混合动力城市客车车身骨架设计.doc

装订线 混合动力城市客车车身骨架设计目录第一章 绪论31.1课题分析和设计定位31.1.1国内外客车的发展现状和对我国城市客车要求的分析31.2客车工业的发展41.2.1客车企业已基本具有独立研发能力51.2.2客车企业技术含量较高61.3国内外客车车身结构发展现状及趋势61.3.1国外客车发展动向61.3.2国内客车车身结构的变化714车身的承载类型71.4.1非承载式车身81.4.2 半承载式车身81.4.3 承载式车身81.5 客车车身的组成及影响车身强度的构造因素9第二章 车身骨架结构与尺寸的确定122.1骨架设计依据122.1.1设计原则122.1.2主要技术参数122.1.3车身骨架材料132.2骨架结构设计分析132.2.1左右侧围骨架结构设计分析132.2.2顶盖骨架结构分析152.2.3前围骨架结构分析162.2.4后围骨架结构分析17第三章 车身骨架强度计算分析183.1车身结构受载分析183.2车身骨架强度计算18第四章 车身骨架制造工艺分析264.1矩形管下料264.2成形274.3车身骨架的焊接284.3.1骨架的焊装方法294.3.2车身骨架五大片的组焊294.3.3整车骨架联装组焊304.4蒙皮制作及与骨架的焊装304.5车身骨架与底盘的焊接314.6防锈蚀措施314.6.1涂装前表面预处理314.6.2车身防锈32第五章 设计技术评价分析、存在问题及解决途径335.1设计中存在的不足之处335.2对设计不足的改进34结束语35主要参考文献36附录37第一章 绪论1.1课题分析和设计定位1.1.1国内外客车的发展现状和对我国城市客车要求的分析当今客车的发展日新月异。例如，每年的德国法兰克福世界客车展览会上均汇集了世界客车领先企业的顶尖产品（德国的奔驰公司、尼奥普兰公司、曼公司，瑞典的沃尔沃公司、斯堪尼亚公司等）；他们今天展示的全新造型的新产品极有可能就是明天客车外形的发展趋势。21 世纪对各种大、中型客车发展的希望是，在安全、方便、快捷的基础上更舒适和环保，并且充分体现以人为本的要求；具体表现在，除了“三低”（低污染、低消耗、城市客车低地板）和“三高”（高比功率良好的动力加速性、高安全可靠性、高舒适性）以及外观优美、座位合适、价格适中外，在综合性能方面还应该有新的发展趋势；其中包括，新技术（控制整车的各个方面均由计算机技术实现，代用燃料发动机，为改善制动性能和操纵性能而形成的标准设备，装有永磁式缓速器的传动系统）、适应市场要求的新材料，新工艺（提高车身涂装工艺标准，逐步实现产品生产的模具化）。 欧洲是世界商用车的中心，拥有诞生世界第一客车的荣耀；在客车诞生 100 多年的今天，依然引领客车工业的方向从发动机到变速箱、从底盘到车身；其 ECE R66 安全标准正成为世界标准。欧洲大型客车的主要特点是，全承载式车身，发动机功率大、扭矩高，且发动机转速呈下降趋势（当前用柴油机的最大转速平均为 1190r/min）；其中，约 80以上的产品采用空气悬架。这使客车的行驶速度加快，加速性、爬坡性、可靠性增强，经济性、环保性能、安全性更好；侧倾刚度、行驶平顺性、舒适性均有明显提高。目前，它的技术先进性主要表现在以下 4 个方面。节能技术采用铝、镁合金、塑料，减小客车车身质量；研制风阻系数小的客车外形，尽可能地降低客车的空气阻力；设计使用天然气、甲醇、乙醇等新能源的客车。环保技术改用无铅汽油和电子喷射式汽油机；安装废气处理装置；客车零部件的材料采用可回收利用的。安全技术应用计算机仿真技术预示客车多方位碰撞的安全性、翻车时顶盖的强度和刚度、保证乘车人员生存空间的车身结构等；外，增加安全附加装置和采用高新技术产品，如安全带、安全气囊、防抱死制动统（ABS）、加速防滑系统（ASR）、自动差速锁装置（ASD）、缓速器。底盘技术采用三段式底盘（半承载式）和无车架式底盘（承载式），使底盘布置形式呈“柔性化”，以适应各种匹配要求。 1.2客车工业的发展随着国民经济的发展，汽车已成为极为重要的交通运输工具和现代社会的象征，汽车工业在带动其它各行业的发展中，已日益显示出其作为支柱产业的作用。车身，作为汽车上的三大总成（发动机、底盘、车身）之一，已越来越引起人们的注意，并越来越处于主导地位。据统计：客车、轿车、专用车车身质量占整车整备质量的4060%；货车车身质量占整车整备质量的1630%；各类车身的制造成本，则高于上述比例。因此，仅从这个意义上来衡量汽车车身，其经济效益也远远高于其它两大总成。纵观世界汽车工业沿革，可以看出，现代汽车是沿着底盘发动机车身逐步发展完善过来的。这个发展过程不以人们的主观意志为转移，而在很大程度上取决于当时的科学技术水平和物质生活条件。由于汽车与人们的日常生活息息相关，为了适应各种不同目的和用途乃至车辆的更新换代等，其关键在于车身。因此，车身工程是汽车工业中最年轻而又发展迅速的一个分支。客车工业在我国还是一个年轻而充满朝气的产业，随着我国国民经济的蓬勃发展、人民生活水平的迅速提高和高速公路的连线成网，客车工业在我国必将有新的发展空间和机遇。