CN108082302A - 一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构 - Google Patents
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Abstract
一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，包括钢骨架边框和中部铝合金桁架，钢骨架边框包括两根边横梁、两根边纵梁；中部铝合金桁架包括复数根第一中横梁、第二中横梁、中纵梁；第一中横梁和第二中横梁均两侧分别通过钢制弧杆与两根边纵梁连接；钢制弧杆还通过斜撑与客车侧围骨架连接；每个中纵梁的两个端部均连接有横式连接件，用于与第一中横梁或第二中横梁或边横梁连接。本发明解决了采用全铝车身骨架的客车车身附加模态较多，整车NVH模态规划工作任务繁重的问题；避免了以往全铝车身骨架或铝顶盖车身骨架设计中，顶盖边纵梁不减重甚至增重的问题；工艺简单可靠；提高了抗侧翻的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种客车用顶部骨架结构，尤其是指一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构。
背景技术
由于汽车轻量化对节能增效日益重要，各大客车产商都投入大量科研经费寻求轻量化设计的有效措施。
现今，为了实现客车骨架的轻量化，主要采用两种途径，一是采用密度较低的材料，如铝合金或复合材料，这种方法涉及较先进的焊接工艺或连接件的设计；二是不论使用传统的钢材还是新材料，通过对骨架拓扑结构或者型材截面结构等进行优化，来充分发挥结构的强度和刚度潜力。
申请公布号为CN106021668A的中国发明专利申请中研究了车身各大片骨架、地板骨架、车架对于整车骨架弯曲刚度和扭转刚度的贡献，结合工程经验，得出结论：对于弯曲刚度，车架、地板骨架和侧围骨架的贡献较大，前后围骨架次之，顶盖骨架几乎没有贡献；对于扭转刚度，车架、地板骨架和侧围骨架的贡献较大，顶盖骨架次之，前后围骨架几乎没有贡献。通过对以往全铝车身或钢铝混合车身骨架应变能分布的研究，扭转工况下，梁的应变能和连接头的应变能占比接近，表明梁和连接头的结构强度对扭转变形起是作用几乎同等重要。
目前公开的中国实用新型专利中，铝车身客车的车身骨架就采用了上文所提到的第一种途径，整车骨架结构通常使用全铝材质制作。但由于铝的杨氏模量约为钢的三分之一，而且侧围骨架对于整车弯曲刚度、扭转刚度贡献均较大，所以这种全铝车身骨架会大幅度降低整车的弯曲刚度和扭转刚度。同时在白车身模态分析中，车身部分的附加模态很多，对整车NVH设计开发和模态匹配带来了不小的工作难度。
目前绝大多数铝车身的顶盖和侧围的连接都使用连接件铆接侧围和顶盖边纵梁。由于铝型材目前的挤压成型工艺只能实现型材的轻微弯曲，无法做到和钢制弧杆一样大的弧度，因此为保证整车刚度和整车高度，铝合金边纵梁的截面大且复杂，质量比传统钢边纵梁大很多，再考虑连接件的附加重量，顶盖骨架轻量化程度非常有限，甚至增重。
发明内容
本发明提供一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，致力于在较大幅度减轻顶盖骨架质量的同时，保持整车骨架主要的力学性能，使载荷分配更加合理，以克服全铝车身骨架的客车车身附加模态较多，整车NVH模态规划工作任务繁重的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，包括钢骨架边框和中部铝合金桁架，
所述钢骨架边框包括与客车侧围骨架连接的两根边纵梁以及分别与客车前围、后围骨架连接的两根边横梁，该两根边纵梁与两根边横梁相互连接形成一框架；
所述中部铝合金桁架包括复数根装设于所述钢骨架边框之内的第一中横梁，相邻两个第一中横梁之间均装设有一第二中横梁，并且相邻的第一中横梁和第二中横梁之间、相邻的第一中横梁与边横梁之间均连接有复数根中纵梁；
每个所述第一中横梁和第二中横梁均两侧分别通过钢制弧杆与两根边纵梁连接；每个所述钢制弧杆还通过斜撑与所述侧围骨架连接；
