熊成林，王華，王孝來

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

超高強(qiáng)度鋼在全承載客車上的應(yīng)用分析

熊成林，王華，王孝來

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

介紹超高強(qiáng)度鋼在全承載客車上的應(yīng)用，通過對HC700與Q345的基本力學(xué)性能和管型規(guī)格的分析，論述超高強(qiáng)度鋼在全承載客車上的替換應(yīng)用范圍和方法，并通過實(shí)例進(jìn)一步說明具體措施和效果。

全承載客車；車身骨架；超高強(qiáng)度鋼；輕量化

材料在汽車工業(yè)中起著非常重要的作用，汽車各部件功（性）能的提高必須通過材料的適當(dāng)應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)[1]。目前汽車工業(yè)正努力提高產(chǎn)品的安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性，因此需要解決車身輕量化和提高整車強(qiáng)度之間的矛盾[2]。在這種情況下，材料的適當(dāng)選擇和應(yīng)用就顯得更為重要。

我司現(xiàn)有客車產(chǎn)品車身材料主要是屈服強(qiáng)度為345 MPa的16Mn鋼矩形管（鋼牌號為Q345），按國際鋼鐵協(xié)會(huì)在超輕鋼汽車車身ULSAB項(xiàng)目中關(guān)于高強(qiáng)度鋼的定義（屈服強(qiáng)度在210～550 MPa、抗拉強(qiáng)度在270～700 MPa的鋼為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度大于550 MPa、抗拉強(qiáng)度大于700 MPa的鋼為超高強(qiáng)度鋼）[3]，我司的客車車身為高強(qiáng)度鋼車身。與國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)對接，了解到其有屈服強(qiáng)度大于700 MPa的超高強(qiáng)度鋼矩形管（鋼牌號為HC700）的供應(yīng)，該材料的合理引用可以為全承載客車的輕量化進(jìn)一步貢獻(xiàn)力量。

1 HC700與Q345對比分析

1.1 材料的基本力學(xué)性能對比

HC700與Q345兩種材料的基本力學(xué)性能對比見表1[4-5]。

表1 基本力學(xué)性能對比

從表1中可以看到，HC700材料的屈服強(qiáng)度是Q345材料的兩倍多，HC700材料的抗拉強(qiáng)度是Q345材料的1.5倍左右，因此從材料強(qiáng)度看，HC700的力學(xué)性能大大優(yōu)于Q345。針對兩種材料的抗破壞能力，筆者做了抗沖擊變形仿真分析，分析結(jié)果如圖1所示，從圖中可明顯看出，在承受相同沖擊力的情況下，Q345的變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HC700。

雖然在材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度上HC700都有明顯優(yōu)勢，但依然有一些不可回避的問題。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，HC700的延伸率只有Q345的一半左右。受限于HC700較低的延伸率，在制作大曲率的彎管過程中容易造成彎曲開裂，圖2為在做HC700矩形管彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生開裂的現(xiàn)象。這在很大程度上影響HC700在全承載客車上的應(yīng)用范圍。同時(shí)由于HC700的高強(qiáng)度、低延伸率的機(jī)械性能，其在制造使用過程中成形相對困難，且二次修正產(chǎn)生裂紋的機(jī)率也會(huì)加大，因而在生產(chǎn)過程中次品率會(huì)較高。

圖1 兩種材料的抗沖擊變形仿真分析

圖2 HC700矩形管彎曲開裂實(shí)驗(yàn)

1.2 兩種材料可以提供的矩形管規(guī)格對比

市場上，兩種材料可以提供的矩形管規(guī)格見表2。

表2 矩形管規(guī)格對比

從表2中可以看到，HC700矩形管在一些特大和特小規(guī)格上都無法提供，并且最薄也是1.5 mm，這為HC700矩形管替換Q345矩形管的輕量實(shí)現(xiàn)帶來了一定困難。但是在大部分車身常用管材上HC700均可以提供，在應(yīng)用壁厚減薄方法的同時(shí)也可以采用減小矩形管尺寸規(guī)格的方法，所以HC700材料的替換應(yīng)用依然可以為客車的輕量化和提高整車強(qiáng)度貢獻(xiàn)很大力量。需要注意的是，在用更高強(qiáng)度的車身材料替換低強(qiáng)度車身材料時(shí)，若整體采用等強(qiáng)度的原則進(jìn)行減薄替換應(yīng)用，在極限工況下車身的變形會(huì)加大。所以在用HC700矩形管替換Q345矩形管時(shí)，也不能一味的等強(qiáng)度減薄，對車身易變形的部位應(yīng)綜合考量。

