ZK6120h城市公交客车车身总布置设计.docx
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ZK6120h城市公交客车车身总布置设计
毕业设计（论文）
设计说明书
题目ZK6120H城市公交客车
车身总布置设计
专业机械设计制造及其自动化
班级11级01班
学生郑平
学号631126040120
指导教师赵树恩
重庆交通大学
2015年
摘要
近年来，我国城市化进程加速，城市人口增加以及居住郊区化，使得交通需求量剧增。
根据我国国情，大力发展公共交通、实施公交优先是解决城市交通拥挤的主要途径和出路之一。
伴随着社会科技的不断前进，现代汽车车身总布置也在迅速变革与发展。
人机工程学、空气动力学和现代化制造方法的发展促使汽车车身总布置的不断更新和完善，传统与创新艺术风格的有机结合也影响着车身总布置的美学实践。
然而，每一款新车型的问世都离不开车身总布置和它的设计工具，汽车车身总布置是汽车概念设计阶段的一项相当重要的方案设计工作。
本文介绍了12米低地板城市客车总布置设计，详细叙述了总布置方案设计的全过程，特别是利用人体工程学进行了驾驶员和乘客的位置确定，使驾驶员及乘客座椅等车内设施符合人机工程学，保证驾驶员和乘客有安全、舒适的乘坐环境。
关键字：
城市客车，车身，总体设计
Abstract
Inrecentyears,China'surbanizationprocessaccelerated,theurbanpopulationincreaseandresidentialsuburbanization,maketrafficdemandsoared.AccordingtoChina'snationalconditions,developthepublictransportation,theimplementationofbuspriorityisoneofthemainwayandthewayofsolvingurbantrafficcongestion.
Withtheadvancingofsocialscienceandtechnology,themodernautomotivebodylayoutisinrapidchangeanddevelopment.Ergonomics,aerodynamics,andthedevelopmentofmodernmanufacturingmethodstopromotethecarbodyconstantlyupdateandimprovethegeneralarrangement,thecombinationoftraditionalandinnovativeartisticstylealsoaffectsthelayoutofthecarbodyaestheticpractice.Thearrivalofeachnewmodel,however,cannotleavethebodylayoutanditsdesigntool,autobodyshopsconceptdesignphaseofthelayoutisanimportantdesignwork.12metersoflowfloorcitybusareintroducedinthislayoutdesign,isdescribedindetailthewholeprocessofthelayoutschemedesign,especially,thelocationofthedriverandpassengerarecarriedoutusinghumanbodyengineering,thedriverandpassengerseatinteriorfacilitiesinlinewiththeergonomics,ensurethesafetyofdriversandpassengershave,comfortableride.
