低地板全承载式纯电动城市公交客车车身结构

摘要

一种低地板全承载式纯电动城市公交客车车身结构涉及客车结构设计领域，车身中段是由上层框架结构、下层框架结构及一些连接它们的立柱和斜拉板组成的一个整体承载式双层桁架结构，上下层框架结构的间距为140±10mm，地板离地高度为360±10mm，实现了一级踏步；其中上层框架结构与下层框架结构的横向杆件和纵向杆件的交点在垂直方向上对齐，小截面立柱布置在交点处来连接上下层框架，这样上下层杆件及立柱构成了四边形框架，斜拉板布置在四边形框架的对角线上，布置的方向是沿着在危险工况时四边形框架对角线伸长的方向；本发明采用低地板方便了乘客上下车，地板低整车的重心降低，也提高了车辆的安全性、舒适性和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及客车结构设计领域，特别涉及一种新型全承载式城市公交客车车身结构 形式。

技术背景

近年来，随着经济的发展，城市私家车越来越多，由此造成的道路拥挤和环境污染日 益严重。由汽车产业的发展所引起的燃油供应紧张，油价飞涨等问题也越来越凸显出。目 前能够尽量缓解交通压力，方便乘客出行的最简单和最经济的途径是大力发展公共交通。 与其他交通工具相比，公共汽车主要有两大优势：一是成本低；二是可以利用现有的道路， 所以近年来公共交通受到了高度重视，且随着当前城市化水平的不断提高，城市公共交通 逐渐成为热点，人们对城市公交客车也提出了更高的要求。

目前，国内运营的大部分公交客车车身结构基本都是多级踏步的燃油公交车，少量比 较新型的是一级踏步的低入口混合动力公交车。

低地板承载式纯电动公交车与传统的公交客车相比，有以下几个优点：

一、我国目前正处在人口老龄化加速发展时期，老年人的出行越来越受到关注。与普 通公交车相比，底盘较低、车内地板与地面仅一步距离的低地板公交车，方便了老人、儿 童以及残障人士乘车，并且乘客上下车更快捷，会由此缩短车站停留时间，从而提高了公 交车运营效率，也相应增大了客运量。同时地板低整车的重心降低，也提高了车辆的安全 性、舒适性和稳定性。

二、电动汽车由于采用电能作为动力源，所以电动汽车与相同功率的内燃发动机相比 电机的体积要小，能量的利用率高，振动噪声小，操作方便，再加上公交客车线路固定， 停靠站点固定，这样便于在公交客车集中的地点建立充电设施，可行度大。

申请人通过大量的调查总结及理论研究，在满足人们需求的同时，基于全承载思想， 发明了一种合理的低地板承载式纯电动公交客车车身结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合市场需求的新型低地板全承载式纯电动公交客车车身 结构。

结合附图，说明如下：

一种低地板全承载式纯电动城市公交客车车身结构由前、后围、顶盖、左、右侧围及 底架等分总成组成，其中底架又由前悬、后悬及底架中段三部分构成，其各分总成均是由 小截面杆件组成的空间桁架结构。该车身结构将乘客门开在前、后悬，车身中段为完整的 框架结构，车身底架中段是由上层框架结构、下层框架结构及一些连接它们的立柱和斜拉 板组成的一个整体承载式双层桁架结构，上下层框架结构的间距为140±10mm，地板离 地高度为360±10mm，实现了一级踏步；其中上层框架结构与下层框架结构的横向杆件 和纵向杆件的交点在垂直方向上对齐，小截面立柱布置在交点处来连接上下层框架，这样 上下层杆件及立柱构成了四边形框架，斜拉板布置在四边形框架的对角线上，布置的方向 是沿着在危险工况时四边形框架对角线伸长的方向；上、下层框架结构均是由小截面横向 杆件、小截面纵向杆件及小截面斜撑组成的。

所述的底架横向杆件及纵向杆件大部分采用截面尺寸为高40～50mm、宽40～50mm、 厚2～4mm的矩形钢管；底架中段的立柱及斜撑采用截面尺寸为长30～40mm、宽 30～40mm、厚1.5～2.5mm的矩形钢管；底架中的斜拉板采用宽30～40mm、厚2～4mm 的平行四边形薄板。