客车是现代社会中的主要交通工具之一。随着我国城市机动车拥有量的快速增长,城市交通问题现已普遍受到关注。我国的国情决定了解决城市交通问题的出路在于优先发展城市公共交通。到2010 年,我国城镇化水平达45 %左右,城镇化水平每提高1 个百分点,城镇人口新增1000万人。我国城市客车的保有量将达3540万辆,年运送旅客将达500亿人次,城市公共交通在城市交通总出行比例:特大城市达30%以上,大中城市达20%以上,基本确立公共交通在城市交通的主体地位。在今后56 年里,我国城市公共交通将快速发展,基本实现城市公共交通的现代化。根据我国提出的“十一五”规划目标,城市化水平要达到中等发达国家水平。因此，客车对发展国民经济和促进人民生活水平提高发挥着重要作用。世界各主要客车生产厂无不应用最新科技成果潜心致力于客车新产品的研制和开发，不断地向市场提供有竞争力的新型客车。全国各地的城市客车是城内交通的根本命脉。从2001年开始，我国汽车产品的构成发生了历史性变化：三大汽车产品的产销量中，客车(含大、中、小、微型)年产销量首次超过轿车、载货汽车，而居前位。为了满足人民群众出行的需要，除了积极发展提供给个人使用的轿车外，我国以确定“发展公共交通为主”的道路交通指导方针。所以，客车的设计生产水平和产品质量直接关系到生产厂家竞争存活和广大乘客的生命安全，受到各方面的重视与关注，而且人们对客车的安全性、操纵性、动力性、经济性、舒适性的要求不断提高。客车整体骨架是客车车身最基本的结构，起支撑蒙皮和内外饰件、承载载荷的作用，决定着客车的安全性。统计资料表明，车身是客车自重和价格的主要组成部分，占客车自重和制造生本的40%-60%，通常它的重量又是底盘(含发动机)整备重量的0.8-1.2倍，因此减轻车身质量是改善客车许多指标（如载客量、制造成本、燃油经济性、动力性等）的最有效手段之一。客车是我国当前运载乘客的主要交通工具之一。特别是中、大型客车，由于其运载乘客的数量多，使用经济性好，近年来得到了迅速发展，并以其新颖的造型、精良的制作和优越的性能，体现了当代社会的精神面貌而被人们所喜爱。随着现代科学技术的发展，客车已经成为集工业艺术、人机工程学、空气动力、制造技术、材料工程和结构设计等学科为一体的现代化工业产品。我国客车工业真正开始于上世纪60年代，当时只能是对货车底盘进行改装，扣上一个简易的车身。经过40多年的发展，我国的客车车身设计、制造技术日新月异，已逐步跟上国际的潮流，成为世界客车制造大国，并向世界客车制造强国迈进。基于以上大型客车的各种优点与良好的发前景以及车身骨架的重要性，我的毕业设计课题选择了城市混合动力客车车身骨架设计。其设计特点有：整个车身蒙皮采用冷张拉预应力点焊接技术。蒙皮材料采用镀锌钢板,保证了耐腐蚀性。前挡风玻璃,后挡风玻璃采用钢化玻璃,侧窗玻璃采用粘贴大幅观景玻璃，并在适当位置开有通风窗。骨架采用高强度矩形钢管组焊的闭环结构,且对车身强度及耐久性进行CAE分析,确保整车安全和车身可靠性。低地板的设计为乘客提供宽敞的空间,同时也节省乘客上车时间。由于乘客上下车较为频繁,对乘客门周边骨架进行加强,后部地板采用多种结构满足安装不同发动机的需求。近几年来我国由于引进了国外的先进技术，客车生产水平有了明显提高，但在车身加工、装配、焊接。喷漆等工艺上与国外水平相差很大，再加之企业生产管理落后，导致我国大型客车生产的工艺水平发展缓慢。根据这些，我的设计基本思路定位：依据我国同类车型设计的一般方法，参照国外同类车型的先进设计方法，在国内大多数客车生产矩形与方形管材为主要构件，客车车身骨架构件壁厚一般小于2mm，骨架焊接均采用二氧化碳气体保护焊方法来设计骨架的总成。随着城市客车市场需求的不断增加,长途客车的舒适性、可靠性、安全性、美观性必将成为公交市场的大势所趋。1.2.1客车企业已基本具有独立研发能力我国客车工业自20世纪60年代开始起步，经过改装、仿制、技术引进和中外合资阶段，发展到今天，已经基本形成了高、大、中、轻、微多种型式和档次的产品格局。日前，我国客车产品不仅基本适应公路客运和道路状况的要求，而且在1987年实现出口，现在我国的客车产品已出口到世界28个国家和地区。我国客车企业在十几年前主要是依靠一汽集团、东风公司的载货汽车底盘改装客车。由于计划经济时期底盘为稀缺资源，使“亚星”、“黄海”和“长江”等客车企业下决心进行车身与底盘的一体式自主开发，从而使国内客车企业取得了今天这样的独立地位。在国外，像我国客车企业这样具有上万辆规模的独立的客车厂家几乎没有，即使是奔驰和沃尔沃公司，也不存在一个单独的客车实体，客车产品都是依附于主机厂而存在。1.2.2客车企业技术含量较高客车不同于轿车产品，非大批量生产，因而要采用差异化策略；客车的零件互换性比轿车好，可以采用“搭积木”式的生产方式，利用国内外的优秀零部件总成“作拼盘”，匹配出最好的产品。江淮集团老总左延安将这一生产方式总结为“买全球，卖全球”。