客車鋁車身骨架合裝方法研究

石成義， 張 東， 韓華然， 趙延平

(中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000)

一直以來，整車輕量化[1]以減少燃油消耗為主要目的。但近幾年，隨著電動汽車的發(fā)展，輕量化則有多個主要目的：抵消電池電源系統(tǒng)的重量、降低整車重量提高動力性和續(xù)航里程等。目前客車輕量化最主要的方式還是采用輕量化材料[2]，包括高強度鋼在底架上的應用，鋁合金、鎂合金在車身上的應用，碳纖維復合材料[3]在部分內(nèi)外附件上的應用。而客車車身的連接合裝是鋁合金材料應用帶來的新的工藝問題，因此本文就客車鋁車身骨架合裝的主要方法及應用進行探討。

1 客車鋁車身合裝與傳統(tǒng)合裝方式的區(qū)別

鋁合金材料在客車車身骨架上的應用[4]，帶來一系列的變化，其中對骨架合裝影響巨大，與傳統(tǒng)客車骨架合裝最大的區(qū)別主要有以下幾個方面：

1) 原材料的變化。鋁的密度約為鋼的1/3，具較高的導電導熱性，塑性好，易于成型，且可以回收利用[5]。通過基礎成型及加工成型可以制作多種鋁合金型材[6]，早在上世紀70年代就已經(jīng)引入汽車零部件，近幾年開始批量應用在電動客車車身骨架上。

2) 型材規(guī)格的變化。傳統(tǒng)客車鋼骨架主要型材為各種規(guī)格的矩形鋼管，特殊位置采用異形截面結構，如腰梁采用“P”型鋼管、下裙梁采用“D”型鋼管。而鋁車身形成的大片骨架因為連接方式的改變，大量采用可插接配合式的異形型材規(guī)格。

3) 異種材質(zhì)[7]的連接。這是一項非常重要的變化，因為鋁型材(在客車骨架上的應用目前被認為是新材料)在客車骨架上的應用，造成有些部分的連接為異種材質(zhì)之間的連接，比如鋁合金側(cè)圍與鋼車架之間的連接，采用在鋁側(cè)圍上提前用螺栓連接或鉚接過渡鋼板的方法，然后再通過過渡鋼板將鋁側(cè)圍與鋼車架焊接連接。

4) 連接方法的改變。傳統(tǒng)客車鋼骨架車身的連接方式主要是焊接，而鋁車身骨架的連接有多種方式，可以焊接，也可以鉚接或鉚粘聯(lián)合。

5) 控制要求的變化。尤其體現(xiàn)在整車骨架調(diào)形上，鋼骨架車身的調(diào)形主要采用大錘冷調(diào)形與火烤熱調(diào)形方式；而鋁車身骨架存在調(diào)形困難的問題，對調(diào)形范圍、位置、程度都有一定的約束性。

2 客車鋁車身合裝方法研究

2.1 鋁車身合裝的特點

1) 鋁車身合裝順序與常規(guī)鋼車身合裝相比更加靈活，既能采用與鋼骨架完全相同的合裝順序，又能采用五大片預先獨立合裝，再與底架(車架)合裝的方式。

2) 對于以采用螺、鉚連接方式為主的鋁車身骨架，大片之間的連接效率相對較低，需要螺栓或鉚釘逐個放入通孔并逐一緊固；但連接的施工環(huán)境要好于焊接。

3) 對合裝一次成功率要求更高，原因之一是鋁型材及其形成骨架本身的塑性要低于鋼骨架，對后續(xù)調(diào)形要求更高甚至無法實施；另一個原因是對鉚接之后的拆解更加復雜、困難。

4) 車身防腐更加繁瑣，由于存在異種材質(zhì)的連接和在線投產(chǎn)方式的局限性，不便實現(xiàn)整車電泳[8]，從而增加防腐的工作量，尤其對于異種材質(zhì)連接位置的防腐、防靜電工作。

2.2 客車鋁車身合裝的幾種方法

2.2.1 客車鋁骨架成型連接方法

1) 焊接為主?？蛙嚬羌芨鞔笃倔w、大片與大片之間均采用焊接。焊接成型整體效率較高，但因鋁及其合金的物理特性，如線膨脹系數(shù)大，熔點低等造成焊接難度大、極易產(chǎn)生焊接變形，且必須采用成本稍高的氬弧焊接、鋁合金焊材。