所采用的斜拉板上部的水平焊缝与被焊接杆件的上表面相距4～8mm，斜焊缝的下端 点与被焊接杆件的下表面相距4～6mm；斜拉板下部的水平焊缝与被焊接杆件的下表面相 距4～8mm，斜焊缝的上端点与被焊接杆件的上表面相距4～6mm；焊缝与小立柱的最小 间距为30～42mm。

所述的双层桁架式底架结构的后桥处局部采用坡地板，坡度大约为2°～3°，该坡地板 上坡起始于距离后悬中点前方2460mm处，终止于距离后悬中点前方215mm处，下坡 起始于距离后悬中点后方215mm处，终止于距离后悬中点后方960mm处，距离后悬中 点前方215mm处到距离后悬中点后方215mm处的这段地板是平的。

本发明的有益效果：

该车身结构能有效地降低结构各杆件的非轴向载荷，使整车的受力更加合理、载荷分 配更加均匀从而发挥结构构件的最大潜能，与同类车型相比，车身的强度、刚度都得到了 有效的提高，在同等条件下，车身结构重量可以降低15%以上。焊缝设计使焊缝热影响区 远离被焊接梁的高应力区域，从而提高结构的承载能力，本发明采用低地板方便了乘客上 下车，提高了公交运营效率，地板低整车的重心降低，也提高了车辆的安全性、舒适性和 稳定性；采用电能作为动力源，电机所占空间小，能量的利用率高，振动噪声小，操作方 便。

附图说明：

图1为车身结构各分总成示意图；

图2为整车示意图；

图3为底架侧视图及上下层框架结构示意图；

图4为底架侧视图及一些局部视图；

图5为斜拉板布置示意图；

图6为底架中段部分俯视图及底架横向斜拉板的布置示意图；

图7为底架俯视图及纵向斜拉板的布置示意图；

图8为整车总布置示意图；

其中：1、前围2、后围3、顶盖4、左侧围5、右侧围6、底架7、前车 门8、后车门9、底架立柱Ⅰ10、纵向斜拉板Ⅰ11、横向斜拉板Ⅰ12、下横向 杆件Ⅰ13、上横向杆件Ⅰ14、左侧围立柱Ⅰ15、底架立柱Ⅱ16、底架立柱Ⅲ17、 横向斜拉板Ⅱ18、纵向斜拉板Ⅱ19、纵向斜拉板Ⅲ20、纵向斜拉板Ⅳ21、纵向 斜拉板Ⅴ22、纵向斜拉板Ⅵ23、纵向斜拉板Ⅶ24、司机座椅25、整车控制器26、 变速器27、电机28、电机控制器B、电池

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

该车身结构如图1所示，由前围1、后围2、顶盖3、左侧围4、右侧围5及底架6 等分总成组成，其中底架又由前悬、后悬及底架中段三部分构成。其各分总成均是由小截 面杆件组成的空间桁架结构。该车身结构将乘客门开在前、后悬，保证了车身中段承载结 构完整，这样车身中段完整的桁架式结构作为一个整体具有极强的承载能力，如图2所示 （其中7是前车门、8是后车门）。该车身结构所受载荷的主要传递路径是：载荷由底架结 构快速传递给左右侧围，又由左右侧围结构传给前后悬架结构。

车身底架如图3所示，由上层框架结构、下层框架结构及一些连接它们的立柱和斜拉 板组成的一个整体承载式双层桁架结构，上下层框架结构的间距为140±10mm，地板离 地高度为360±10mm，实现了一级踏步。上层框架结构和下层框架结构均是由小截面横 向杆件、小截面纵向杆件及小截面斜撑组成，为保证应力在底架杆件的各个交界处能够很 好地传递，应力集中不明显，使各杆件受力合理，发挥杆件最大潜能，上层框架结构的斜 撑与下层框架结构的斜撑在俯视方向上呈交叉式分布，如图6所示，上层框架结构的斜撑 及下层框架结构的斜撑具体布置如图3中的局部图所示。同时为了保证车身结构具有良好 的刚度及良好的应力导流，上层框架结构与下层框架结构的横向杆件和纵向杆件的交点在 垂直方向上对齐，小截面立柱布置在交点处来连接上下层框架。这样上下层杆件及小截面 立柱构成了四边形框架，四边形框架不稳定且承载能力弱，而底架上下层距离又太小，底 架横向和纵向的斜撑不好布置且工艺性不好不便于焊接操作，所以采用双层同向的斜拉板 代替斜撑。与斜撑相比，斜拉板只能承受拉而不能承受压，本发明通过在危险工况下预分 析的变形云图来判断受拉方向从而将所有的斜拉板合理布置在四边形框架的对角线伸长 方向上。