可以说，正是这种生产方式，使我国客车工业在汽车零部件基础还很薄弱的情况下，做到了客车产品在车身设计和总成配置上已与国际接轨。我国大客车产品的档次、配置不仅优于载货汽车，而且采用了许多轿车上的技术。ABS、ASR、空气悬挂、电涡流缓速器、大功率低排放发动机、“前盘后毂”制动系统等这些目前只有在技术引进的载货汽车上才能看到的配置，在我国高档客车中已经把它们列为“标配”。甚至有一些高档客车上的配置，例如，定速巡航控制系统、智能化车内气候集成控制系统等，在很多高档轿车上也十分鲜见。汽车行业专家承认，衍生于载货汽车基础上的客车产品，在技术档次上大大超过它的先辈。1.3国内外客车车身结构发展现状及趋势1.3.1国外客车发展动向欧洲客车产品主要三方面的发展动向：1.客车低地板化：客车低地板化，在我国只是近两年的事，而且进展缓慢。但在欧洲，客车低地板化已经得到了全面普及。在车展上，95%的客车是低地板的，极少数的城市客车是低入口。低地板化不仅体现在大中型城市公交车上，就连轻型的社区巴士，甚至更小的一些像海狮那样的面包车，包括小型的校车，进入车内往下一看，也是低地板的。在车展外的现实生活中，低地板公交车的普及率也相当高。而且有轨电车和带“大辫子”的无轨电车，也是低地板的。因此，可以说，低地板公交客车在欧洲已经得到全面普及。新一些的公交车，根本没有高地板的车在运营。客车行业的发展，离不开零部件行业的支撑。低地板车的关键总成是门式桥，我国低地板客车发展缓慢，很大程度上受制于此。国内生产门式桥的企业，目前能大批量生产的还没有，面对低地板化这一趋势。面对同样的配置的大客车，国产的与合资的或技术引进车型相比，总会令人感到有些差距。尽管配制都一样，人们还是觉得国外品牌的车好。其实就是细微之处不如人家。所以，国内企业对此高度重视。别总把细节当小事。 2.大客车的设计轿车化：主要设计体现在以下几个方面：一是车内广泛使用卫星定位系统，座椅靠背后的液晶电视更是不在话下。虽然有可能是作为选装件配置，但这一趋势却十分明显。二是前风挡玻璃顶窗化。轿车的车顶可以带天窗，而大客车的车顶有空调等设备，不便于完全采取轿车那样的设计形式，但就前风挡玻璃尽量向上延伸一直到车顶。再向后延伸，使这块大玻璃即是前风挡，又是车顶的一部分。大胆的设计，使车内的视野和光照度大增，成为当今引领潮流的一种风格，获得欧洲商用车编辑协会(ACE)颁发的2006年欧洲客车年度大奖的尼奥普兰“星际线”豪华大客车和土耳其TEMSA公司推出的双后桥大客车，其前风挡的设计都具有这一特点。据说，这一设计对车身的整体应力分布要求较高，车身各部受力要十分均匀。否则，车身在颠簸状况下扭动，很容易将风挡玻璃扭裂甚至扭碎，所以模仿起来并不那么容易。三是前脸设计由“大嘴”转向“小嘴”。与欧洲轿车前脸造型出现的“大嘴”化潮流相反，欧洲大客车前脸设计正在出现“小嘴”化的动向。由于发动机基本都是后置的，车头无需大的“嘴”进气，所以有厂家把车头设计成类似轿车一般的风格，显得非常别出心裁。1.3.2国内客车车身结构的变化1由单一非承载式半承载式、全承载式（无车架）；2蒙皮装配由铆点焊；3结构由冲压式型材骨架式；4更加注重符合空气动力学的造型；5将舒适安全放在首位；6现代设计、试验方法开始在车身设计中全面采用；7大量采用轻金属和非金属材料：如Volvo全铝车身。8更加注意和重视细部设计；9车窗由铝型材推拉式粘接全密封式；10中、高档客车全部采用后置发动机布置型式。 14车身的承载类型客车是现代社会的主要交通工具。大客车按用途不同，可以分为：城市客车、长途客车、旅游客车和专用客车几大类。按承载形式分可分为：非承载式、半承载式和承载式车身三大类。1.4.1非承载式车身非承载式车身是指在底盘车架上组装而成的车身，系车架的一种，车载荷主要有车架承担。这种车身结构理论上是不承载的。可分为框式、脊梁式、综合式三大类。非承载式车身的优点：1）除了轮胎和悬架系统对整车的缓冲吸振作用外，挠性相交点还可以起到辅助缓冲、适当吸收车架所受的扭转变形和降低噪音的作用，既延长了车身的使用寿命，又提高了乘坐的舒适性；2）底盘和车身可以分开装配，然后总装在一起，这样既可简化装配工艺，又便于组织专业化协作；3）由于有车架作为整车的基础，这样便于汽车各总成和部件的安装，同时也易于更改车型和改装成其他用途的车辆；4）发生撞车事故时，车架还可以对车身起到一定的保护作用。其缺点是：1）由于设计计算时不考虑车身承载，故必须保证车架有足够的刚度和强度，从而导致整车自重力增加；2）由于底盘和车身之间装有车架，是整车高度增大；3）车驾驶汽车上最大而且质量最大的零件，所以必须具备有大型的压床及焊接、工夹具和检验等一系列较复杂昂贵的制造设备。1.4.2 半承载式车身为了减轻大客车的自身质量，将车身与车架刚性相连，让车身也参与承载，从而可以适当减轻车架（底架）的质量，以达到较合理地利用材料的目的。半承载式车身是一种过渡型的结构，车身下部仍保留有“车架”，不过他的强度和刚度稍微低于非承载式车架，为了有所区别起见，一般可将它称为“底架”。