身A柱连接在一起

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图3-6 直大梁或三段式车架A柱断面连接方式

图3-7所示是一种三段式车架前端在A柱断面同车身的连接方式,图中结构的特点是其在左侧采用了大断面的槽型梁扣合结构与A柱相连接,在右侧则利用踏步做成了桁架结构。

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图3-7 一种三段式车架A柱断面连接方式

图3-8所示是一种公交车架前端在A柱断面同车身的连接方式,其特点是直接采用了槽型外伸梁与A柱相连接。

图3-9所示是一种承载式车架前端在A柱断面同车身的连接方式,其结构特点是直接采用桁架结构。

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图3-8 一种公交车架A柱断面连接方式

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图3-9 一种承载式车架A柱断面连接方式

在做强A柱连接方式的同时,还要注意此处前照灯的安装和调灯光空间。

2.B柱断面

右侧要运用门泵固定板来加强连接,左侧要注意转向拉杆运动空间。

图3-10所示是一种承载式车架B柱断面的连接方式,其结构特点是直接的桁架结构,但图中的门泵固定板明显太大,结构上还可进一步完善。

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图3-10 一种承载式车架B柱断面连接方式

图3-11和图3-12所示是同一种三段式车架B柱断面的连接方式,从结构上讲图3-12的方式比图3-11的方式好,其原因将在后面说明。

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图3-11 一种三段式车架B柱断面连接方式

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图3-12 另一种三段式车架B柱断面连接方式

有些车型的B柱断面可能存在板簧座等原因使图3-12的结构无法实现,那么也没必要做成图3-11的结构,因为图3-11的车架槽型梁下面的立梁从力学角度来讲是毫无用处的。若做不成图3-12所示的结构,就把该B柱断面做成非主要的承载断面。

其实车身与车架连接的关键问题之一是车身如何在车架上“生根”。

3.F1柱断面

F1柱、F2柱、R1柱、R2柱这四个位置的车身同车架的连接强度极其重要,因为悬架的反作用力通过这四处连接传递至车身,因此这四个点的连接方式同底盘悬架的结构型式是密切相关的。我们一再强调的车架与车身的连接强度,其实就是要做强在各断面处的横向抗弯刚度。从力学角度讲,提高抗弯刚度最有效的方法是增加断面高度,它们呈立方关系。因此就客车而言,高地板比低地板横向结构刚度好,进一步说是客运车比公交车横向结构刚度好。另外,由于悬架型式的不同也会影响前后轮两侧断面的结构刚度:气簧悬架由于其结构紧凑,更有利于做强车身与车架的连接。

图3-13所示是一款板簧公交车在F1柱断面的连接方式,其结构特点是直接采用外伸梁与车身连接,右侧由于增加了一个50mm×50mm×3.0mm的地板横梁使横向刚度增强了,而左侧由于转向拉杆原因使地板横梁无法贯通至车身左侧骨架,这样这个断面的横向刚度最弱处便发生在图中I处。

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图3-13 一种板簧公交车F1柱断面的连接方式

图3-14所示是一款气簧公交车在F1柱断面的连接方式,由于其底部能贯通一根100mm×100mm×5.0mm的横梁,这使得它的强度和刚度要比图3-13的连接方式好得多。

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图3-14 一款气簧公交车F1柱断面的连接方式

对于三段式结构的客运客车,由于地板较高,F1柱、F2柱、R1柱、R2柱四个断面处连接方式的处理要点有两个:一是要将车架与车身的连接节点置于车架的槽型梁腹面位置,二是尽量增大此节点至地板骨架横梁的距离,增加抗弯断面的高度,即图3-15中的尺寸“H”。设计中要坚决杜绝“扁担梁”的结构型式,除非该断面不作为主要的受力断面。所谓“扁担梁”就是车身骨架只靠地板横梁直接担在车架上,其抗弯高度只有一个方钢的截面高度,受力情况极差,如图3-16所示。值得说明的是,图3-15中挡泥板骨架不作为承载构件,可以做得很细小。而像图3-15中的立梁和外伸梁等承载构件的规格和料厚都用得比较大,这是力学结构中的主次原则,后面还会详细讲到。图3-17所示是一种适合于六面体扣合结构的F1柱断面型式。

六面体工艺会增加结构的复杂性,会增加重量,不利于防腐,尤其在结构受力的关键部位更是如此。在设计上应追求这样一个目标:结构上尽可能少地使用连接件,在现场只准备好焊机和焊枪,合理地安排落合面,落合后即进行焊接。

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图3-15 一种板簧客运车F1柱断面的连接方式

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图3-16 一种“扁担梁”的结构型式

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图3-17 一种板簧客运车六面体工艺的F1柱断面的连接方式

对于气簧悬架的客运客车,可讨论两种型式:一种是前簧为梁下气簧,如图3-18所示。另一种是外摆式气簧,如图3-19所示。

梁下簧的车架与车身连接方式可参考上面讲过的板簧悬架的型式,但比板簧型式要好处理得多。

图3-20所示是一种外摆簧整体桥的F1柱断面的连接方式,图中的最大抗弯高度是尺寸H,实际上有H1这个高度也足够了。

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图3-18 一种梁下气簧前悬架

1—空气弹簧 2—减振器 3—横向稳定杆 4—下推力杆座 5—下推力杆及座 6—下推力杆 7—横向推力杆

F1柱断面最后一个例子是全承载车身结构的,如图3-21所示,其对应的悬架结构是外摆簧独立前桥,图中的断面结构更多地考虑了纵向承载构件的连接方式,使其桁架结构看起来有些复杂。

