劉開春文
Abstract
Is“IntegralBodyStructure”TrulytheSafestOne?
Theterm“Integralbodystructure”hasbeenoneofthemostpopularconceptsamongtheautoindustryformorethantenyears.Recently,MinistryofIndustryandInformationTechnologyissueda“TechnologicalCriteriafortheSafetyofE-driveBus”(draftfordiscussion)inwhichtheregulationon“thewholevehiclehastobeappliedtotheintegralbodystructure”hasno-doubtstirredahugewaveamongtheindustry.
“全承載車身”，這個詞是近10年來客車界最流行的一個概念。近日，借工信部剛剛發布的《電動客車安全技術條件》(征求意見稿)中關于“整車應為全承載整體式骨架結構”之規定的“出台”，在行業又将風聲水起。
問題1：什麼是“全承載車身”？
目前能找到的具有法規地位的唯一定義，來自QC/T997-2015《客車全承載整體框架式車身結構要求》（推薦标準，首次發布），其對“客車全承載車身”的定義是：“一種由格栅底架和車身骨架組成的框架結構，車輛載荷全部由車身承載。”而近日發布的《電動客車安全技術條件》（征求意見稿）中未見引用該标準，這不得不讓人費解。
其實，就QC/T997-2015而言，其部分條款也是“望文生義”，比如，其4.1.1款：“采用全承載整體框架式車身結構的客車應保證受力均勻。”對此，筆者以為，QC/T9972015無非是想證明全承載車身的安全性，但又沒能證明出來。
而從《電動客車安全技術條件》（征求意見稿）寫入“整車應為全承載整體式骨架結構”這一條來看，它仍無非是想說“全承載車身”安全性能高；也正如GB7258-2012作出的新規“車長大于11m的公路客車和旅遊客車和所有卧鋪客車的車身應為全承載整體式框架結構”一樣。
那麼問題和争論的焦點就來了，即“全承載車身”就一定代表最安全嗎？
問題2：是不是技術路線之争？
試問：載荷都由車身承載就最安全嗎？
從力學角度看，如果車身與車架是剛性連接，那麼車身也一定會承載，沒有半承載之說。車身究竟能夠分擔多大載荷與車身的剛度成正比，除非車架剛度為零，即車架不承載，但這是不可能的。我們不能認為車架與車身融為一體就沒有車架了。正如，蛇披上馬甲難道就不是蛇了？
與之對應，非承載車身其實也不存在，除非車身與車架是無剛度連接，即假設：在底盤上立4根柱子，柱子上挂個吊床，人躺在吊床上，這個吊床才可以稱為非承載車身；但這一假設在實踐中是沒有的。其實，隻要車身與車架剛性連接，車身即會承受載荷(多個方向)，隻是不直接承受來自底盤的沖擊載荷而已。因此，隻要車身與車架是剛性連接，如焊接或鉚接，那麼車身必定承載，即所有的車身都是承載式的，沒必要再定義“全承載”概念。
換個角度講，為什麼一定要求車身承載？底盤憑什麼不可以承載？那種采用直梁底盤結構的獨立底盤，其實能為車身提供很好的承載平台。
刨根問底，這一問題的本質，其實是産品的技術路線之争！即有獨立底盤與無獨立底盤之争、方鋼骨架與沖壓車身之争，更可說是整車廠與改裝廠之争。
圖1一種“全承載式車身”釋疑1：“選擇”主要與制造工藝有關？
滿足QC/T997-2015定義的車身骨架結構就是最合理的嗎？