之所以命名为半承载式是出于以下的考虑：让车身也分担部分载荷，以此来减轻车架的自重力。客车车身为半承载式，有较强的车架纵梁及经“牛腿”加强的底横梁。底横梁与立柱焊接，蒙皮采用铆接方式与车身骨架相连，蒙皮是非应力蒙皮。因此，车身计算模型中不考虑蒙皮参与应力，所以客车车身计算模型是一个空间杆系结构。此外，为了保证构件连接处的强度和刚度，常在构件节点附近进行加强。这样在一些构件连接处就出现了比构件刚度要大的多的区域，形成所谓的“刚域”。这种结构的特点是：车身下部与底架组合为一整体，车身也能分担部分弯曲和扭转载荷。但由于保留底架，大客车的轻量化受到一定限制。焊后精度较差、调整工作量大。1.4.3 承载式车身为进一步减轻自重及使车身结构合理化，在大客车和轿车上采用无车架的承载式结构。根据大客车车身上、下部受载程度的不同，又分为基础承载式和整体承载式两种。基础承载式这种结构是将车身侧围腰线以下部分设计成主要承载件，车顶则考虑为非承载件。车身地板下面的空间可以用作行李舱，然而这种结构的地板离地距离大，适用于长途客车和旅游客车。整体承载式这种结构整个车身都参与承载，又名为全承载式车身结构。车身的上、下部结构构成一个统一的整体，在承受载荷时，会自动调节、以强济弱，使整个车身壳体达到稳定平衡状态。通过理论分析和结构上深入研究，发挥材料的最大性能，设计成强度的空间结构，从而使车身的质量最轻而强度和刚度最大。整体承载式主要缺点：1.由于取消了车架，来自传动系和悬架的振动噪声将直接传给车身，除车厢本身又是易于引起空腔共振箱，因此会大大恶化乘坐舒适性，为此，必须采用大量的隔声防振材料，从而成本和质量都会有所增加；2.改型比较困难。据统计，客车车身的质量约占整车质量的40%-60%，车身成本的百分比有的已经超过来了50%。因此，车身设计技术的先进与否不仅影响汽车本身的结构性能，而且还对汽车的节能降耗有直接的影响。从车身轻量化和车身疲劳强度方面来考虑，车身开发中人存在着相当多的关键技术亟待研究解决。正因为如此，我国在“九五”期间就将车身开发技术列为重点攻克的课题之一。大客车车身骨架是大客车的主要承载部件，是整车的基体。其结构性能的好坏直接关系到这个车的使用性能。在结构上要求其满足汽车总布置的要求；强度上要求其能受静载荷和运动中所受到的各种动载荷；它必须具有足够的弯曲刚度和扭转刚度，以使车身骨架和装于其上的其他总成和部件在汽车运行的多种工况下，不致产生过大的变形而损坏或破坏汽车正常的工作条件；另外在满足上述条件的情况下，车身骨架质量要尽量轻，以达到节能节材的目的，并易于高速行驶。因此，在保证其各种使用性能的前提下，使之重量最小，是车身设计中日益关心的问题是实现车身轻量化，降低成本，提高整体承载能力的主要途径。1.5 客车车身的组成及影响车身强度的构造因素骨架是客车车身的结构主体，与底盘车架一起承受静态和动态载荷。客车车身一般由五部分组成：1.顶盖骨架车身顶盖的骨架，将前后左右骨架连，一起构成封闭结构。同时，供安装空调部件、通风窗、灯具、行李架、扶手等部件；2.前围骨架客车正面车身的骨架，供安装仪表板、前灯具、保险杠，雨刮、前风窗等；3.后围骨架客车背面的车身骨架，供安装后风窗、后门保险杠、后灯等；4.左侧围骨架客车左侧面车身的骨架，供安装侧窗等；5.右侧围骨架客车右侧面车身的骨架，供安装侧窗、乘客门等；五部分骨架与车架组焊在一起构成了客车车身的围护结构。车身顶盖连接侧围，协同侧围一起工作。当车身扭转时，顶盖主要以剪切变形为主。若车顶抗剪刚度小 ，将使左右侧围的相互联系减弱，从而使车身的扭转刚度降低。因此，提高车顶的抗剪刚度，合理匹配车顶和侧围高度，是提高车身刚度的重要途径之一。另外，顶盖纵梁布置形式对窗立柱弯矩大小有一定影响，设计时，应使顶盖纵梁呈中间疏两边密的布置形式。顶盖横梁与窗立柱对应最好能使顶横梁、门立柱、底盘纵梁三者形成封闭环，以利于力的传递。顶盖横梁的弧度对车身也有影响，适当的弧度可以改变车身横断面的扭心高度，降低车顶蒙皮所受的剪力流以及窗立柱弯矩。如果弧度过大，顶盖的水平抗剪刚度将会降低。前后围设计时应考虑的因素根据造型和发动机的位置而定。前置发动机除应考虑前大灯和转向灯的位置、雨刮位置及后风窗、后灯位置尺寸外，还应考虑：发动机通风散热和维修方便性。后置发动机客车则主要根据造型和总布置的要求确定骨架，如造型美观、流线型、发动机舱门大小。前照灯和尾灯形式、大小等。在强度上，应提高受力较大的风窗上下沿梁、窗立柱。但是增加窗立柱强度时应注意视野，减小盲区。为保证整车有足够的扭转刚度，前后围骨架中最好能设置一些斜撑梁。另外还应保证可以从前端举升车辆或由救援车辆从前端牵引。车身的侧围与车架结合，构成了保证车身必要的弯曲的刚性主元。它的特点是：必须开设车门、车窗及轮拱等开口，它主要承受弯曲和扭转载荷。要求必须保证车身功能性门、窗等，而且有足够的强度刚度。它采用的结构形式有：轻金属材侧围结构和钢制材料的侧围结构。