KEYWORDS:
citybus,carbody,theoveralldesign
1前言
1.1研究背景及意义
近些年中国已经不知不觉的进入了汽车时代，我国私家车持有量快速上升，造成的能源浪费与一定的环境污染，也给城市交通带来了巨大影响。
如果能让大家出行少开私家车，大家都乘坐公交车，既减少能源的浪费，也降低了环境污染，这对一个城市的绿色发展具有重大意义。
随着国家的富强，我国已基本迈入现代化，城市公交车作为大众交通的一个部分，不仅仅肩负着国民的出行，而且还从侧面反映了一个国家的发展。
因此加强城市公交车身总布置设计的研究，对我国的发展，以及运用公交解决日益严重的交通堵塞问题等方面有着深远的影响。
根据建设部提出的我国城市公共交通发展的发展原则、方式、目标的指导意见，发展公共交通要坚持“安全、方便、舒适、快捷、经济”的基本原则，推动绿色公交、智能公交、大容量地面快速公交为重点的共同交通的科技进步，形成信息化、智能化、、社会化的绿色新型的一体化公共交通。
1.2国内外研究现状
在上下班高峰时期，发达国家选择城市公交出行的主要是通勤者和高中以及以上学历学生，这些通勤者因为没有自己的轿车或者交通堵塞，或者一时半会儿找不到停车位，或者根本没有驾驶证。
高中以下的学生几乎都由校车接送，高中生大学生才会选择公交客车。
在我国，由于交通堵塞，放弃自己的轿车而去选择公交车的情况几乎没有，接送学生的校车也不多，或者说几乎没有。
在欧美发达国家，各大城市公交客车的座位数都至少有30个作为，客车内的区域大致能提供20个人的站立空间，这些客车几乎都是12米级的，14米的公交客车载客人数就更多了。
简单的说，30%以下的乘客才会站着。
车俩的舒适性是绝对的，而不是载客人数，对车辆运行造成的抖动和发动机空调发出的噪音等有着严格的控制标准。
除座位和消防设施之外的空间，要方便站立者和下车的人，而且还要给婴儿的推车和残疾人的轮椅预留一定的空间。
目前国内由于要求大的额定载客人数，对客车自重就限制很严格，因为有很大的可能性因为总重过高而限制客车的额定载客人数。
两轴公交车的总重一般为17~18t，欧美发达国家因为乘客不多，因而整备质量的空间较大，新能源客车把这个特点表现的淋淋尽致：
12m长柴油动力客车自重大多为11.2~11.5t，并联混合动力自重一般为13t，柴油动力客车要比燃料电池客车的自重轻大约3t，超级电容和锂电池混合动力客车14t。
但是在我国，12m长的两轴公交车一般只有35个左右的座位，然而额定载客量却高达惊人的85~90人。
显而易见，70%的乘客是站着的，那是异常拥挤的。
所以设计者设计是优先考虑的是让站着的人更舒服，对振动和噪音的控制不是特别的重视，同时，为了达到要求的额定载客人数，必须布置座位的后悬，但是为了乘客的舒适性，尽可能的缩短后悬。
二十一世纪以来，我国的客车设计水平提高得益于社会的发展。
我国的客车发展于上个世纪文革之后，经过我国工程师多年的研究，通过引进国外先进的技术、中外合资办企业等方式，现在已经有很多国际一流的科研开发团队，但是和欧美发达国家还是有一定的差距。
国外大中型客车的发展比较超前的国家和地区有美国、日本等，欧洲的法国、瑞典、德国、意大利，长期以来都是机械制造业的世界级强国，这些企业掌握着当今客车的设计与制造的世界上的最高端的核心技术。
当今世界上比较知名度高的客车以及制造企业有：
表1.1著名客车底盘生产企业
国家
企业
法国
雷诺
德国
奔驰、尼奥普兰、凯斯鲍尔
意大利
依维柯
瑞典
斯堪尼亚、沃尔沃
匈牙利
伊卡鲁斯
日本
日产柴、五十铃、日野
中国经济的飞速发展，和其他领域一样，我们客车市场也有了巨大的发展，进过我国工程师的刻苦钻研以及引进的先进技术。
