孫杰

摘 要：當前，我國許多汽車制造商都逐漸開始投入大量資金進行全鋁車身的研發(fā)，一些國內(nèi)知名企業(yè)，如金龍、宇通等已經(jīng)成功開發(fā)出全鋁材質(zhì)的客車車身。在消防車領(lǐng)域，鋁合金材料大多應(yīng)用于車廂上裝部位，真正在駕駛室應(yīng)用的幾乎沒有。本文在已開發(fā)的消防車駕駛室的基礎(chǔ)上，針對全鋁消防車駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：全鋁消防車；駕駛室；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)計

現(xiàn)階段，汽車車身重量的降低已經(jīng)成為節(jié)約資源和減少能耗的重要途徑之一。事實證明，采用鋁制材料和優(yōu)化車身斷面設(shè)計是降低車身重量的兩類比較可行的方法，現(xiàn)階段，我國在消防車總體設(shè)計中越來越重視對鋁制材料的應(yīng)用，但是有關(guān)全鋁消防車駕駛室設(shè)計的研究還比較少，希望本文的研究成果能給駕駛室全鋁車身產(chǎn)品的開發(fā)提供一些有益的啟發(fā)。

1 鋁制型材性能的分析

（一）鋁制型材力學(xué)性能的分析

要采用全鋁型材來構(gòu)建框架式駕駛室，使設(shè)計滿足輕量化的要求，就必須對鋁制型材的力學(xué)性能進行全面了解，包括鋁制型材的變形特性、截面特性等，在鋁制型材變形特性的研究方面，要更明確地了解畸變量和型材彎曲半徑的聯(lián)系，需構(gòu)建有限元分析模型對型材彎曲的整個過程進行詳細分析。在鋁制型材截面特性的研究方面，為了方便各參數(shù)的計算，應(yīng)建立相應(yīng)的計算程序，通過對一些典型型材相關(guān)參數(shù)的計算，發(fā)現(xiàn)在截面對稱的情況下，鋁制型材的慣性一直保持在零的狀態(tài)不變，但在截面尺寸逐漸變大的情況下，其慣性矩等各參數(shù)都呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢。

（二）鋁制型材的主要性質(zhì)及功能

通過本論文的寫作，筆者是想在保持原有材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，合理利用鋁制材料取代鋼制材料，從而達到減輕車身自重的目的。因此，要使鋁制車身整體設(shè)計具備合理性和可行性，就必須進一步研究鋁制型材的性質(zhì)及功能。在研究過程中，主要涉及節(jié)電強度和節(jié)點剛度的分析，為了研究節(jié)點的剛度和強度，構(gòu)建與之相對應(yīng)的標準模型，然后進行相關(guān)力學(xué)的分析，要判斷鋁制型材在不同結(jié)構(gòu)條件下的力學(xué)特點，應(yīng)采用節(jié)點形式不一樣的型材作為分析對象，通過研究發(fā)現(xiàn)，在伸出端點節(jié)點位置的強度，槽型截面明顯比矩形截面小；當焊接縫的情況基本相同時，不同類型的截面的剛度存在較大差異，閉合型截面的剛度比開口型的高出許多，因此可以總結(jié)出，對剛度影響較大的因素是型材的截面。

2 全鋁消防車駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

（一）全鋁駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計

在運用鋁合金材料對消防車駕駛室結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)采用先進技術(shù)，進一步提高結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，將鋁制材料合理應(yīng)用于各部位，從而最大限度減輕消防車的自重，第一步應(yīng)對白車身的整體架構(gòu)進行設(shè)計，再將鋁制型材截面大小進行適當調(diào)整和改進。當前，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者在如何減輕汽車重量方面的研究已經(jīng)取得了不少成就，根據(jù)傳統(tǒng)消防車的整體結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計方案，設(shè)計出的利用鋁合金材料制造的消防車車身總體結(jié)構(gòu)如圖所示：

（二）全鋁駕駛室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

1、地板框架設(shè)計的優(yōu)化

底板框架的設(shè)計質(zhì)量將對整個消防車車身的設(shè)計質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。其中，地板縱梁的設(shè)計是否符合標準與駕駛室前碰法規(guī)試驗具有十分密切的聯(lián)系，考慮到地板縱梁在駕駛室舉升過程中受到的外力較大，因此，最好采用尺寸為90×40×5的鋁合金材料作為地板縱梁，為了確保材料的性能、剛度等符合設(shè)計標準，應(yīng)重點加強液壓舉升機構(gòu)固定點和前后懸置。嚴格按照地板距離地面的高低，確定地板的具體位置。按照上車踏板條件確定踏板的跨度和高度，并按照總設(shè)計圖對消防車發(fā)動機艙的要求，進一步提高其位置的科學(xué)性及結(jié)構(gòu)的合理性。為確保地板總成的扭轉(zhuǎn)剛度符合設(shè)計標準。應(yīng)至少設(shè)置3根橫梁在左右地板的縱梁之間。

2、前圍框架設(shè)計的優(yōu)化

前圍框架總成主要包括左右前圍內(nèi)板總成、前框上部框架總成、前圍主框架總成等部分，為達到駕駛室前碰法規(guī)試驗的要求，應(yīng)選取60×50×3截面的鋁型材，地板縱梁和左右前圍縱梁應(yīng)采用封閉式的焊接形式，確保前圍風窗下部橫梁的具體位置能滿足下視野的要求，前圍內(nèi)板總成必須設(shè)置在前圍縱梁的兩邊，應(yīng)采用2mm厚的鋁板作為前圍內(nèi)板，其主要用途是固定相關(guān)配件。針對一些設(shè)計強度非常高的固定位置來說，可采取設(shè)置加強板的方式進一步提高其強度。在前圍上部框架的設(shè)置過程中，應(yīng)注意為空調(diào)前暖風箱體提供固定位置。