采用轻金属材料的侧围结构的特点是：以大断面的窗上沿梁作为上承载单元，下承载单元由底盘纵梁构成；采用大断面的封闭断面式门框结构和前后立柱结构，确保侧围能承受较大的弯曲和扭转载荷。近年来西方大客车流行的一种结构就是铝合金车身，此结构适用于采用轻金属材料的侧围结构。采用钢制材料的侧围结构的主要承载单元由腰围梁、底盘纵梁和地板纵梁组成。其特点是：采用封闭断面的异型钢管材料或冲压焊接成型的封闭断面钢制材料组焊而成，车门处薄弱点由大断面的门框结构组成。这种结构通过合理的结构设计可以保证侧围骨架有较大的强度和刚度。决定客车车身强度的因素有：侧壁构件的结构尺寸，构件的连接方式以及侧围与底盘车架的连接方式。当车窗开度增大侧围结构形式对车身强度的影响增大，即大开口破坏了整体的刚度。电测和电算结果表明车窗高度增加时车身扭转刚度下降。窗立柱、梁构件的工作应力增大，但高应力区仍在窗立柱和门立柱上。当提高窗下沿梁时整车的扭转刚度提高，窗立柱和梁构件的工作应力下降而降低窗上沿梁时顶盖弯度提高，水平抗剪的下降，窗立柱内弯矩下降。当汽车转弯和制动时侧围立柱不仅承受顶盖传来的静载荷，还承受大量的动载荷。因此，应在侧围一定位置设立宽立柱或双立柱带连接板，如：门立柱、前后立柱、前后桥区域等。窗立柱的弯曲力矩大小取决于窗立柱与顶盖的连接方法，增加窗上沿梁高度能降低窗立柱应力。利用材料的力学特性有效的提高结构的强度和刚度可以采用斜撑结构，它可使骨架式车身结构的侧围构件弯矩减低，轴向力提高，窗立柱应力下降。但是，斜撑结增加了轴间开门的车身结构的车身刚度不均匀性，使车门处应力提高。第二章 车身骨架结构与尺寸的确定2.1骨架设计依据2.1.1设计原则根据总布置的设计思路，该车采用的是非承载式车身。在车身骨架设计中，主要考虑的是满足车身总布置的要求，同时满足骨架强度和刚度，以及使用环境和市场定位，因此设计过程中应遵循以下几个原则：1.在保证车身骨架强度和刚度的要求下，满足车身总布置造型要求，如有冲突应改变车身总布置。2.尽量保证有良好的加工工艺，减少加工难度。3.通过优化设计，尽量减少骨架质量。4.在设计骨架总成结构的型式时，应充分考虑其系列化变形的可能性。5.在保证总布置的强度刚度的条件下，尽可能减少生产成本，提高经济效益。车体骨架设计应满足车身刚度和强度的要求。刚度不足，将会引起车身的门框，窗框，发动机舱口及行李箱口等的变形，导致玻璃破裂，车门卡死；低刚度必然伴随有低的固有振动频率，易发生结构共振和声响，并削弱结构接头的连接强度；此外，还会影响安装在底架上的总成的相对位置。而结构强度不够则将引起构件早期出现裂纹和疲劳断裂。大中型客车一般采用骨架式结构。这种结构骨架一般由扭转刚性很高的封闭断面的矩形管构成，因此强度和刚度较高，外蒙皮只起装饰的作用。其优点是：改变客车外形比较容易；车门和窗的开口部可以增大；外蒙皮无铆钉，可以实现较漂亮的外观；采用合理的设计（优化）可以减轻重量。缺点：所有零件均由焊接装配，焊接质量不易掌握；型材防腐难度较大。2.1.2主要技术参数长宽高 1200025003208 轴距/前悬/后悬 6000/2580/3420 前轮距/后轮距 2160/1815 乘客门宽度 1380 最小离地间隙 180 2.1.3车身骨架材料客车车身骨架材质主要采用钢材或铝型材。车身蒙皮材质主要采用钢板、镀锌钢板、合金铝板、工程塑料及玻璃钢等；车身侧围蒙皮装焊采用涨拉预应力组焊工艺或涨拉预应力胶粘焊接工艺，前、后围的弧面与平面采用焊接对接或胶粘方式。客车的前后围、轮护面、行李舱门、保险杠等材质采用玻璃钢蒙皮。现在大多数客车厂车身骨架材料选用Q235A或20#优质碳素钢，Q235A碳素结构钢，当钢材厚度小于16mm时屈服极限235，断裂极限在375-460，延伸率26%。20#高级碳素钢屈服极限245，断裂极限410，延伸率25%。两者力学性能相似，考虑经济因素，本设计中采用Q235A碳素结构钢。薄壁杆件的截面形状对其截面特性有很大的影响，与刚度有关的截面特性是弯曲惯性矩和扭转惯性矩等。薄壁杆件的截面形状可分为闭口和开口两类，它们的截面特性有较大的差别。在材料面积和壁厚保持不变的情况下，闭口截面的抗弯性能稍次于开口截面，但闭口截面的扭转惯性矩要比开口截面大得多了。因此，从提高整个车身和构件的扭转刚度出发，宜多采用闭口截面，但是还需要考虑构成截面的其他因素，如结构功能、配合关系以及制造工艺等等。因此，实际车身骨架构件的截面形状往往是比较复杂的。2.2骨架结构设计分析骨架五大片的划分是骨架设计阶段需要解决的问题。在车身骨架结构形式的基础上，根据车身造型、焊装工艺和变形控制等方面的要求合理划分五大片。由于车身骨架结构形式的不同，骨架五大片的划分有很多种形式，但不论哪种划分形式都应当与当前的工艺水平相适应。车身骨架五大片的合理划分：前围骨架、后围骨架、左侧围骨架、右侧围骨架和顶盖骨架五大片。2.2.1左右侧围骨架结构设计分析车身骨架设计应满足车身强度与刚度的要求。在设计左右侧围时，无论哪种承载式车身，都应考虑杆件的位置。