每个中纵梁的两个端部均连接有横式连接件，用于与所述第一中横梁或第二中横梁或边横梁连接。
进一步的，所述横式连接件为铝制型材，其包括一体成型并相互垂直的橫式抵接板与橫式插入板，所述橫式抵接板与所述第一中横梁或第二中横梁或边横梁相贴合地铆接在其上，所述橫式插入板插入所述中纵梁内并与其铆接。
进一步的，所述钢制弧杆一端与所述第一中横梁或第二中横梁铆接、另一端与所述边纵梁焊接。
进一步的，所述第一中横梁与第二中横梁的规格均小于所述钢制弧杆从而能够插入到钢制弧杆内与其铆接固定。
进一步的，所述第一中横梁的薄壁厚度大于所述第二中横梁、中纵梁的薄壁厚度。
进一步的，所述复数根中纵梁中，作为空调安装支架的中纵梁薄壁厚度大于其它中纵梁。
进一步的，所述复数根中纵梁中，作为天窗定位梁的中纵梁相互之间连接有复数个第三中横梁；每个第三中横梁的两个端部均连接有纵式连接件，用于与所述中纵梁连接。
进一步的，所述纵式连接件也为铝制型材，其包括一体成型并相互垂直的纵式抵接板与纵式插入板，所述纵式抵接板与所述中纵梁相贴合地铆接在其上，所述纵式插入板插入所述第三中横梁内并与其铆接，所述纵式插入板的两侧还分别通过斜板与所述纵式抵接板连接。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于:
1、本发明结构简单、实用性强，通过设计出钢铝混合的顶部骨架，能够获得如下优点：一、解决了采用全铝车身骨架的客车车身附加模态较多，整车NVH模态规划工作任务繁重的问题；二、避免了以往全铝车身骨架或铝顶盖车身骨架设计中，顶盖边纵梁不减重甚至增重的问题；三、去掉了现有顶盖和侧围之间繁琐的连接，将边纵梁与侧围骨架直接焊接便可，工艺简单可靠；四、充分发挥了钢优秀的焊接性能，将钢制弧杆与边纵梁之间直接焊接，将钢制弧杆与侧围骨架之间通过斜撑焊接，与以往铝车身骨架相比，提高了抗侧翻的能力。
2、本发明中，为弥补铝的杨氏模量比铁低所带来的整车骨架扭转刚度的下降，在设计了第一中横梁之后，又增加了第二中横梁，从而提高了整车骨架扭转刚度。
3、本发明中，在考虑综合力学性能的前提下，设计了横式连接件，其主要承受以整车坐标系X向为法向（右手定则）的扭转力矩，大大减小了铆钉所受的剪切力，提高铆钉的使用寿命和连接稳固性。
4、本发明中，以顶盖所有横、纵梁的厚度为设计变量，记SM为整车骨架总质量对设计变量的灵敏度，记SN为整车扭转刚度对设计变量的灵敏度，引入相对灵敏度SNM= SN/SM，其值越大，说明改变等量刚度所需改变的质量越小。因此对第一中横梁和作为空调安装支架的中纵梁这些相对灵敏度高的梁，提高其厚度，增大其薄壁截面规格，便能够以增加较小质量的代价来较大幅度地提高整车骨架的扭转刚度；而第二中横梁和其他中纵梁的相对灵敏度较小，说明其对扭转刚度的贡献微乎其微，因此减小其规格，甚至在确保其不是功能件的前提下可以根据需求直接删除，这样可以在减小骨架质量的同时又保证扭转刚度只有微小幅度的下降。
5、本发明中，在考虑综合力学性能的前提下，设计了纵式连接件，其主要承受以整车坐标系X向的弯曲力，也大大减小了铆钉所受的剪切力，提高铆钉的使用寿命和连接稳固性。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明的断面结构示意图。
图4为图1中A的放大示意图。
图5为图1中所述横式连接件的结构示意图。
图6为图1中所述纵式连接件的结构示意图。
图7为图1中B的放大示意图。
图8为本发明中所述中纵梁的截面图。
图9为现有技术中顶部骨架结构的俯视图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8。一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，包括钢骨架边框1和中部铝合金桁架2，其中，
钢骨架边框1包括与客车侧围骨架3连接的两根边纵梁11以及分别与客车前围骨架4、后围骨架5连接的两根边横梁12，该两根边纵梁11与两根边横梁12相互连接形成一框架；具体的，边横梁12与边纵梁11均为钢制，边纵梁11与客车侧围骨架3之间，边横梁12与客车前围骨架4、后围骨架5之间均采用焊接；