，包括底盘制造技术都有着显著的进步，但是，整体上还是与欧美国家领衔的技术有着天壤之别，很多小技术也限制了我国客车行业的发展。
1.3毕业设计主要内容
本次毕业设计是做12米城市公交客车的总布置设计，主要内容是车身外部总布置设计，车身内部总布置设计，以及驾驶区布置设计。
本设计以ZK6120H客车为依据，外形尺寸为12000×2500×3770（mm）（3630不含空调），额定载客人数25-47，用于大型城市公交客车车身。
此次毕业设计研究方法：
通过查阅汽车理论知识等方面的权威资料，对客车结构进行布置以及设计，得出驾驶区与乘客区的各项参数，对车身强度进行分析，并用CAD制图，画出总总布置图。
2ZK6120H车身外部总布置设计
2.1空气动力学特性
机械制造行业的迅猛发展充分体现在了汽车上面，二十一世纪以来，汽车的速度发生了质的提升。
在道路上高速行驶的时候，我们要考虑是否安全，是否省油，排放量是否达标，噪音是不是太大，有没有影响他人。
工程师和科研人员越来越重视空气动力学性能。
因为，现在对于一辆汽车的整车评估，这项性能也是其中一个重要的评估参数。
21世纪以来，世界上很多国家和科研机构对汽车的空气动力特性进行了大量的科学试验和研究，力求减少气流对汽车性能的影响。
采取以下措施应用到汽车外形设计，可以改善汽车空气动力性能：
1、表面光洁
如果整车的造型能达到某些动物的生理条件，就能最大化的减小运动中带来的空气阻力。
例如用来观察车尾部情况的后视镜。
，就应该安装在压强低的位置，而且它的造型要符合空气动力学原理，呈流线型，便于减少高速行驶时的空气阻力。
例如雨刮器和车灯这些部件，就尽可能的隐入车身内，既显得美观，又能减少客车高速行驶的阻力。
2、棱角圆化
为了有效降低空气阻力系数，防止气流分离，进而减少风阻。
客车前围和顶盖采用大圆弧过渡的形式。
3、水槽形状对阻力的影响
A立柱，即安装在侧窗与风窗玻璃交界处的前风窗立柱，正好在前方来流向两侧流动的拐角处。
A立柱外部形状必须布置成圆滑过渡形，因为，当A立柱的外形是直角的时候，拐角处就肯定会产生气流的分离，继而增加空气带来的阻力。
2.2车身承载方式的确定
2.2.1车身的承载方式
既然是公交车，当然要兼顾安全性和舒适性，其影响因素主要是底盘和悬架。
汽车的车架就像人的身体由骨架来支持一样，汽车也必须有一幅骨架，这就是车架。
车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。
汽车车身结构从形式上说，主要分为非承载式和承载式两种。
非承载式车身的汽车有刚性车架，又称底盘大梁架。
车身本体悬置于车架上，用弹性元件联接。
车架的振动通过弹性元件传到车身上，大部分振动被减弱或消除，发生碰撞时车架能吸收大部分冲击力，在坏路行驶时对车身起到保护作用，因此车厢变形小，平稳性和安全性好，而且厢内噪音低。
但这种非承载式车身比较笨重，质量大，汽车质心高，高速行驶稳定性较差。
图2.1非承载式车身
承载式车身的汽车没有刚性车架，只是加强了车头，侧围，车尾，底板等部位，车身和底架共同组成了车身本体的刚性空间结构。
这种承载式车身除了其固有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷。
这种形式的车身具有较大的抗弯曲和抗扭转的刚度，质量小，高度低，汽车质心低，装配简单，高速行驶稳定性较好。
但由于道路负载会通过悬架装置直接传给车身本体，因此噪音和振动较大。
图2.2承载式车身
还有一种介于非承载式车身和承载式车身之间的车身结构，被称为半承载式车身。
它的车身本体与底架用焊接或螺栓刚性连接，加强了部分车身底架而起到一部分车架的作用，例如发动机和悬架都安装在加固的车身底架上，车身与底架成为一体共同承受载荷。
这种形式实质上是一种无车架的承载式车身结构。
因此，通常人们只将汽车车身结构划分为非承载式车身和承载式车身。