骨架的杆件可分为一下三类：1.根据功能要求设置的，如门柱、窗柱、门槛、门框上的横梁，风窗上下横梁等。2.加强用的，如客车顶盖上的纵梁和底架周边搁梁等。3.为安装附件而设置的非承载式构件，如前围为安装车灯而安装的钢板。显然，杆件是车身骨架的主要承载件，应有足够的强度和刚度，并尽量使之构成一个连续完整的受力系统。对于框架结构，力的合理传递形式应是让更多的杆件分载，且不出现力的传递中断的情况。半承载式或全承载式车身结构的车身有效载荷及自重和来自地面的冲击载荷等，是通过底横梁分散到立柱上面使车身柱负载增大的，同时还承受悬挂支撑反力，从而造成危险区。由于过桥区的受力特点及这一部件相对于整车刚度较弱，从而出现过桥区变形大，铆钉松动及蒙皮鼓动等不料现象。因此，在设计中应重视过桥区立柱悬置问题，我采用的方法是，在横梁处用斜撑，将力分散到裙部立柱与窗立柱处。由于右侧围的乘客门框破坏了右侧围骨架的连续性，门框处刚性太弱，所以在弯曲和扭转两种常见的主要工况下，车身骨架的最大应力点都集中在右侧围门立柱上角和靠近车门的几根窗立柱上下角。而上述工况又以扭转工况更为严重。这种现象已经被多次电测，电算结算和车身骨架早期断裂的使用实践所证实。本设计的右侧围上，要开设两个乘客门，所以客车的右侧围骨架比左侧围的骨架要复杂。左侧围主要考虑跟右侧围的对应。图2-1右侧围骨架首先根据底架外伸梁的位置决定裙部立柱位置，并在此基础上尽量使其与窗立柱对齐以构成受力封闭环，裙部立柱采用50*50*1.75的矩形管。门柱所受到的应力比较的大，所以门立柱要选用断面尺寸较大的矩形钢60*50*2。前门的宽度按照总布置要求选择了1380，与前围的连接问题上，采用50*50*2型材来与前围的右立柱焊接。把窗立柱的断面尺寸选择为70*50*2，侧窗上沿梁要与顶盖相焊接，腰梁是钢质材料的侧围骨架结构的主要承载单元，考虑设计制造的统一，因此它们的断面尺寸须要选择较大的50*50*2。前后轮拱立柱的位置要考虑车轮的因素，左右轮拱柱、轮拱上横梁尽量与总布置布置的轮壑贴近。为增加强度，要在窗下梁到地板梁之间放置斜撑，斜撑的断面尺寸为50*50*2。图2-2左侧围骨架整车左侧围骨架要比右侧围骨架的要简单一些，在其上面不用开设乘客门也不开设司机门。左侧围主要考虑的是与右侧围的对应关系。左侧围第一立柱也选择一根型材50*40*2来和前围的左立柱焊接，它的曲线和前围左立柱的曲线相同。左侧围的前后轮拱立柱位置也与右侧围的前后轮拱立柱位置相对应，断面尺寸选择为50*40*2。左侧围的前后轮拱上横梁的位置要与右侧围的相对应，断面尺寸也选择为50*50*2。由于轮拱立柱间距离较大，所以加上斜撑，斜撑的断面尺寸选择为50*50*2，侧风窗上边梁、腰梁是钢质材料的侧围骨架结构的主要承载单元，与右侧围相同，它的断面尺寸须要选择较大的50*50*2。2.2.2顶盖骨架结构分析图2-3顶盖骨架顶盖的设计比较的复杂。顶盖的安装件比较多，主要以剪切变形为主，受力不是很大且出于焊接方便性的考虑，顶盖部件选用50*50*2的矩形管，可以满足强度和刚度的要求，它们的曲线和客车顶部的曲线相同。车顶安装一个安全出口，截面积为600*600，安全出口位于中心处。另外考虑到将整个纵梁制作成前后相通的梁，所以将横梁断开。2.2.3前围骨架结构分析图2-4前围骨架前围骨架的设计主要是根据总布置的前视图和侧视图来确定的。前围的左右立柱要与左右侧围骨架的第一立柱相焊接，由于这两根立柱的受力较大，断面尺寸选择5040*2，它们的曲线和前窗玻璃的曲线相配合。前风窗上沿梁在俯视图上的曲线和风窗玻璃的俯视曲线的相同，在侧视图上的曲线和风窗玻璃的侧视曲线的相同，断面尺寸选择为50*50*2，高度比风窗玻璃的高度稍高一点。风窗下沿梁比前风窗玻璃下端稍低一点，它的俯视曲线和风窗玻璃的俯视曲线是相同的。前围下横梁的高度根据客车前灯及灯饰的高度来确定，要比前灯的下边缘高度稍低一些，风窗下沿梁和前围下横梁之间的距离要能够放置灯具、灯饰，断面尺寸选择为50*50*2。横梁1与风窗下沿梁、前围下横梁之间为了增加结构强度，必须放置短立柱，短立柱的断面尺寸选择为50*50*2。风窗下沿梁与前围下横梁之间的短立柱要根据前车灯的宽度来确定并加装钢板以安装灯具。横梁与风窗下沿梁之间的短立柱则要考虑雨刮器宽度及位置。2.2.4后围骨架结构分析图2-5后围骨架后围骨架的设计要根据客车的尾部附件安装等进行。从总布置画的尾部图分析可知，尾部上要放置后车窗、发动机舱门、车灯等。后围左右立柱要与左右侧围尾立柱相焊接，断面尺寸选择为50*40*2，它的曲线和客车整车侧围曲线相同。后窗上横梁的高度比后窗的高度稍高一点，俯视的曲线和整车后部俯视曲线相同，侧视曲线和后窗上部曲线相同，断面尺寸选择为50*50*2。后窗下沿梁的位置在后窗玻璃下端低一点，水平放置，断面尺寸50*50*2，它的曲线和整车尾部俯视曲线相同。后窗左右两边各设置一根立柱，端面尺寸选择为50*50*2。