中部铝合金桁架2包括复数根装设于钢骨架边框1之内的第一中横梁21，相邻两个第一中横梁21之间均装设有一第二中横梁22，并且相邻的第一中横梁21和第二中横梁22之间、相邻的第一中横梁21与边横梁12之间均连接有复数根中纵梁23；具体的，第一中横梁21、第二中横梁22、中纵梁23均为铝制；
每个第一中横梁21和第二中横梁22均两侧分别通过钢制弧杆6与两根边纵梁11连接；每个钢制弧杆6还通过斜撑7与侧围骨架3连接；具体的，钢制弧杆6一端与第一中横梁21或第二中横梁22铆接、另一端与边纵梁11焊接；斜撑7与钢制弧杆6、侧围骨架3的连接方式均为焊接；
每个中纵梁23的两个端部均连接有横式连接件8，用于与第一中横梁21或第二中横梁22或边横梁12连接。
通过设计出钢铝混合的顶部骨架，能够获得如下优点：一、解决了采用全铝车身骨架的客车车身附加模态较多，整车NVH模态规划工作任务繁重的问题；二、避免了以往全铝车身骨架或铝顶盖车身骨架设计中，顶盖边纵梁不减重甚至增重的问题；三、去掉了现有顶盖和侧围之间繁琐的连接，将边纵梁11与侧围骨架3直接焊接便可，工艺简单可靠；四、充分发挥了钢优秀的焊接性能，将钢制弧杆6与边纵梁11之间直接焊接，将钢制弧杆6与侧围骨架3之间通过斜撑7焊接，与以往铝车身骨架相比，提高了抗侧翻的能力。
参照图1和图9。现有的顶部骨架结构10中的横梁100总数为8根，而本发明中，第一中横梁、第二中横梁、边横梁的总数为13根，其主要是为了弥补铝的杨氏模量比铁低所带来的整车骨架扭转刚度的下降，因此在保持第一中横梁的位置基本不动的情况下，又增加了第二中横梁，从而提高了整车骨架扭转刚度。
参照图1、图2、图3、图4、图5。横式连接件8为铝制型材，其包括一体成型并相互垂直的橫式抵接板81与橫式插入板82，橫式抵接板81与第一中横梁21或第二中横梁22或边横梁12相贴合地铆接在其上，橫式插入板82插入中纵梁23内并与其铆接。本发明在考虑综合力学性能的前提下，设计了横式连接件8，其主要承受以整车坐标系X向为法向（右手定则）的扭转力矩，大大减小了铆钉所受的剪切力，提高铆钉的使用寿命和连接稳固性。
经过仿真试验，在以橫式插入板（X向）为法向对该橫式插入板施加大小为1000N×mm的扭转力矩（右手定则），得出该橫式插入板的扭转角为︱θA︱=3.21×10-4mm；而传统的连接件的扭转角为︱θB︱=3.20×10-5mm。可以看到，扭转角大小差了整整一个数量级，因此本橫式插入板在抵抗扭转变形的能力上，是传统接头所不能相提并论的。
参照图1、图7。具体的，第一中横梁21与第二中横梁22的规格均小于钢制弧杆6从而能够插入到钢制弧杆6内与其铆接固定。
参照图1、图2、图3。第一中横梁21的薄壁厚度大于第二中横梁22、中纵梁23的薄壁厚度。复数根中纵梁23中，作为空调安装支架231的中纵梁薄壁厚度大于其它中纵梁。
具体的，以顶盖所有横、纵梁的厚度为设计变量，记SM为整车骨架总质量对设计变量的灵敏度，记SN为整车扭转刚度对设计变量的灵敏度，引入相对灵敏度SNM= SN/SM，其值越大，说明改变等量刚度所需改变的质量越小。因此本发明对第一中横梁21和作为空调安装支架231的中纵梁这些相对灵敏度高的梁，提高其厚度，增大其薄壁截面规格，便能够以增加较小质量的代价来较大幅度地提高整车骨架的扭转刚度；而第二中横梁22和其他中纵梁的相对灵敏度较小，说明其对扭转刚度的贡献微乎其微，因此减小其规格，甚至在确保其不是功能件的前提下可以根据需求直接删除，这样可以在减小骨架质量的同时又保证扭转刚度只有微小幅度的下降。
参照图1和图8。为了合理发挥铝型材成型截面可做异型的优势，优化中纵梁的截面形式，使中纵梁23的横面233和立面234的厚度更合理化，即横面233的厚度大于立234的厚度，以更适应承受X向扭转力矩的工况，至于具体尺寸，可根据各个中纵梁的相对灵敏度进行设置。
参照图1、图2、图3、图4、图6。复数根中纵梁23中，作为天窗定位梁232的中纵梁相互之间连接有复数个第三中横梁24；每个第三中横梁24的两个端部均连接有纵式连接件9，用于与中纵梁连接。该纵式连接件9也为铝制型材，其包括一体成型并相互垂直的纵式抵接板91与纵式插入板92，纵式抵接板91与中纵梁23相贴合地铆接在其上，纵式插入板92插入第三中横梁24内并与其铆接，纵式插入板92的两侧还分别通过斜板93与纵式抵接板91连接。本发明在考虑综合力学性能的前提下，设计了纵式连接件9，其主要承受以整车坐标系X向的弯曲力，也大大减小了铆钉所受的剪切力，提高铆钉的使用寿命和连接稳固性。