3、側(cè)圍框架設(shè)計的優(yōu)化

側(cè)圍框架總成包括側(cè)圍上橫梁、門下橫梁、側(cè)窗下橫梁、輪罩梁以及A、B、C、D柱，設(shè)計者在進行側(cè)圍上橫梁和A、B、C、D柱的設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)考慮到駕駛室頂壓法規(guī)試驗的相關(guān)要求，在選擇車門部位的鋁合金材料的時候，應(yīng)將車門構(gòu)件的固定標準作為參考依據(jù)，車門上橫梁以及門下橫梁位置的確定必須嚴格參照車門的真實狀況，是否能為密封條壓縮面提供充足的空間是在設(shè)計側(cè)圍的時候應(yīng)重點考慮的問題，此外，考慮到駕駛員行車的安全性，應(yīng)在右側(cè)圍部位配置用于固定安全帶的結(jié)構(gòu)。

4、后圍框架設(shè)計的改進

設(shè)計者在對后圍框架梁進行設(shè)計時，必須考慮到消防車駕駛室的實際尺寸，確保后圍框架梁的設(shè)計滿足駕駛室后圍靜壓法規(guī)試驗的要求，最好采用50×30×3型的全鋁制框架梁，在布置后圍框架梁的時候，應(yīng)嚴格按照設(shè)計方案中規(guī)定的形式進行，這樣才能確保力的順利傳導(dǎo)，從而達到優(yōu)化后圍框架梁的整體性能的作用。

5、頂蓋框架設(shè)計的改進

頂蓋框架由后頂蓋和前頂蓋組成，為了使消防車駕駛室頂蓋充分發(fā)揮出靜壓功能，選好選用截面尺寸為40×30×3、30×30×3的鋁合金材料作為頂蓋主框架，為達到造型方面的設(shè)計標準，設(shè)計者應(yīng)注意對前后頂蓋設(shè)計高度的把握，確保二者高度存在一定的差異，頂蓋總成的主框架梁必須嚴格按照設(shè)計的形狀進行設(shè)置，并和前后圍框架在功能上相互促進、相輔相成，以實現(xiàn)提高頂蓋強度的目標。除此以外，頂蓋總成的設(shè)計還應(yīng)考慮到空調(diào)箱體等固定的需要。由于云臺和空調(diào)箱體的自重加大，因此，必須考慮到固定點強度的特殊需要，將固定點設(shè)置在頂蓋的主框架上。

3 全鋁消防車駕駛室的性能

為了分析全鋁消防車駕駛室的性能，需進行模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度以及彎曲剛度的分析。

（一）模態(tài)分析

在進行模態(tài)分析時，需建立激振位置圖、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型、一階彎曲模態(tài)振型，測試結(jié)果如表1所示：

（二）彎曲剛度試驗

為測試全鋁框架白車身的彎曲剛度，前懸梁與后懸梁約束的自由度分別為1、2、3和2、3、4，在一定條件下對縱梁發(fā)生的位移情況進行測量，在測量過程中，需要分別對帶蒙皮和不帶蒙皮條件下的彎扭剛度進行測試，測試結(jié)果如表2所示：

（三）白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗

本次測試中，前、后懸置約束的自由度分別為1、2、3和2，測試點的具體部位大致處于前懸置的扭角處，在測試過程中，需繪制扭轉(zhuǎn)剛度和扭角曲線，通過對測試結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)其扭轉(zhuǎn)剛度>30000Nm/°，由此可以看出，白車身的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計是符合標準的。

（四）擺錘碰撞試驗

為了確保全鋁消防車的安全性能符合標準，采用商用車駕駛室正面擺錘碰撞試驗的方法對其整體安全性進行測試，實際試驗的過程中，應(yīng)使正面撞擊的能量維持在45000Nm不變，并確保擺錘和車輛前部充分接觸，擺錘應(yīng)從按照從車頭向車尾的方向撞擊，且方向應(yīng)與水平方向平行。

4 結(jié)語

綜上所述，本文基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思想，根據(jù)消防車性能的需要和減輕車輛自重的需求，并考慮到駕駛室在不同結(jié)構(gòu)形式下的功能要求，對結(jié)構(gòu)斷面的截面形式及厚度進行了全方位地優(yōu)化和改進，在全鋁消防車的特殊結(jié)構(gòu)處采用典型結(jié)構(gòu)來改善加工制造的綜合質(zhì)量，同時還考慮到了各結(jié)構(gòu)處全鋁型材的互換性，進而起到了降低成本的作用，經(jīng)過綜合性能的試驗，本文所設(shè)計的全鋁消防車駕駛室在扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、模態(tài)等基本性能的要求上都基本符合標準，能確保駕駛員行車的安全性，在整體設(shè)計上已經(jīng)達到了預(yù)期輕量化的目標。

參考文獻

[1]江愛林，徐國榮.登高平臺消防車結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展研究[J].機械設(shè)計與制造，2013，（5）：219-221.

[2]李旸.基于人機工程學(xué)原理的消防車輛設(shè)計研究[D].南昌大學(xué)，2007.