公路客车车身骨架设计成果

对于六面体结构的车身骨架，可以按顶盖骨架、地板骨架、前后围骨架、侧围骨架及侧翻结构这四个部分来讨论。

【顶盖骨架】公路客车车身骨架设计的重点是解决上部结构强度，即满足GB17578—2013规定的加载侧翻试验。由于侧翻时顶盖的变形量不大，可以认为它是刚性体。

但完全刚性的物体是不存在的，对于重量大、车身高的车型，要想能通过侧翻试验，也需对顶骨架做适当的加强。

如图2-18所示，图a是顶横梁在侧翻时的受力模型，图b是等跨度等规格的直梁的等载荷受力模型，显然，图a的刚度肯定不如图b。所以，在设计侧翻结构时，应考虑顶骨架的刚度，仅在B柱和C柱加强即可，图2-19是一种侧翻结构的顶骨架加强方案。

因此，从刚度的角度来说，顶盖的造型曲线越平直越好、顶盖横梁的材料规格越大越好。

图2-20是图2-1的IVECO大客车顶盖骨架，图2-21是图2-2的NEOPLAN大客车顶盖骨架，图中给出了主要构件的材料规格，可见它们在主要承载路线上的用料都是大规格的，非承载构件的用料都是小规格的，NEOPLAN的非承载构件甚至采用了开口件。尤其是IVECO的顶盖骨架，承载结构非常明晰。而NEOPLAN的C—C剖面结构，则是利用空调的安装结构来加强侧翻结构。

对于顶盖横梁，是车身承载断面中的主要受力结构，至少应采用50mm×40mm×3.0mm这种规格的型钢，材料的屈服极限至少要达到345MPa。

顶盖骨架设计的另一个重点是减重，是统筹规划顶盖外蒙皮和顶盖内饰安装结构来减轻顶盖骨架的重量，要做到集约化、一体化设计：如空调安装、内饰安装、天窗安装、灯具安装等，尽可能使固定点安排在同一个纵梁上，这样才能减少纵梁数量，如图2-21所示的NEOPLAN顶盖骨架结构。

图2-18 顶横梁在侧翻时的受力模型

图2-19 一种侧翻结构的顶骨架加强方案

图2-20 IVECO客车顶盖骨架

图2-21 NEOPLAN客车顶盖骨架

【地板骨架】地板骨架的设计重点是减重，是统筹考虑使用特点、车身与车架的连接来减轻重量。由于乘客的体重是通过座椅两端的安装点传到车体上的，所以公路客车乘客区的地板骨架不承载乘客重量，要尽可能减少用料，必要时可采用斜撑杆来增加抗扭刚度。

减重设计的原则是：承载的要做大做强，不承载的要做小做弱。

图2-22是NEOPLAN的一款全承载平地板结构的中段地板骨架，乘客区采用了40mm×20mm×2mm的小管材做斜撑，横梁则采用了20mm×50mm×20mm×2mm的槽型件，座椅固定处则采用了不等壁厚的异型组合型材。

对于通道式的全承载地板骨架，还要通过通道侧板的结构来提高车架的刚度。

图2-22 NEOPLAN中段地板骨架

图2-23是IVECO的地板骨架简图，其特点是承载的构件规格都比较大，非承载的构件规格都比较小。

图2-23 IVECO地板骨架简图

【前后围骨架】前后围骨架的设计重点是通过简化结构来简化工艺，如尽量用直杆料代替弧杆料。另一点，由于前后围属于复杂的空间结构件，其装配依赖工装夹具，因此在设计上也必须考虑弧杆件的定位、装配、测量的方便性。原则是能用直料就不用弯料、能用单曲的就不用双曲的。图2-24所示为一款简化的前围骨架，件1做了简化，件2做成整体料，目的是增加整体前围的抗扭刚度。有CAE计算表明，在弯扭工况下，前围骨架对角线差值的变化量能达到10mm，由于现在客车的风窗玻璃采用的都是胶粘结构，所以我们必须考虑骨架变形对玻璃的影响，也就是要提高前围骨架的刚度。

图2-24 前围骨架的简化

图2-25是IVECO的前围骨架，由于其A柱是单柱结构，所以其风窗四周的弧杆件用料规格都比较大。(www.xing528.com)

图2-25 IVECO前围骨架

对于后围骨架，应尽量缩小风窗洞口尺寸以提高后围骨架在侧翻时的抗变形能力，同时要注意后风窗四周的加强措施，图2-26所示的NEOPLAN和图2-27所示的IVECO的加强板处理方式都是典型实例。

图2-26 NEOPLAN后围骨架

图2-27 IVECO后围骨架

【侧围骨架及侧翻结构】公路客车侧围骨架设计的重点是解决上部结构强度，即满足GB 17578—2013规定的加载侧翻试验。由于侧翻时顶盖的变形量不大，可以认为它是刚性体，车身主要的变形和吸能都是由侧围骨架完成的。

因此，对于侧围骨架，是车身力学结构设计的重点，要遵守如下两个原则：

①尽可能使所有的侧窗立柱都对上部结构强度贡献力量。

图2-28 骨架的十字接头

②重点加强B柱和C柱处的侧围骨架刚度（A柱是前围和侧围的对接柱、B柱是驾驶人窗后立柱、C柱是侧围和后围的对接柱）。

要使侧窗立柱对上部结构强度的提高有益，必须增加侧窗立柱的刚度。最有效的方法是将侧窗立柱向下直通到腰梁，如图2-28所示，贯通方向AB的刚度比断开方向A′B′的刚度大约要增加30%。

刚度必须增加在力的作用方向上。

合理地布置中乘客门的位置，使门的前立柱或后立柱对上部结构强度有帮助，如图2-29b中的布置要比图2-29a的布置好。

图2-29 中门位置与侧窗立柱的关系

分析侧翻试验的特点，侧窗立柱可简化为悬臂梁模型，如图2-30所示，侧翻后侧窗立柱上端的弹性变形量为Y，则

式中 F——触地时的外力，取决于整车质量和重心高度。降低车重和重心有利于通过侧翻试验；

L——侧窗立柱高度，降低该高度有利于通过侧翻试验。

图2-30中，E为材料的弹性模量，越大越好，碳钢可取为200GPa，铝合金为70GPa，所以公路客车一般不采用铝合金车身；I为截面惯性矩，与几何形状有关：料厚为t的矩形管材的

因此，料厚t对Y的影响是线性反比关系；弯曲方向的高度H对Y的影响是接近立方反比关系，表现最明显；而宽度b的作用甚微。

总结起来，侧围骨架在弹性范围内的刚度与材料的屈服极限无关，因此在采用高强度钢材时，应慎重减小壁厚，否则会使侧围骨架的侧翻抗弯刚度受到损失。如果空间允许，增加弯曲方向上的管材高度会有较好结果。

图2-30 侧窗立柱的悬臂梁力学模型