2 HC700替換Q345的應(yīng)用分析

2.1 理論分析

超高強(qiáng)度鋼對普通鋼材替代厚度減薄計(jì)算公式為[6]：

式中：t為鋼板零件厚度，σ為材料的屈服強(qiáng)度。HC700的屈服強(qiáng)度為700 MPa，Q345的屈服強(qiáng)度為345 MPa，根據(jù)公式計(jì)算得知減薄系數(shù)為1.424 425。根據(jù)該系數(shù)得出HC700矩形管替換Q345矩形管的壁厚度對照如表3所示。

表3 壁厚替換對照表mm

為了最大化保持整車車身材料的一致性，以及最大限度地輕量化車身和提高整車強(qiáng)度，將截面尺寸在30 mm×40 mm到120 mm×60 mm之間的矩形管盡可能地進(jìn)行全面替換?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)的困難以及成本因素（HC700矩形管比Q345矩形管價(jià)格高），壁厚1.5 mm的Q345矩形管件不替換，因?yàn)闆]有更薄、更小截面的HC700矩形管，如果替換則會(huì)增加成本；大曲率的彎管在制作過程中會(huì)造成彎曲開裂，所以也不考慮替換；異型管管型多且用量少，如果替換則需要廠家對應(yīng)開發(fā)，會(huì)產(chǎn)生一定的模具費(fèi)用，因而也不替換。

2.2 應(yīng)用實(shí)例分析

以我司某型客車為例，該型客車整車骨架用管材全部為Q345矩形管，下面從底架和車身五大片分別說明替換應(yīng)用的過程。

2.2.1 底架替換應(yīng)用HC700矩形管

底架作為整車的主要承載部件和行駛系的安裝連接結(jié)構(gòu)，整體受力大且在客車行駛過程中局部時(shí)常會(huì)受到較大外力的沖擊，因此底架的替換應(yīng)用需重點(diǎn)考量前、后懸處結(jié)構(gòu)承載整車且直接承受行駛中突然的沖擊[7]，所以該處不僅要有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)，還需要有一定的抗變形能力以保證行駛穩(wěn)定性，所以該兩處在替換應(yīng)用超高強(qiáng)度鋼矩形管時(shí)可適當(dāng)加強(qiáng)；發(fā)動(dòng)機(jī)尾縱梁處即承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量又承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)傳遞的震動(dòng)，所以該處可適當(dāng)加強(qiáng)以保證抗變形能力，減輕振動(dòng)向車身的傳遞；與推力座等厚壁實(shí)心部件相連接矩形管在壁厚上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，以避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的矩形管壁撕裂；四七底連接大縱梁為中段主梁且連接后懸，該主梁的加強(qiáng)可更放心對底架其余部分特別是底架上部結(jié)構(gòu)的減薄替換。

如圖3底架主視圖所示，前后懸等處縱梁及第三、四、七、八、九截面梁中立柱由原3 mm壁厚Q345矩形管替換為2.5 mm壁厚HC700矩形管；四七底連接大縱梁及發(fā)動(dòng)機(jī)尾縱梁由2.5 mm壁厚的HC700矩形管替換原3 mm壁厚的Q345矩形管；底架中部縱梁、前后懸等處的斜撐及第五、六截面梁中立柱替換成2 mm壁厚的HC700鋼矩形管；底架上層縱梁及部分斜撐由原2 mm壁厚的Q345矩形管替換為1.5 mm壁厚的HC700矩形管。按照上訴方案，底架可減重200 kg以上，且強(qiáng)度和剛性均有一定提升。

圖3 底架主視圖

2.2.2 頂蓋替換應(yīng)用HC700矩形管

如圖4頂蓋俯視圖所示，左、右通長邊梁連接頂蓋和側(cè)圍，對強(qiáng)度需求較高，但在總拼后側(cè)圍上會(huì)有縱梁和其并焊共同受力，固可用2 mm壁厚的HC700矩形管替換原3 mm壁厚的Q345矩形管；中間貫通連接中主梁不僅對強(qiáng)度需求高，而且還需要連接空調(diào)支架等受力較大的厚壁零件，為防止應(yīng)力集中導(dǎo)致的管壁撕裂，由原3 mm壁厚的Q345矩形管替換為2.5 mm壁厚的HC700矩形管；頂蓋彎橫梁由于靠近兩端曲率太大，固無法用超高強(qiáng)矩形管予以替換；其余管型可減壁厚或減截面予以替換。按照上訴方案，頂蓋可減重50 kg以上，且強(qiáng)度和剛度沒有下降。