2) 鉚接為主?？蛙嚬羌芨鞔笃倔w采用鉚接，大片與大片之間主要采用鉚接[9]，部分連接采用焊接。鉚接最主要的優(yōu)點就是連接變形小，對連接環(huán)境要求低。存在局部結構約束無法進行鉚接的部位則用焊接方式進行補充。

對于骨架大片之間采用焊接連接的情況，與鋼骨架整體合裝有一定的相似性，不再贅述。本文主要對以鉚接為主的客車骨架各大片合裝工藝進行闡述。

2.2.2 客車鋁骨架借用外控合裝胎合裝

外控合裝胎是一種在車身外部進行合裝控制的胎具?？蛙嚨准苡?種結構狀態(tài)，一種是車架式結構，剛度較大；一種是車身與底盤扣合的結構，底架以副車架的形式存在，剛度較小[4]。

借用外控合裝胎進行有車架的鋁車身的合裝，如圖1所示。合裝順序是以側(cè)圍骨架為基準，逐步拼合車架、頂蓋骨架、前圍骨架與后圍骨架，具體如下。

圖1 外控合裝胎合裝客車鋁車身骨架示意圖

1) 首先借助外控合裝胎，用吊帶將左側(cè)骨架吊至合裝胎的左側(cè),左側(cè)骨架外弧面朝向左側(cè)胎架,使左側(cè)骨架腰梁落在合裝胎腰梁限位槽中，靠緊高度和前后方向的定位后，夾緊各夾緊器。同樣的方式吊裝右側(cè)骨架。

2) 將車架吊入或推進合裝工裝，保持車架與側(cè)圍骨架前后端一致，同時調(diào)整車架與側(cè)圍之間的高度位置，使其達到正確的相對高度。對于高度的調(diào)整，可根據(jù)合裝工裝的不同進行合適的調(diào)整，有的合裝是靠車架承載部分的升降來配合與側(cè)圍高度的相符，有的合裝是靠左右胎架內(nèi)設置的升降機構來調(diào)整側(cè)圍的整體高度以配合車架高度。

3) 側(cè)圍骨架與車架定位焊接。①操作外控合裝胎向車架方向合攏，使左右側(cè)骨架立柱內(nèi)面與對應的車架橫梁接觸或預留2～5 mm的間隙，根據(jù)側(cè)立柱的位置調(diào)節(jié)車架位置。②用校平儀檢測車架的水平度,根據(jù)實際情況,用千斤頂調(diào)節(jié)車架前后左右高度，使車架上面水平且和側(cè)圍骨架上的理論位置對準。③將左右側(cè)圍骨架向中間繼續(xù)推進到位，根據(jù)鋁車身連接總成圖紙，焊接側(cè)圍立柱下端連接板與車架橫梁兩端的接縫，先點焊處理，后續(xù)固化形體后再滿焊。

4) 將頂蓋骨架吊至側(cè)圍骨架上方，調(diào)整頂蓋前后左右位置，使頂蓋骨架兩端縱梁與側(cè)窗立柱對接，乘客門前后立柱與頂蓋兩端縱梁插接，先將車身前后端連接板中心孔與頂蓋縱梁上的中心孔對齊，并用合適型號的鉚釘固定，然后再用連接板鉚接中間部位。

5) 前圍骨架鉚接。①用吊帶將前圍骨架總成吊至車身骨架前端。②將前頂橫梁與頂弧梁對接，調(diào)整前圍骨架左右位置，使前頂橫梁與頂弧梁上的孔一一對齊，可借助外圍工裝的夾鉗進行過程緊固，然后用合適鉚釘固定。③將連接板中心孔與骨架上的中心孔對齊，用型號合適的鉚釘固定。④將前門下橫梁、駕駛員窗下橫梁與前圍骨架用氬弧焊焊接固定，要求連接處滿焊，或根據(jù)預留孔情況進行鉚接。

6) 后圍骨架鉚接。后圍骨架的吊裝、對接、鉚連與前圍骨架基本類似，不同的是最后將左右側(cè)圍骨架后端最后一根裙邊梁與后圍骨架用氬弧焊焊接固定。

7) 將車架與側(cè)圍、前后圍存在的過渡連接板接縫進行滿焊處理。

8) 最后刷防銹漆，在車架橫梁與側(cè)圍連接焊接處涂覆防銹底漆，要求焊接處全部涂覆到位。

對于沒有獨立車架的鋁車身的合裝，因底架(副車架)已提前形成一個連接在一起的大片，是骨架的一片，整車骨架合裝仍以側(cè)圍骨架為基準，逐步拼合底架(副車架)、頂蓋骨架、前圍骨架與后圍骨架。