经过仿真试验，对纵式插入板（Y向）上用于与第三中横梁铆接的端部施加方向为X向的大小为1000N的力，得出该纵式插入板的X向位移为︱XA︱=3.42mm；而传统的连接件的X向位移为︱XB︱=9.23mm。可以看到，本发明中的纵式连接件明显提高了接头在该工况下的抵抗变形的能力。
本发明以横式连接件8为主、纵式连接件9为辅，在优化了连接件抵抗关键工况的变形能力的同时，也实现了连接件的轻量化，在各个实施例中，顶部骨架结构中所有连接件的总质量比传统铝顶盖方案平均下降了36.2%。一款10.4m纯电动非顶置电池钢骨架公交车，原钢骨架顶盖骨架总重262kg。在轻量化设计中使用了本发明的钢铝混合顶部骨架结构，实现了顶盖骨架减重39kg，占原顶盖骨架总重量的14.9%，经有限元分析，弯曲刚度几乎不变，扭转刚度只下降了1.5%。强度分析合格。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (8)
1.一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：包括钢骨架边框和中部铝合金桁架，
所述钢骨架边框包括与客车侧围骨架连接的两根边纵梁以及分别与客车前围、后围骨架连接的两根边横梁，该两根边纵梁与两根边横梁相互连接形成一框架；
所述中部铝合金桁架包括复数根装设于所述钢骨架边框之内的第一中横梁，相邻两个第一中横梁之间均装设有一第二中横梁，并且相邻的第一中横梁和第二中横梁之间、相邻的第一中横梁与边横梁之间均连接有复数根中纵梁；
每个所述第一中横梁和第二中横梁均两侧分别通过钢制弧杆与两根边纵梁连接；每个所述钢制弧杆还通过斜撑与所述侧围骨架连接；
每个中纵梁的两个端部均连接有横式连接件，用于与所述第一中横梁或第二中横梁或边横梁连接。
2.如权利要求1所述一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：所述横式连接件为铝制型材，其包括一体成型并相互垂直的橫式抵接板与橫式插入板，所述橫式抵接板与所述第一中横梁或第二中横梁或边横梁相贴合地铆接在其上，所述橫式插入板插入所述中纵梁内并与其铆接。
3.如权利要求1所述一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：所述钢制弧杆一端与所述第一中横梁或第二中横梁铆接、另一端与所述边纵梁焊接。
4.如权利要求3所述一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：所述第一中横梁与第二中横梁的规格均小于所述钢制弧杆从而能够插入到钢制弧杆内与其铆接固定。
5.如权利要求1所述一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：所述第一中横梁的薄壁厚度大于所述第二中横梁、中纵梁的薄壁厚度。
6.如权利要求1所述一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：所述复数根中纵梁中，作为空调安装支架的中纵梁薄壁厚度大于其它中纵梁。
7.如权利要求1所述一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：所述复数根中纵梁中，作为天窗定位梁的中纵梁相互之间连接有复数个第三中横梁；每个第三中横梁的两个端部均连接有纵式连接件，用于与所述中纵梁连接。
8.如权利要求7所述一种客车用的钢铝混合顶部骨架结构，其特征在于：所述纵式连接件也为铝制型材，其包括一体成型并相互垂直的纵式抵接板与纵式插入板，所述纵式抵接板与所述中纵梁相贴合地铆接在其上，所述纵式插入板插入所述第三中横梁内并与其铆接，所述纵式插入板的两侧还分别通过斜板与所述纵式抵接板连接。
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