2.2.3本车承载方式的确定
非承载式车身的汽车有刚性车架，又称底盘大梁架。
车身本体悬置于车架上，用弹元件联接。
车架的振动通过弹性元件传到车身上，大部分振动被减弱或消除，发生碰撞时车架能吸收大部分冲击力，在坏路行驶时对车身起到保护作用，因此车厢变形小，平稳性和安全性好，而且厢内噪音低。
但这种非承载式车身比较笨重，质量大，汽车质心高，高速行驶稳定性较差。
其优点是有独立的大梁，底盘强度较高，抗颠簸性能好，此外四个车轮受力再不均匀，也是由车架承担，而不会传递到车身上去。
因此本车选择非承载式车身。
2.3底盘的布置
底盘的作用是支承，在其基础上安装各个部件，形成客车的整体形状，并接受发动机给予的动力，使客车产生动力，保证正常行驶。
客车底盘的技术最大化的影响了整车的质量，好的底盘才能确定车辆在行驶的时候，是否足够安全，是否又最大的经济效应，是否有足够的动力应对不同路况。
客车的整体性能取决于客车的底盘的优劣。
因此可见要想发展客车就首先要好好研究底盘。
只有搞好客车底盘的研发工作，才能从根本上解决我国客车发展遇到的问题。
本设计尺寸为车身长度12150mm，车身宽度2550mm，前悬2650mm，后悬3350mm，轴距6150mm，接近离去角均为7度。
底盘结构简图如下：
图2.3客车底盘
2.4车身骨架
2.4.1骨架设计依据
车身骨架是其基本，类似于房屋的地基。
它的优劣最大化、最直接的影响到整车的动力性能。
本课题主要设计参数如下表：
表2.1主要设计参数
项目
数值
项目
数值
车身总长度
12150mm
车身总宽度
2550mm
车身总高度
3100mm
轴距
6150mm
前悬
2650mm
后悬
3350mm
前乘客门框宽
1200mm
后乘客门框宽
1400mm
2.4.2车身骨架材料
现在很多客车厂车身骨架材料选用20#优质碳素钢或Q235A。
20#高级碳素钢延伸率≥25%，断裂极限≥410，屈服极限≥245。
Q235A碳素结构钢，当钢材厚度小于16mm时延伸率≥26%，断裂极限在375-460，屈服极限≥235。
两者各项力学数据基本相似，后者更便宜，本设计中采用Q235A碳素结构钢。
表2.2几种客车钢材的材料特性表
2.5侧围顶盖布置设计
2.5.1前围布置
对于前围，必须保证前风窗的上下两个安装边具有足够的刚度来抵抗变形，因为前风窗玻璃比较重，为了降低玻璃的破损率，同时此法也有利于侧翻试验。
前围的骨架要安装很多必要的部件，同时要有足够的强度。
例如挡风玻璃，雨刷器，前围各种灯具，还有减少碰撞伤害的保险杠。
这些部件的布置，首先要达到国家祥光标准，然后要尽量美观，符合大众的审美观念，还有要最大化的符合空气动力学的原理。
前大灯的位置要根据保险杠的的位置来定，它们的位置相对独立，且不会影响工作。
为了保证足够的强度应对不同的情况，在前围的布置中，可以加装辅助纵梁与复制立柱，为了后续的安装前围的各种灯饰与加固的各种钢板。
前围的简单骨架布置如下图所示：
图2.4前围布置
2.5.2后围布置
根据之前确定设计方案来布置客车尾部的骨架，客车的尾部，有后置的发动机舱门，有后视窗户，有尾部的警告灯、刹车灯。
客车后围的立柱要与左右侧围的立柱相焊接，构成基本框架。
根据总布置后窗的设计尺寸，在下沿梁与后面的窗户之间设计立柱。
关于发动机舱门位置的布置，要根据发动机的大小来确定，首先，能是发动机高效的工作，然后发动机舱门的位置便于打开，以便出现故障的时候，能快速的检查维修。
图2.5后围布置
2.5.3顶盖骨架布置
在进行顶盖布置设计时应考虑安全顶窗的位置，顶横梁的位置，定置空调的位置。
经过理论研究和科学试验，客车顶盖的应力只有在顶盖与客车侧围窗户的衔接点较大，在其他位置的时候，可以忽略不计。
根据这个结论，在设计的时候，为了减轻整车质量，要尽可能的减小各构件的端面，以此达到目的。