4.F2柱断面

F2柱断面即前轮后断面。此断面的车架与车身的连接方式同F1柱断面的处理方式大同小异,方便之处是F2断面少了转向拉杆和推力杆座(人们总习惯性地将推力杆座置于前方),这样更利于增强横向刚度。同样,此断面的气簧结构比板簧结构更好处理。因此F2柱断面各种类型的连接方式在此就不一一表述了。但在制图设计时,这个断面不可缺少。

5.S柱断面

S柱断面通俗地说就是客车的中间断面。借用轿车的“主断面”概念,我们也称S柱断

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图3-19 一种外摆式气簧前悬架

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图3-20 一种外摆式气簧整体桥的F1柱断面

面为车身“主断面”。由于客车整体上可看做柱状体,因此主断面也反映了车身的主要装配结构。车身总布置设计的首要任务之一就是主断面结构图设计,它表达了骨架、蒙皮、舱门、玻璃、内饰之间的装配关系,但在此处我们仅仅讨论S柱断面的车架与车身的连接方式。

类型1】公交车直大梁的外伸梁结构,如图3-22所示。外伸梁也俗称“牛腿”,“牛腿”一词的来源与中国的客车工业发展史有关。早期的客车是在货车底盘上改装而成,大家知道,货车车架就是一个光杆槽型梁结构,没有同车厢连接的外伸梁。所以在改装客车车身时要在货车车架所需要的位置加装连接梁,这就是“牛腿”的由来。在这里要强调“牛腿”设计应注意的一个细节,如图3-23所示,一般认为型式b比型式a的结构好,因为在型式a的焊缝位置容易产生断裂。

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图3-21 全承载车身的F1柱断面连接方式

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图3-22 公交车直大梁外伸梁结构S柱断面连接方式

类型2】直大梁的桁架梁结构,如图3-24所示,这是一种适合六面体扣合工艺的结构。图中外伸梁组件预先同车架改装好,地板横梁组件同车身成六面体并焊成一体状态,车身与底盘落合后在两个接触面上施焊,不需额外准备连接件。此法的关键点是用两根立梁夹住车架,槽型梁的受力点必须安排在腹面上,绝不能安排在翼面上!图3-12的结构比图3-11的好就是这个道理。图3-25是一款直大梁车架的II级车的S柱断面的一种设计方案,其车身与车架的连接是用多个小方钢连接而成,现场焊接工作量很大。而当我们用此法去改进该断面的连接方式时,你看看会有多么简单!改进后的结构如图3-26所示。这种结构的简单性就是设计者应当追求的目标。

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图3-23 外伸梁的两种结构型式

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图3-24 直大梁桁架梁结构S柱断面连接方式

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图3-25 一款直大梁II级车的S柱断面连接方式

类型3】三段式车架结构,如图3-27所示,这是目前应用最广且最标准的结构,在此不再过多讲述了。

类型4】客运车型的全承载式车架结构,如图3-28a所示,这也是目前应用最广且最标准的结构。

类型5】低地板公交的承载式车架结构,如图3-28b和图3-28c所示,这也是标准的结构型式。

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图3-26 一款直大梁Ⅱ级车的S柱断面连接方式改进型

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图3-27 三段式车架的S柱断面连接方式

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图3-28 全承载式车架的S柱断面连接方式

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图3-28 全承载式车架的S柱断面连接方式(续)

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图3-29 外摆式四气簧后悬架

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图3-29 外摆式四气簧后悬架(续)

1—空气弹簧 2—减振器 3—外摆梁 4—后桥 5—横向和纵向推力杆 6—纵向推力杆

6.R1柱和R2柱断面

这两个位置的断面的连接方式,若是板簧悬架,可类同F1柱和F2柱在同类悬架情况下的处理方式。此处要着重说说采用外摆式四气簧时车架与车身的连接方式,图3-29所示是一款外摆式四簧悬架的典型结构。这类结构中的共同特点是在后轴的前后各有一个贯通左右的大断面横梁,这是载荷在车架与车身之间传递的主梁。R1柱和R2柱断面结构设计的要点是将簧上贯通左右的横梁同车身侧围立柱对齐并焊牢,如图3-30所示。

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图3-30 外摆式四气簧后悬架的R1柱和R2柱断面结构

7.M柱断面

此柱的重要性在于它和C柱一起承担了发动机及变速器的重力载荷。M柱断面的连接方式主要分两种情况讨论:直大梁车架和承载式车架。直大梁结构的要点同前述:立梁夹大梁,斜撑成K形,如图3-31所示,图中活动梁可拆卸,方便底盘维修。图3-32所示的方式也可以,而图3-33所示的方式不好,其缺点在于立梁在连接梁位置的力传递不连续,立梁在局部承受的弯矩过大。

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图3-31 直大梁车架的M柱断面结构(1)

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图3-32 直大梁车架的M柱断面结构(2)

承载式车架的M柱断面连接方式如图3-34所示,可见承载式要比直大梁式简单得多。

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图3-33 直大梁车架的M柱断面结构(3)

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图3-34 承载式车架的M柱断面结构

8.C柱断面

这是车身与车架连接的最后一个断面,其要点在于利用车架末端的散热器托架和压缩机支架与车身连接,这个断面要做大横向刚度不太容易,要让散热器托架和压缩机支架身兼数职,让一个部件发挥多种功能,这也是集约化设计的一种思路。有做得好的国外专用客车底盘,在车架末端预留了外伸梁与车身连接,图3-35所示的SCANIA底盘的C柱断面连接方式即如此。

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图3-35 SCANIA底盘的C柱断面结构

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