车身杆件主要受垂直载荷而产生弯曲变形，这样梁的上下表面所受弯曲应力较大，是 高应力区域，而焊缝的热影响区会影响材料的力学性能。鉴于上述原因焊缝位置和尺寸的 设计不仅要保证焊接强度，而且要使焊缝热影响区远离被焊接梁的高应力区域，从而提高 结构的承载能力，所以斜拉板相对四边形框架结构的具体焊缝位置及尺寸如下：所采用的 斜拉板上部的水平焊缝与被焊接杆件的上表面相距4～8mm，斜焊缝的下端点与被焊接杆 件的下表面相距4～6mm；斜拉板下部的水平焊缝与被焊接杆件的下表面相距4～8mm， 斜焊缝的上端点与被焊接杆件的上表面相距4～6mm；焊缝与小立柱的最小间距为 30～42mm。

构成双层底架的横向杆件及纵向杆件大部分采用截面尺寸为高40～50mm、宽 40～50mm、厚2～4mm mm的矩形钢管；小立柱采用截面尺寸为长30～40mm、宽 30～40mm、厚1.5～2.5mm的矩形钢管；斜撑采用截面尺寸为长30～40mm、宽 30～40mm、厚1.5～2.5mm的矩形钢管；斜拉板采用宽30～40mm，厚2～4mm的平行 四边形薄板。

本发明的车身结构是低地板，乘客上下车无阶梯，地板上平面距离地面仅有360mm, 底架为双层桁架结构且上下层的间距为140mm，如图4中底板厚度与地板离地间距示意 图所示。为了保证车桥的安装及部件的运动不干涉，后桥附近的地板设计成大约2°～3° 的坡度，该坡地板上坡起始于距离后悬中点前方2460mm处，终止于距离后悬中点前方 215mm处，下坡起始于距离后悬中点后方215mm处，终止于距离后悬中点后方960mm 处，距离后悬中点前方215mm处到距离后悬中点后方215mm处的这段地板是平的，如 图4中坡地板的局部放大图所示。

由于低地板客车的底架薄空间小，电机、电池、控制器等大部件的布置比较困难。综 合考虑地板空间及载荷分配，为使整车的载荷分布及轴荷分配更加合理。可以利用座椅空 间，将整车控制器、电池、电机控制器等布置在车身中段，而电机及变速器布置在车身后 段，如：将电池布置在车身中部的乘客舱内的座椅下，以利于低地板车身结构的布置，将 后悬左侧纵向布置一排长约为2040mm、宽约为756mm、高约为550mm的凸台，将电 机及变速器布置凸台下方的地板空间，凸台上可以安装座椅，如图4中布置电机及变速器 处的局部放大图所示。这样平衡整车的前后轴荷，充分利用中段承载能力，同时考虑电机 及变速器体积较大且振动大，在后悬处纵向布置一排抬高的座椅来增大地板空间，整车布 置如图8所示。

车身结构的顶盖，前围及后围等分总成可根据具体情况灵活设计。

基于上述方法建立的该车身结构能有效地降低结构各杆件的非轴向载荷，使整车的受 力更加合理、载荷分配更加均匀从而发挥结构构件的最大潜能，与同类车型相比，车身的 强度、刚度都得到了有效的提高，在同等条件下，车身结构重量可以降低15%以上。