总布置根据发动机确定了发动机舱门的大小和位置。沿发动机舱门的上沿放置后围横梁，断面尺寸选择为50*50*2，它的曲线和客车尾部俯视曲线相同。以上三根横梁都是不断开的，两端与后围左右立柱焊接在一起。在发动机舱门下边放置一根横梁，但为了检修发动机方便，要把这根横梁设置为活动梁，其断面尺寸选择为50*50*2。第三章 车身骨架强度计算分析3.1车身结构受载分析实践表明大客车车身骨架损坏的最大危险应力是由于车身受扭时产生的斜对称载荷所引起的。斜对称载荷之所以危险是因为由薄壁杆件（特别是在开口截面）构成的超静定空间结构受扭时其个别杆件急剧变形所致，当薄壁杆件两端被刚性固定而产生约束扭转时，将会使正应力增大。客车车身骨架的最薄弱环节是在轴距范围内的乘客门立柱及其近邻窗立柱的上下角。客车车身受扭得情况是当大客车在崎岖不平的路面上行驶而使车身受扭时，由于剪力流汇总以后所形成的力会使顶盖侧边梁相对于腰梁产生位移，这时，窗立柱和门立柱都将承受纵向弯曲变形，当变形量达到一定限度时便会在侧窗上、下角和车门上角产生横向裂纹，这种损坏现象已为大量的使用实践所证实。窗立柱和门立柱还会不会产生左、右横向弯曲变形呢？理论分析和使用实践都表明不会出现这种现象。因为各立柱只有在汽车以较高车速急转弯时的情况下，站立乘客用手支撑在立柱或窗上框时才能使立柱受到横向的压力。用弹簧拉力计随车实测的结果表明，当大客车急拐弯时（此时最大离心加速度0.4g，否则汽车将会侧翻过去），人手作用在立柱上的瞬时最大压力一般不会超过体重的30%，所以，相对来说，窗立柱的横向抗弯刚度是可以得到保证的。综上所述可见，大客车在行驶过程中，车身立柱只考虑其承受纵向弯曲载荷就够了。3.2车身骨架强度计算已知值：前轴载荷 m=6155.9 前轮距 B=2160图3-1左侧围骨架图3-2受力分析图按图3-1与图3-2，有以下数据：，,；=11.848窗上沿梁截面的惯性矩为：；作用在车身上的扭矩为：N*m；车身横截面面积m；剪力流；作用于窗上沿梁和窗下梁的纵向力P为：N；由此得N，同理NP9=2351N此外，已知窗立柱高度。ii和ij统称为“单位状态影响系数”，ip称为“外载荷影响系数”，ii代表由于单位未知力xi所引起的xi方向的位移（或转角），ij代表由于单位未知力（或力矩）xj=1所引起的xj方向的位移（或转角），ip代表由于外力所引起的xi方向的位移。为了计算，以下绘出4种工况下的弯距图： (1) 工况0施加外力 如图3-3（2）工况1施加水平单位力x1 x4 x7 x10 x13 x16 x19 x22图3-4（3）工况2施加垂直单位力x2 x5 x8 x11 x14 x17 x20 x23如图3-5（4）工况3施加单位力矩x3 x5 x9 x12 x15 x18 x21 x24如图3-6图3-3工况0图3-4工况1图3-5工况2图3-6工况3有了上面的数据，即可以求得诸系数的值。1.工况0,1(图3-3与图3-4),把数值代入下式：同理得:,。2.工况0,2(图3-3与图3-5)，数值代入下式：同理得：，, =145.25703.工况0,3(图3-3与3-6)，把数值代入下式：=同理得：, 4.工况1,1(图3-4)，把数值代入下式：=同理得:，.5.工况2,2(图3-5)，把数值代入可得：同理得：,6.工况3,3(图3-6)，把数值代入可得：=，同理得：，,7.按工况1,02,03,01,12,23,3来计算1，2=2，1，1，3=3，1，2，3=3，2工况1,2(图3-4与图3-5)，=,同理得：， - 8.工况1,3(图3-4与图3-6)，把数值代入下式：,同理得:,， ，9.工况2,3(图3-5与图3-6)，把数值代入： ，同理得：， 把以上数据带入下式： 可求得未知力：，, , , , 计算程序见附录。以第二跨为例，在之间得弯矩图如下图。图3-7第二跨的弯矩图点B的弯矩=1382.0695，在点D,窗上梁的弯矩为=-=1382.0695+221.5221.6=1736.5047窗立柱3的弯矩为=+=+1736.5047=2点C的弯矩为=+(-)1.37+1.37=15121.2262 立柱3的界面抗弯模量为=18.432，所以立柱3中的应力为：=188.5 MPa 由以上可求得各立柱应力为： 1 = 167.6 MPa2 = 110.5 MPa3 = 188.5 MPa4 = 189.05 = 135.0 MPa 6 = 202.6 MPa7 = 203.4 MPa8 = 157.2 MPa 9=132.8 MPa由以上结果知：=175.917 = 203.4 MPa =235 MPa所以此设计满足强度的要求。第四章 车身骨架制造工艺分析本设计车身骨架采用矩形管组焊结构,具有强度高、重量轻的优点。侧围及顶盖均采用通长横梁贯穿,既增加表面平整度,又减少吊运过程中的变形。顶盖边弧度采用小圆弧过渡,这在近几年客车行业是非常流行的。车身侧围蒙皮采用冷张拉工艺,顶两侧蒙皮采用滚压工艺,以提高车身平整度。