CN102874323A - 一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构，包括顶边纵梁、上腰梁、下腰梁以及两根侧围立柱，该顶边纵梁、上腰梁和下腰梁由高至低排布并均客车前后方向延伸，该两根侧围立柱分别设置在客车前部和客车后部，并与顶边纵梁、上腰梁和下腰梁均相连；该上腰梁与顶边纵梁之间的区域为侧围骨架上部，该下腰梁与上腰梁之间的区域为侧围骨架下部，该侧围骨架下部的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的2.40～2.60倍，客车顶棚的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的0.8～1.0倍。本发明在达到侧围骨架不侵入客车生存空间的要求，即满足ECE-R66法规的情形下，能让侧围骨架的刚度不被浪费掉，如此达到最佳的刚度利用，从而具有节省材料和成本低的功效。

Description

一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构

技术领域

本发明涉及客车领域，更具体的说涉及一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构，其在能确保达到ECE-R66法规的同时，还具有成本低的功效。

背景技术

随着我国城市交通网络的发展和公路客运量的迅猛增长,客车的安全性正越来越受到广泛地重视。其中，侧翻是客车交通事故中最为主要的形式之一,与轿车相比,由于客车乘员较多,一旦发生翻车事故,其造成的生命财产损失往往更加严重。因此,如何提高客车的抗侧翻能力,以期更好地保护乘客的生命安全已成为一个非常重要的问题。按照ECE-R66法规，客车在进行试验时及试验后，应确保其上部结构具有足够的强度和刚度，与侧窗立柱相关的具体要求为车身任何部分的位移都不允许侵入生存空间。

目前，提高客车侧翻安全性能主要是采用闭环结构设计的方式，每个闭环结构基本包含了一根顶盖弧杆、两根侧围立柱、两个侧窗立柱以及地板骨架横梁。此结构为结构受力的关键，在侧翻碰撞过程中起到决定性作用。但中国客车公司许多车型的闭环结构难以通过ECE-R66法规的要求。为了解决客车侧翻的安全性问题，目前主要都是采用如下五种方式进行问题的研究：一、改进侧窗立柱截面形状；二、改进结构的横断面强度，保证闭环的连续性；三、减小侧窗跨度，提高结构的紧凑性；四、改进闭环内杆件连接方式；五、采用高强度材料，提高结构整体性能。上述方法往往需要高品质的材料或者是大量的材料，而高品质材料往往都具有价格高的特点，如此大大提高了客车造价，无法适应激烈的市场竞争。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构，以解决现有技术在达到客车侧翻安全性结构时，价格居高不下的问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构，其中，包括顶边纵梁、上腰梁、下腰梁以及两根侧围立柱，该顶边纵梁、上腰梁和下腰梁由高至低排布并均客车前后方向延伸，该两根侧围立柱分别设置在客车前部和客车后部，并与顶边纵梁、上腰梁和下腰梁均相连；该上腰梁与顶边纵梁之间的区域为侧围骨架上部，该下腰梁与上腰梁之间的区域为侧围骨架下部，该侧围骨架下部的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的2.40～2.60倍，客车顶棚的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的0.8～1.0倍。

进一步，该侧围骨架下部的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的2.5倍，该客车顶棚的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的0.9倍。

采用上述结构后，本发明涉及的一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构，其通过使得侧围骨架下部的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的2.40～2.60倍，以及客车顶棚的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的0.8～1.0倍，如此在达到侧围骨架不侵入客车生存空间的要求，即满足ECE-R66法规的情形下，能让侧围骨架的刚度不被浪费掉，如此达到最佳的刚度利用，从而具有节省材料和成本低的功效。

附图说明

图1为客车处于正常运行状态的结构示意图；

图1A为图1的放大示意图；

图2为客车处于侧翻状态的示意图。

图中：

闭环结构        100

顶边纵梁        1        上腰梁2

下腰梁          3        侧围立柱4

顶棚            5        生存空间S

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本发明的核心在于对客车闭环结构进行设计，其设计的主要目的又是利用刚度匹配的方式达到各部分刚度的充分利用，避免出现局部刚度浪费的问题。当然设计的前提是使得客车能够满足客车上结构强度法规要求，即在侧翻试验中车身任何部分的位移都不侵入生存空间S，满足ECE-R66侧翻安全法规要求，保证结构的可靠性设计，及保证结构的可制作性和工艺性。