由于该低地板底架上下层距离太小，斜撑不好布置且工艺性不好不便于焊接操作，所 以采用双层斜拉板代替斜撑。与斜撑相比，斜拉板只能承受拉而不能承受压，本发明通过 加载预分析的变形云图来判断受拉方向从而将斜拉板合理布置在结构受拉方向上。底架上 下层之间的斜拉板（包括横向和纵向）采用平行四边形的薄板，如图5所示，由加载预分 析知由下横向杆件Ⅰ12、上横向杆件Ⅰ13、左侧围立柱Ⅰ14、底架立柱Ⅱ15组成的四边 形的对角线M-N受拉，所以将斜拉板布置在对角线M-N的方向，斜拉板端部b1-c1与 下横向杆件Ⅰ12的下表面A1相互平行，且与A1相距4～8mm；斜拉板另一端部b2-c2 与上横向杆件Ⅰ13的上表面A2相互平行，且与A2相距4～8mm。斜拉板与被焊接梁的 具体焊接位置如下：端部b1-c1及端部b2-c2全部焊接，与端部相邻的斜拉板的侧面焊 缝a1-b1的端点a1距离下横向杆件Ⅰ12的上表面B1为4～6mm,同理侧面焊缝c1-d1 的端点d1距离下横向杆件Ⅰ12的上表面B1为4～6mm，侧面焊缝a2-b2的端点a2距 离上横向杆件Ⅰ13的下表面B2为4～6mm，侧面焊缝c2-d2的端点d2距离上横向杆件 Ⅰ13的下表面B2为4～6mm。斜拉板端点c1距离左侧围立柱Ⅰ14为30～42mm，斜拉 板端点b2距离底架立柱Ⅱ15为30～42mm。

底架横向斜拉板的布置大致一样，以其中一个横断面为例来说明，如图6所示，底架 下横向杆件Ⅰ12和上横向杆件Ⅰ13之间由底架立柱Ⅱ15和底架立柱Ⅲ16支撑，横向斜 拉板Ⅰ11和横向斜拉板Ⅱ17布置于底架立柱Ⅱ15与底架立柱Ⅲ16的外侧，底架立柱Ⅱ 15与底架立柱Ⅲ16之间不布置斜拉板，横向斜拉板Ⅰ11和横向斜拉板Ⅱ17连接下横向 杆件Ⅰ12和上横向杆件Ⅰ13；底架纵向即车身中段底架上下层纵向杆件之间的斜拉板的 布置，如图7所示，纵向斜拉板Ⅱ18、纵向斜拉板Ⅲ19、纵向斜拉板Ⅳ20大体上互相平 行，纵向斜拉板Ⅴ21、纵向斜拉板Ⅵ22、纵向斜拉板Ⅶ23大体上互相平行，且纵向斜拉 板Ⅱ18、纵向斜拉板Ⅲ19、纵向斜拉板Ⅳ20与纵向斜拉板Ⅴ21、纵向斜拉板Ⅵ22、纵向 斜拉板Ⅶ23大体上关于底架立柱Ⅱ15对称，另一侧A处的分布与之相同。

车身制造采用全承载制造工艺，即先完成车身结构骨架的整体拼合，再进行悬架、电 机等部件的安装。既可以保证实际结构的性能、受力与设计分析条件一致，也便于车身骨 架的整体防锈蚀处理。

申请人已根据本发明设计了一款12米的低地板承载式纯电动公交客车，车身结构性 能的CAE分析结果如下：

车身弯曲刚度为：K=9.33×10⁶N/m

同类车型参考值为：（5.99～10.41）×10⁶N/m

车身扭转刚度为：K=6.44×10⁴N·M/deg

同类车型参考值为：（2.93～4.12）×10⁴N·M/deg

车身一阶弯曲振动模态频率为：12.79HZ

同类车型参考值为：8.2～14.1HZ

车身一阶扭曲振动模态频率为：6.14HZ

同类车型参考值为：5.8～9.1HZ

车身满载弯曲工况最大应力为：287MPa

材料（16Mn）屈服极限：345MPa

车身左轮悬空工况最大应力为：319MPa

材料（16Mn）屈服极限：345MPa

车身右轮悬空工况最大应力为：307MPa

材料（16Mn）屈服极限：345MPa

以上分析结果表明该车各项性能指标都介于或优于同类车型，且车身结构的重量比同 类车型轻，约为15%。