侧窗采用整幅粘贴结构,保证乘客能够有足够的观景效果,同时在前后部开有通风窗,保证室内空气流通,减少疾病的传递,玻璃采用绿色环保颜色,防止太阳紫外线的辐射,能很好地保护乘客。车身骨架一般采用矩形钢管焊接而成。对于半承载式和全程承载式车身，它与车架或车身底架一起承受全部载荷的作用（即使是非承载式车身），车身骨架也要承受一定载荷的作用，对于强度和刚度有一定的要求。车身骨架的强度除了决定于车身骨架结构形式和矩形钢管截面尺寸外，还受到焊缝质量和焊接头处应力集中的影响。而车身骨架出现的早期断裂，多发生在焊缝上或焊缝附近。保证焊缝质量，减小接头处应力集中，可有效地防止车身骨架的早期断裂。在车身装配中，车身骨架是车身的基础。它的尺寸、形状和误差直接影响车身装配件的安装。因此，必须对它的尺寸和变形进行严格的控制。客车车身骨架壁厚小于2，骨架焊接采用二氧化碳气体保护焊，（用二氧化碳气体保护焊，减少热影响区，也减少了金属受热变形和整个骨架的焊接变形。）在焊接胎具上组焊而成，其制造过程包括矩形管下料成形车身骨架各大片（前围、后围、左侧围、右侧围和顶盖骨架）的组焊车身骨架各大片联装组焊。4.1矩形管下料矩形管下料一般采用锯片切割机切割和矩形管冲断模剪切两种方法。目前，国内使用手动送给的砂轮锯片切割机，基本上能满足生产需要，但存在着嗓音大，粉尘污染严重，切口毛刺多等缺陷。所在，需要寻找矩形管切断工艺新方法。因此，产生了利用矩形管冲断模剪切矩形管工艺。矩形管冲断模是利用剪切原理剪切矩形管的。矩形管在切割刀、活动凹模和固定凹模共同作用下被剪切切断。矩形管冲断模剪切速度快，没有环境污染，经济效益好，但矩形管剪切断面容易产生变形。因此，减小剪切断面变形是冲断模剪切工艺的关键。矩形管的剪切切断过程：矩形管的放置有水平放置和对角放置两种形式。由于放置位置不同，其剪切过程各有特点。对于对角放置的矩形管，剪切过程包括形成切口、剪切矩形管上两边和剪切下两边三个阶段。在冲载力的作用下，切割刀刀尖在矩形管上冲出与切割刀厚度等长的切口。切割刀与活动凹模刃共同作用，剪切矩形管上两边。此时，活动凹模的主要作用是夹持矩形管，减小剪切断面的变形，活动凹模刃对材料的剪切作用比较小。在这个阶段中，与切割刀厚度等宽的废料在切割刀的作用下，向内弯曲。随着剪切过程的进行，切割刀和固定凹模刃共同作用，剪切矩形管下两边。此时，固定凹模刃对材料的剪切作用很大，并且在外侧支承剪切断面，使剪切断面不产生变形。剪切断面变形包括局部产生凹陷和剪切断面被压扁两种情况。通过剪切过程的分析，可以知道剪切断面变形产生在形成切口和剪切上两边阶段。在剪切矩形管上两边阶段中，通过减小切割刀夹角，可有效地减小剪切断面变形。所以，剪切断面变形主要产生在形成切口阶段。剪切断面的变形决定于矩形管的支承刚度、剪切速度和冲载力等因素。矩形管支承刚度大，切割刀尖锋利，剪切速度快，冲我力小，剪切断面变形小。矩形管的支承刚度与矩形管放置位置和切口的位置有关。矩形管对角放置的支承刚度比水平放置大；水平放置的矩形管，切口在两侧的支承刚度比切口在中间的大。4.2成形矩形管的弯曲成型是异形构件加工中最重要、最复杂的一道工序。其加工方法多种多样，有手工压形、滚压成形、模具压形和弯机管弯形等方法。1.手工压形 这种加工方法灵活，适用范围广，对一些三维或多曲率组合的管件比较实用，但效率低，人工量大，曲线不光滑，难以大批量生产。2.滚压成形 这种加工方法非常适合单一曲率构件的加工，经滚压后的构件曲线光滑，但同样存在效率低，一根构件需多次滚压才能成形的缺点。3.模具压形 特点是效率高，适合批量生产，缺点是对管件的材质要求高，回弹要一致，同时对不同曲率的管件，需制作不同的模具，模具投入量较大，模具确定后，压制不同批次的材料，回弹不一，难以调整。4.弯机管弯形 上述三种工艺对于加工曲率半径大的构件比较适合，而对于一些小曲率半径的构件，就显得力不从心，或难以适应大批量生产，先进的数控弯机管就能达到这类构件的要求。客车顶盖骨架中的顶横梁便是一个典型构件。使用数控弯管机可一次加工完成，该机床由微机控制，油路系统装有液压伺服阀，X向和Y向均装有位移传感器，在弯形中保证两个方向的位移量符合全成曲线的坐标值，如有不对，计算机能及时得到反馈进行调整。Y方向的值越大，表示弯曲率越大，反之越小。该机自动化程度高，效率高，应用范围广，能适应各种不同曲率的构件，以及多曲率组合的构件，不需投入大量的模具，使用方便，弯出的构件与样板的贴合度一般不大于2。由此，在矩形管的弯曲程度不同时，弯曲成型的方法也有所区别，对于弯曲半径小（R=200300）的矩形管弯曲件，一般多采用弯管机弯曲成型；对于弯曲半径大于500的矩形管弯曲件，一般采用弯曲模压制成型。4.3车身骨架的焊接客车车身骨架合装是国内客车生产厂家大批量生产时普遍采用的生产工艺,也是提高生产线生产效率的主要途径,分为五大总成合装和六大总成合装两种形式。五大总成合装是指将客车车身前、后围骨架总成,左、右侧围骨架总成和大顶骨架总成分别在地面胎具上组合焊接后,