造成侧翻碰撞安全性原因有许多，其中封闭几何环为结构受力的关键，其刚度和强度设计起着决定性作用。

请参照图1和图1A所示，本发明涉及的一种客车闭环结构100，其包括顶边纵梁1、上腰梁2、下腰梁3以及两根侧围立柱4，该顶边纵梁1、上腰梁2和下腰梁3由高至低排布并均客车前后方向延伸，该两根侧围立柱4分别设置在客车前部和客车后部，并与顶边纵梁1、上腰梁2和下腰梁3均相连；该上腰梁2与顶边纵梁1之间的区域为侧围骨架上部，该下腰梁3与上腰梁2之间的区域为侧围骨架下部。

在客车侧翻时，该顶边纵梁1会首先着地，产生一个大的碰撞力，并对侧围立柱4形成一个弯曲力矩。该碰撞力和力矩最可能对侧围立柱4与顶边纵梁1或其它杆件的连接处造成破坏。所以，在大客车侧翻中，侧围骨架上部（即侧围在顶边纵梁1和上腰梁2间段）、侧围骨架下部（即侧围在上腰梁2和下腰梁3间段）和顶棚5间刚度匹配设计尤为重要。

一、侧围骨架下部与侧围骨架上部等效刚度匹配设计：

由于在侧翻中，底架变形较小，可以视为刚体，这样客车上围结构可视为固连在底架上的悬支梁，受到一个载荷，即碰撞力。为了便于分析，现只针对碰撞侧的侧围进行分析，并根据侧翻法规建立其刚度分析模型（将侧围简化为一根侧立柱），如图1所示。在图中P为侧翻着地时受到的碰撞力，F为碰撞力传递到A点的弯曲力。根据ECE-R66法规要求，C点侵入量不能超过w₂（约为140mm），A点侵入量不能超过w₁（约为380mm）。假设在侧翻中侧围骨架只发生弯曲变形，则侧围骨架的侵入问题可以转化为求侧围立柱4挠度的问题。

a）假设侧围骨架为上下部等刚度结构：

根据碰撞力P和弯矩M平衡，可得出A点受到弯曲力F，则AD段：

M(x)=-Fx      （0≤x≤1.25）

EIw″=-Fx

${\mathrm{EIw}}^{\′}=-\frac{F}{2}{x}^2+C$

$\mathrm{EIw}=-\frac{F}{6}{x}^3+\mathrm{Cx}+D$

由边界条件和连续条件确定积分常数：

由x=1.25，即下腰梁3处，w′=0，得C≈1.78F；

由x=1.25，即下腰梁3处，w=0，得D≈-0.65F；

可知上下等刚度结构的挠曲方程为：

$w\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{EI}}(-{\mathrm{Fx}}^3/6+0.78\mathrm{Fx}-0.65F)$

由上述挠曲方程计算可知，C点与A点的挠度比值为

$\frac{w_C}{w_A}\≈0.2$

可是它们的允许比值

$\frac{w_{C0}}{w_{A0}}=\frac{0.14}{0.38}=0.368$

可见，当侧围骨架为上下部等刚度时，相对C点，A点会提前侵入到生存空间S中。

b）侧围骨架为上下部不等刚度结构：

如图1所示，设侧围骨架上部刚度为EI₁，侧围骨架下部刚度为EI₂，取初始值，h为A点到上腰梁2的垂直距离，根据一般客车设计可取0.5m。

AB段：

M₁(x)=-Fx₁　     （0≤x₁≤h）

$E_1{I}_1{w}_1^{\′}=-\frac{F}{2}{x}_1^2+C_1$

$E_1{I}_1{w}_1=-\frac{F}{6}{x}_1^3+C_{1}x+D_1$

BD段：

M₂(x)=-Fx₂　　　（h≤x₂≤1.25）

$E_2{I}_2{w}_2^{\′}=-\frac{F}{2}{x}_2^2+C_2$

$E_2{I}_2{w}_2=-\frac{F}{6}{x}_2^3+C_{2}x+D_2$

由边界条件和连续条件可确定积分常数：

C₁=0.4525F  D₁=-0.346F

C₂≈0.78F    D₂≈-0.65F

可知当下部结构刚度是上部结构刚度的2倍时下部的挠曲方程为：

$w\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{EI}}(-{\mathrm{Fx}}^3/6+0.78\mathrm{Fx}-0.65F)$