图2.6顶盖骨架
2.5.4客车右侧布置
因为，此次设计的是12米级的城市公交客车，鉴于其运行工程中乘客的流通性，所以，在右侧开了两个乘客门，前门为上客门，后门为下客门。
此次设计客车为一级踏步，上客门地板离地高度325mm，下客门地板离地高度335mm，此次设计的前门宽度为1200mm，后门宽度为1400mm,车门高度2000mm。
此侧围门立柱所受到的应力是非常之大的，因此在选择材料的时候，要选择强度足够的材料，断面尺寸较大的方形钢。
在腰梁与地板横梁之间设立立柱，并设立斜撑。
图2.7客车右侧视图
2.5.5客车左侧布置
左侧围的结构和右侧围相比就显得简单了，因为此侧不需要布置设计那么多的车门，乘客和司机都是从右侧上车。
此侧的窗户的布置设计与另一侧要对应。
腰梁是左侧围骨架的主要承载单元。
轮拱的开度尺寸与右侧围保持一致，因为轮拱立柱间距较大，在其间夹角度为45度与右侧围结构对应。
图2.8客车左侧视图
2.6车身骨架强度
2.6.1车身结构受载分析
在经过实验室的模拟计算和受力分析后，结合实践证明，造成车身骨架的损坏，其最大元凶就是当车身受扭时产生的斜对称载荷，进而引起了带来致命损坏的一种危险的应力。
因此，在现在的城市客车的车身总布置设计中，要优先考虑如何减少这些危险的应力。
实验室的模拟计算和受力分析，以及各种事故后收集的数据。
都表面不开车门的一侧的的强度是很大的，因为在各种事故中，不开车门的一侧损坏程度几乎都小于开车门的一侧。
同时，在前、后轴中间开门的客车，受到的损坏也很大，因此设计客车车门的时候，要尽可能的避免在轴间开设车门。
在客车转弯时，并伴随超高车速急转弯时，站立的乘客会下意识的用手支在立柱或窗户上，给予立柱一个横向的压力。
工程师为了了解，当客车伴随着高速转弯的时候，乘客的手撑着车身的力会有多大，工程师用弹簧测力计安装在客车内，经过反复的实验，取多组的实验的数据，进而在实验室整车模拟得到的数据。
整合这些数据，发现，上述的力很小，对车身的影响可以不计。
因此，得出车身的横向抗弯刚度是足够的。
综合科学试验和理论研究，客车在城市中正常行驶时，车身立柱仅仅需要考虑它在纵向承受的弯曲载荷就行了。
2.6.2车身结构的基础强度
客车的车身骨架强度可表述为两个方面：
1、非正常情况下，如发生翻车事故时，车身应有足够的上部结构强度，为乘员保留起码的生存空间，即车身上部机构强度，称之为“上部强度”。
2、客车在正常工作时应有的结构强度，即正常工况下不能发生骨架断裂，把它称之为“基础强度”。
这两种强度的结构设计是有很大区别的，在没强调执行GB/T17578《客车上部结构强度的固定》标准之前，根据国内不同城市和地区的需求，客车的侧围布置的形式以及国内制造业的发展程度与工艺水平、科研水平等一系列因素，导致了国内的车身骨架几乎都是一模一样的。
假如不需要参考GB/T17578，现在的骨架设计是可行的，即达到了“基础强度”。
如果考虑GB/T17578，那么面临的境遇就截然不同了，“基础强度”和“上部强度”是完全不同的概念。
以“基础强度”为基础设计的客车是几乎不可能通过“上部强度”的检验的，越大型的车辆就更难通过检测了。
因此，为了能通过“上部强度”的检测，在设计客车的时候必须有巨大的改变，甚至是根本性的改变原先的设计方案。
在当今世界的车身设计原则中，“上部强度”与“基础强度”是缺一不可的，是相辅相成的，只达到其中一个强度，是达不到现阶段的市场需求的，因此，设计中时要特别注意。
因此，车身与车架的连接方式是“基础强度”和“上部强度”的共同基础，从“基础强度”设计到“上部强度”设计，车身与车架的连接结构是相同的，不同的是车身上部的结构设计。
2.6.3悬架结构对车身载荷的影响
对客车而言，悬架形式的不同导致了力的作用特点的不同，车体的载荷通过悬架系统作用与车轴再传至地面。