2.2.3 客車鋁骨架借用簡易內(nèi)控胎合裝

這是在沒有外控合裝胎的情況下進行的合裝工藝，適用于試生產(chǎn)、訂單相對較少的情況。內(nèi)控合裝胎是一種在車身內(nèi)部進行合裝控制的簡易胎具。與外控合裝胎相比，簡單易作，成本低廉。

底架的2種結構狀態(tài)均可采用簡易內(nèi)控胎合裝，如圖2所示，合裝工藝相同，合裝順序是以車架(底架)為基準，逐步拼合側(cè)圍骨架、頂蓋骨架、前圍骨架與后圍骨架。

圖2 簡易內(nèi)控胎合裝客車鋁車身骨架示意圖

1) 首先進行車架定位，用水平儀校正車身底盤車架水平位置，車身兩端水平誤差在2 mm內(nèi)。安裝2套自制內(nèi)控合裝工裝，可使用250型F夾具將內(nèi)控胎與車架縱梁夾裝固定，保證固定牢靠能夠用來懸掛側(cè)圍骨架。

2) 用吊帶將左側(cè)骨架吊至車架左側(cè)，左側(cè)骨架外弧面朝向左側(cè)，內(nèi)弧面朝向簡易內(nèi)控胎與車架,并使左側(cè)骨架窗上沿梁鉤掛在2套工裝上，靠緊高度和前后方向的定位后，夾緊活動夾緊器，同樣的方式吊裝右側(cè)骨架。根據(jù)鋁車身連接件總成圖紙，對相應側(cè)圍立柱下端連接板與車架橫梁兩端進行定位焊接，要求方鋼連接處點焊處理。

3) 頂蓋骨架與側(cè)圍骨架鉚接。將頂蓋骨架吊至側(cè)圍骨架上方，調(diào)整頂蓋前后左右位置，使兩端縱梁與側(cè)窗立柱對接，乘客門兩立柱與頂蓋兩端縱梁插接到位，對齊車身前后端與頂蓋兩端縱梁連接板中心孔，并用合適型號的鉚釘固定，再用連接板鉚接中間部位。

4) 吊裝前圍骨架并鉚接。①用吊帶將前圍骨架總成吊至車身骨架前端。②將前頂橫梁與頂弧梁對接，調(diào)整前圍骨架左右位置，對齊前頂橫梁與頂弧梁上的孔，然后用合適鉚釘固定。③對于連接板中心孔與骨架上的中心孔，用型號合適的鉚釘固定。④將前門下橫梁、駕駛員窗下橫梁與前圍骨架用氬弧焊焊接固定，要求連接處滿焊，或根據(jù)預留孔情況進行鉚接。

5) 吊裝后圍骨架并鉚接。后圍骨架的吊裝、對接、鉚連與前圍骨架基本類似，不同之處是最后將左右側(cè)圍骨架后端最后一根裙邊梁與后圍骨架用氬弧焊焊接固定即可。

6) 將車架與前后左右四大片存在的過渡連接板接縫進行滿焊處理，完成骨架車的合裝，如圖3所示。最后在車架橫梁與前后左右四大片焊接接縫處涂覆防銹底漆。

圖3 鋁合金骨架合裝后狀態(tài)

通過實際試生產(chǎn)情況分析，客車鋁車身骨架的這幾種合裝方法滿足其成型需求，能夠使其具有更高的精度、更小的變形量和更小的整車調(diào)形工作量，因此，推動了鋁型材骨架在客車車身上的應用。

3 結束語

輕量化材料在客車上的不斷應用，給整體成型工藝帶來了挑戰(zhàn)，當然也是機遇，為采用更加先進、合理、適用的連接方式提供了更好的平臺。今后，相應的連接工藝將是我們面臨的最大問題與挑戰(zhàn)，我們要改變傳統(tǒng)思路，進行多方新型連接工程如EMPT[10]、CMT[11]、SPR[12]等技術的研究、驗證及應用，來適應新形勢、新材料、新結構、新工藝的發(fā)展，為客車輕量化的發(fā)展及推廣提前進行技術儲備。