筆者認為，客車車身，尤其是大型客車，目前之所以普遍采用方鋼骨架結構，不是因為骨架式車身的安全性能多麼高，而是因為這種方鋼結構使得大客車的車身工藝尤其是焊裝工藝變得極其簡單。
骨架式客車車身的裝配工藝是所有汽車中最簡單的，而這種簡單正是來自于方鋼骨架。
設想一下，如果大客車采用沖壓車身結構，我們的焊裝工藝會變成什麼樣？筆者認為，關于沖壓車身結構，并不是說其安全性能低，隻是因為對大型客車來說太過複雜。
釋疑2：安全性與“技術路線”或“設計水平”有關？
從安全角度看，車身沖壓結構也未必不如方鋼結構。方鋼結構如果設計得不好，其力學性能會大打折扣。
現舉一例。圖2為一款大型客車的“全承載”式骨架圖，從整體上看完全符合QC/T997-2015的定義，但其腰梁處采用了一種異形型材，正是這種型材會使得車身在側翻時其上部抗變形的能力變弱，即很難通過GB17578-2013《客車上部結構強度的規定》這一标準所規定的測試檢驗。
那麼怎麼判斷方鋼結構的設計水平是好還是壞呢？
其實，無論是沖壓車身還是骨架車身，其設計難點都在于超靜定力學結構的設計問題，難在我們不能通過載荷的平衡條件來求得結構的内力分布。
筆者認為，要做好超靜定力學結構的設計，不論是沖壓結構還是方鋼結構，必須具備2個前提：一是對超靜定桁架結構的力學特點的認知水平；二是對結構從整體到細節的工程設計能力。而這2點并不是一個标準條文所能規定的。所以，像車身這種複雜的超靜定力學結構，其安全性能完全依賴于設計者的個人專業水平，與采用何種技術路線無關，與企業規模無關。
釋疑3：“全承載”概念是行業自己挖坑？
“全承載”一詞，與其說是專業術語，不如說是商業噱頭。如有的企業以“全承載”來宣示其産品的安全性，有的企業則以“全承載”來強調其産品的工藝有多先進。
其實，筆者認為，“全承載車身”這個概念并無專業價值，也毫無技術内涵，隻是一個混淆視聽、以假亂真的僞命題。
從理論聯系實際的角度來看，車身方鋼骨架的結構設計，不能流于概念形式，具體說應遵循以下4點原則，方能實現“安全之夙願”。
⑴盡可能使杆件承受拉壓載荷、不承受彎扭載荷，這是由杆件的力學特點決定的，即要因材施用。
⑵要有明确的載荷傳遞路線，明确什麼是承載構件，什麼是非承載構件。承載的要做強，非承載的要做弱。不能一相情願地認為所有構件都要均勻受載，其結果隻能是都不承載。
規劃載荷的傳遞路徑，就是把車身骨架的被動安全性主動地掌握在設計者手中，這是結構設計的核心所在。
⑶剛度是超靜定結構的首要設計原則，因為在超靜定結構中，構件受載的大小與其自身剛度成正比。即承載構件一定要具有足夠的剛度來承擔載荷，接下來才是強度能否夠用的問題。像車身這種大尺寸的機械産品，難點在結構的剛度設計上，剛度能滿足，則強度一定能滿足。
剛度的另一特點是其與幾何形狀和支承條件有關，這使得我們容易從結構構型上判斷剛度是否夠用，而不必等有限元計算結果，這也使得設計者能在紛繁複雜的超靜定結構設計中保持一個清晰的設計思路。
從剛度角度來看，客車界另一個很時髦的概念封閉環卻是個真命題。封閉環結構之所以好，是因為同等重量下其結構剛度最大。基于剛度原則，從鋼車身到鋁車身必須是等剛度設計。
因此，客車車身的安全性能，首先應是高剛度車身，與什麼結構形式無關。标準的目的是引領行業技術進步，不能成為創新的絆腳石。
⑷把握整體，推敲細節。由于車身骨架是由多種規格的矩形或異形管材焊接而成，在杆的接頭部位必須處理得當以滿足載荷的傳遞要求，否則會使整體的結構剛度變差，如前面圖2的例子。對于車身而言，剛度不足，談何安全？
總之，做好機械産品設計，前提有2個：一是了解産品的結構特點，二是了解産品的工藝特點。諸如車身結構這麼重大的産品技術路線，豈是一個标準所能決定？