对于板簧悬架，由于板簧本身也是导向机构，所以板簧悬架的力的作用点都集中在板簧吊耳处。
由汽车设计理论得知：
1．悬架的侧倾角刚度同簧距的平方成正比。
2．在相同的载荷作用下，侧倾角刚度大的产生的角位移较小。
3．重心越高其侧倾时产生的侧倾力矩也越大。
综合上述三点及客车上应用的各种悬架类型，可得到以下结论；
1．板簧悬架由簧距的限制，不适合于高重心的车型。
2．簧下气簧的悬架，在的车身的车型中也要慎用。
外摆气簧悬架，由于簧距的加大，更适合于高重心的车型。
3ZK6120H车身内部总布置设计
3.1人机工程学概述
人机工程学是在第二次世界大战之后快速崛起起来的一种新兴冷门学科，它主要的研究方向是研究人、机、环境它们相互之间的联系和一种内在的规律，它是基于人类的心理特性和生理特性的，具有很高的权威性。
它的目标和方向是让人类在使用各种机械的时候，能感觉到一种健康、舒适、高效的氛围。
在设计汽车的过程中，人机工程学在布置设计车内部的时候，起着至关重要的作用，必须根据基本国情，与人们的需求，进行合理、严谨、科学的布置。
这不但关系到如何合理有效的利用车身内部的空间，以及如何提高乘客乘车的舒适度，而且还会对整车，车身内部与外部等各方面的尺寸造成巨大影响。
3.2人机工程学的应用
把人作为一个因此融入整个系统，这是人机工程学的一个很独特的地方。
为了让系统拥有最佳的工作状态和最高的效率，必须使系统中的各个因子互相协调。
人机工程把车身布置的更科学合理，就能最大化的提高车身内部的空间和最大化的提高乘坐舒适性，并且提高整车的核心竞争力。
工程问题大致归纳为以下四个主要方面：
1、客车乘员的乘坐舒适性
乘客和城市客车的驾驶员的乘坐舒适程度，主要由以下几点决定。
驾驶室的布置设计能否为驾驶员提供有些的驾驶视野和角度，各种显示装置和操纵件能否处于驾驶贯彻和操纵的最佳位置；客车的底盘以及整个系统能否有效的减少甚至隔绝因为路面颠簸带来的抖动和摇晃；座椅的布置设计是否给驾驶员和乘客最佳的乘坐角度，带来最佳的坐姿。
2、客车行车安全性及车内乘员的人体保护技术
客车在遇到翻车事故、撞车事故的时候，会最大程度的给乘客和驾驶员带来安全威胁。
因此，在总布置设计的时候必须考虑安全技术方面的性能。
能最大化的降低乘客和驾驶员受到的伤害甚至避免一切的伤害。
3、客车的道路交通适应性
综合多年的设计经验，我们把人、车与路作为一个有机系统来研究，在设计客车的时候既要充分考虑成员的乘坐舒适性，又要考虑安全技术方面的性能。
但是，有一个先决条件，客车必须能多方位的适应各种路况。
因此，在进行城市客车的总布置设计时，要考虑人、车与路的综合优化。
4、客车驾驶操纵系统人机界面的优化匹配
客车驾驶操纵系统是一种有驾驶员参与反馈控制系统。
在人机工程学的研究体系中一个受人瞩目的课题就是，如何优化客车的驾驶操纵系统，与其他界面相协调，因此驾驶室是客车核心区域，驾驶员掌握了这个核心。
城市客车是一种很常规的高速运动的机械，随着我国的快速发展，客车技术虽然不能和欧美发达国家相比，但是也有巨大的进步，国民对客车的要求也更高了。
特别是是乘客的乘车舒适度，整车的安全性，客车司机对客车的驾驶性方面。
在城市客车车身的总布置设计中我们应该最大化的利用人机工程学的各项基本原理，致力于解决上述的问题。
我国已经形成了“人-车-环境”的独立学科。
致力于研究在车身设计中怎么样去适应我国人体的基本情况，最大化的利用人力资源，质的提升效率，最终为驾驶员提高好的驾驶视野和环境。
人与机械协同工作，机械有机械的特性，人有人的特性。
为了设计出良好的人机界面，就要充分研究二者的特性，尽最大化的使其互相协调。
人机工程学针对不同情况设计大量的设计准则，其中就有关于人的特性设计，并制定了详细的标准
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