圖4 頂蓋俯視圖

2.2.3 側(cè)圍替換應(yīng)用HC700矩形管

側(cè)圍骨架的前門和中門處是整車中較為薄弱的環(huán)節(jié)，所以將前門和中門立柱及中門上大縱梁由強(qiáng)度更高的2.5 mm壁厚HC700矩形管替換原3 mm壁厚的Q345矩形管；窗立柱的強(qiáng)度關(guān)系到整車側(cè)翻后的生存空間[8]，由原3 mm壁厚的Q345矩形管替換為2.5 mm壁厚的HC700矩形管；由于艙立柱與底架相接強(qiáng)度可互補(bǔ)，故可由2 mm壁厚的HC700矩形管替換原3 mm壁厚的Q345矩形管；部分造型用大曲率彎管和腰梁處異性管材不替換，其余管型可減壁厚或減截面予以替換。按照上訴方案，側(cè)圍可減重50 kg以上，且強(qiáng)度和剛度沒有下降。

2.2.4 前后圍替換應(yīng)用HC700矩形管

前、后圍左、右大立柱的強(qiáng)度關(guān)系到整車側(cè)翻后的生存空間，可由原3 mm壁厚的Q345矩形管替換為2.5 mm壁厚的HC700矩形管；由于前、后圍較大部分梁結(jié)構(gòu)涉及到造型，曲率較大、制作難度高，故該類型管材不替換；其余直管型可減壁厚或減截面予以替換。按照上訴方案，前、后圍減重20 kg左右，且強(qiáng)度和剛度沒有下降。

2.2.5 效益分析

綜上，底架減重200 kg、頂蓋減重50 kg、側(cè)圍減重50 kg、前后圍減重20 kg，合計(jì)減重約320 kg；原整車骨架所有管件部分重量約2 250 kg，相對減重14%，客車運(yùn)行油耗預(yù)計(jì)降低1.5%；Q345矩形管材料價(jià)格約6 650元/噸、HC700矩形管材料價(jià)格約7 500元/噸[5]，原整車骨架合計(jì)原材料成本14 800元，替換后合計(jì)原材料成本14 000元，單臺(tái)車可降低原材料成本約800元。

3 結(jié)束語

目前超高強(qiáng)度鋼在國內(nèi)客車行業(yè)還處于試應(yīng)用階段，批量應(yīng)用超高強(qiáng)度剛還存在一些困難和風(fēng)險(xiǎn)，且在設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)上還需要做出一些相應(yīng)的改變和調(diào)整。高強(qiáng)度、輕量化的車身是汽車發(fā)展的大趨勢，因而高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料的應(yīng)用也是必然選擇[9]。就目前客車行業(yè)現(xiàn)狀而言，可以考慮在對整車質(zhì)量減輕需求比較迫切，同時(shí)對車身強(qiáng)度也有較高要求的車型（如電動(dòng)客車、燃?xì)饪蛙嚕┥线M(jìn)行超高強(qiáng)度鋼材料的替代應(yīng)用，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，待各方面條件成熟后批量應(yīng)用。

[1]王冬梅，段京華.汽車材料[M].合肥：安徽科學(xué)出版社，2009.

[2]胡霞東.客車骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)研究[J].客車技術(shù)，2016（1）：14-17.

[3]馬鳴圖，易紅亮.高強(qiáng)度鋼在汽車制造中的應(yīng)用[J].熱處理，2011（6）.

[4]全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).冷拔異型鋼管：GB/T3094-2012 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：5.

[5]晏培杰.寶鋼商用車延伸加工服務(wù)介紹[R].上海：上海寶鋼型鋼有限公司，2014，7.

[6]劉鴻文.材料力學(xué)(Ⅰ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

[7]陳家瑞.汽車構(gòu)造[D].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[8]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求：GB 17578-2013[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013：9.

[9]燕戰(zhàn)秋，華潤蘭.論汽車輕量化[D].武漢：武漢工學(xué)院，1993.

修改稿日期：2016-07-11

Analysis on Application of Ultra High-strength Steel to Monocoque Coaches

XiongChenglin,Wanghua,WangXiaolai
（Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Hefei 230051,China）

The authors introduce the application of the ultra high-strength steel to monocoque coaches.Then,they elaborate the substitution application scope and methods of ultra high-strength steel to monocoque coaches through analyzing the basic mechanics performances and tube type specifications of HC700 and Q345,and further illustrate the concrete measures and effects through an example.

monocoque coach；bodyframe；ultra high-strength steel；lightweight

U463.83+1；U462.2

B

1006-3331（2016）06-0041-03

熊成林（1989-），男，助理工程師；主要從事客車總體布置和骨架設(shè)計(jì)工作。