上部挠曲方程为：

$w\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{EI}}(-{\mathrm{Fx}}^3/6+0.4525\mathrm{Fx}-0.346F)$

当侧围骨架为上下等刚度结构时，设等效刚度为E₀I₀，如果要求A点的挠度相同，根据挠曲方程可得到

，即侧围等刚度时的等效刚度是变刚度时上部刚度的1.88倍，显然等刚度时所使用材料要更多。

同时，由挠曲方程可得到

，则表明如果当A点的挠度相同时，采用变刚度的侧立柱在C点的变形还要小于等刚度侧立柱的相应变形（约为0.94倍）。

因此，当适当增加侧围骨架下部刚度时，可以较为明显的弥补由于侧围刚度不足而造成侧翻安全性差的影响。其常采用的措施是在上下腰梁3之间多设计几根短立柱和斜撑杆以增加侧围骨架下部刚度。为了便于指导设计，可令

，根据前述挠曲方程得到

，即侧围骨架下部刚度为上部刚度的2.5倍。为了给予一定的设计空间及误差，使得

比值上下浮动控制在0.5%内，即比值取0.189～0.191，代入挠曲方程得到侧围骨架下部等效刚度设计与上部等效刚度设计比值为2.40～2.60。

2) 顶棚5与侧围骨架上部等效刚度匹配设计：

在客车的侧翻中，由于顶棚5的弯曲变形直接会影响到碰撞力传递到另一侧围，所以顶棚5的刚度设计也非常重要。

客车侧翻中侧围顶边纵梁1首先着地，产生一个大的碰撞力（设为F₀）。这个碰撞力可分解为对侧围骨架产生的弯曲力（设为F_s）和对顶棚5产生一个弯曲力（设为F_d），如附图2所示。

$\frac{F_d}{F_s}\≈\tan Q$     （Q为临界着地碰撞时侧立柱与地面的夹角）

为了方便分析，把侧围和顶棚5各视为悬支梁。根据悬支梁最大弯曲挠度公式

，可近似得出

$\frac{w_d}{w_s}=\frac{F_d{l}_d^3}{F_s{l}_s^3}*\frac{E_s{I}_s}{E_d{I}_d}$ （l_s为侧立柱上碰撞点到地板的高度，l_d为顶棚5宽度，w_s为侧立柱着地点弯曲变形，w_d为顶弧杆着地点弯曲变形，E_sI_s为侧围等效刚度，E_dI_d为顶棚5等效刚度）

根据大客车的一般设计，l_s/l_d大约为0.80，tanQ大约为0.25，可得出：

$\frac{w_d}{w_s}\≈0.488\frac{E_s{I}_s}{E_d{I}_d}$

假设侧立柱着地点弯曲变形与顶弧杆着地点弯曲变形相等，这时

，从而可得出

。根据前述侧围刚度匹配可得到侧围等效刚度是侧围骨架上部刚度的1.9倍，即可得到顶棚5刚度是侧围骨架上部刚度的0.9倍左右。同样，为了给予一定的设计空间，使得l_s/l_d比值取0.78～0.82，tanQ取0.24～0.26，代入公式可得出顶棚5等效刚度设计与侧围上部等效刚度设计比值为0.8～1.0。

综上所述，本发明通过使得侧围骨架下部的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的2.40～2.60倍，以及客车顶棚的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的0.8～1.0倍，如此在达到侧围骨架不侵入客车生存空间的要求，即满足ECE-R66法规的情形下，能让侧围骨架的刚度不被浪费掉，如此达到最佳的刚度利用，从而具有节省材料和成本低的功效。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (2)

1.一种兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构，其特征在于，包括顶边纵梁、上腰梁、下腰梁以及两根侧围立柱，该顶边纵梁、上腰梁和下腰梁由高至低排布并均客车前后方向延伸，该两根侧围立柱分别设置在客车前部和客车后部，并与顶边纵梁、上腰梁和下腰梁均相连；该上腰梁与顶边纵梁之间的区域为侧围骨架上部，该下腰梁与上腰梁之间的区域为侧围骨架下部，该侧围骨架下部的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的2.40～2.60倍，客车顶棚的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的0.8～1.0倍。

2.如权利要求1所述的兼具成本低及客车侧翻安全的客车闭环结构，其特征在于，该侧围骨架下部的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的2.5倍，该客车顶棚的等效刚度为侧围骨架上部的等效刚度的0.9倍。

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