閔生，張巧巧

1.珠海廣通汽車有限公司 廣東珠海 519000

2.格力鈦新能源股份有限公司 廣東珠海 519000

綠色、環(huán)保、輕量化是未來客車的發(fā)展趨勢，目前，我國多數(shù)客車企業(yè)都在加大對新能源、輕量化技術(shù)的研發(fā)投入。經(jīng)過這么多年的使用和經(jīng)驗(yàn)累積，對于傳統(tǒng)主機(jī)廠，鋼材料依然是客車車身的主流材料，但隨著國家新能源客車不斷推廣，對車輛整備質(zhì)量、電池電量、續(xù)駛里程要求的提高，車身輕量化成為必然趨勢。汽車輕量化、智能化、電動化和網(wǎng)聯(lián)化是我國汽車產(chǎn)業(yè)的四大發(fā)展方向，為達(dá)到節(jié)能減排的目的，汽車輕量化是主要途徑之一。據(jù)統(tǒng)計，車輛整備質(zhì)量減重10%，燃油經(jīng)濟(jì)性能提升6%～8%，全生命周期內(nèi)減少4%～10%的CO2排放。

目前，市面上的高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)鋼已經(jīng)無法滿足客車輕量化要求，采用輕質(zhì)材料是車身輕量化的主流方向。鋁材料相比其他新材料價格合理，同時在汽車的各個領(lǐng)域應(yīng)用上有產(chǎn)業(yè)化的趨勢，鋁合金以其優(yōu)越的強(qiáng)度、輕量化特性、靈活的設(shè)計、高防腐蝕性及高回收利用率等特點(diǎn)，被眾多客車企業(yè)和公交公司認(rèn)定為新能源客車的車身首選[1]。

全鋁車身主要采用鋁合金焊接、鉚接、螺紋聯(lián)接及粘接工藝，在保證整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、防腐能力的同時，能夠大幅降低車輛整備質(zhì)量，提高能源利用效率，提升續(xù)駛里程。本文主要從新能源客車頂蓋入手，設(shè)計一種新型輕量化結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行工藝分析。

設(shè)計方案

1.原材料介紹

鋁合金擠壓型材被廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、電子及航天航空等領(lǐng)域，由于其質(zhì)量輕、耐磨、耐腐蝕、彈性好、剛度和比強(qiáng)度高、抗沖擊性能優(yōu)、加工成形好和再生性高等特點(diǎn)，成為汽車輕量化的首選材料。尤其是6系鋁合金，由于其優(yōu)秀的可擠壓性、良好的耐腐蝕性和表面處理性，應(yīng)用更為廣泛，占鋁合金擠壓制品的80%以上[2]。

鋁合金車身汽車也因其節(jié)能低耗、安全舒適及相對載重能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。鋁合金是主要輕量化材料，主要看中質(zhì)量輕、耐腐蝕這兩大性能特點(diǎn)，同時需要兼顧材料的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能和型材加工、折彎等工藝加工性能。目前主要采用的6061鋁-鎂-硅系可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金，屬于面心立方結(jié)構(gòu)，晶體滑移系數(shù)12，具備良好的塑性成形能力，可熱處理強(qiáng)化，經(jīng)過固熔熱處理及時效處理后，具有較高的強(qiáng)度及塑性。6061屬于二相固熔體，其主要晶相體是α（Al）+β（Mg2Si），主要合金元素是Mg、Si，密度2.73g/mm3，熱處理狀態(tài)為T6（固熔熱處理后進(jìn)行人工時效的狀態(tài)），良好的耐腐蝕性能，鹽霧試驗(yàn)時間＞1000h，結(jié)合均衡良好的力學(xué)性能，擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有客車頂蓋的整體質(zhì)量較高，常見結(jié)構(gòu)組成如圖1所示（半個剖視圖，另一邊對稱）。關(guān)于車頂蒙皮和流水槽有以下劣勢：車頂蒙皮受鋼材生產(chǎn)廠家寬度尺寸規(guī)格限制，需采用三塊蒙皮，車頂兩側(cè)蒙皮需要按車頂兩側(cè)弧度提前輥壓成型，然后再與頂中蒙皮搭接裝配。一方面需要投入輥壓設(shè)備，另一方面三塊蒙皮裝配工作量大、生產(chǎn)效率低。同時，流水槽需要后續(xù)單獨(dú)裝配，采用自攻螺釘聯(lián)接，鉆穿蒙皮及邊縱梁，耗時費(fèi)力且存在很大的漏水隱患。

圖1 客車頂蓋的常見結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計一種新結(jié)構(gòu)邊縱梁及整體蒙皮的鋁合金頂蓋結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)邊縱梁（見圖2）主要由流水槽、骨架（含內(nèi)部加強(qiáng)筋和彎弧）、蒙皮搭接臺階等結(jié)構(gòu)組成。

圖2 新結(jié)構(gòu)邊縱梁示意

新頂蓋結(jié)構(gòu)（見圖3）主要由新結(jié)構(gòu)邊縱梁（含彎弧、流水槽和加強(qiáng)筋）、橫梁骨架和表面覆蓋頂蒙皮等組成。

圖3 新結(jié)構(gòu)鋁合金頂蓋示意

兩塊頂蓋邊縱梁對稱連接在頂骨架沿長度方向的兩端，當(dāng)頂骨架和頂蓋邊縱梁連接在一起時，設(shè)置在車頂蒙皮延伸方向的彎弧自身起到蒙皮的作用，避免了現(xiàn)有技術(shù)中需要對兩側(cè)的蒙皮單獨(dú)進(jìn)行輥壓的缺陷。同時，流水槽一體成型在頂蓋邊縱梁上，避免了后期單獨(dú)加工，也可以避免現(xiàn)有技術(shù)中需要采用自攻螺釘將流水槽、頂蓋邊縱梁和頂蓋蒙皮連接在一起時，對蒙皮的密封性能造成的影響。最后，三塊頂蒙皮優(yōu)化為整體蒙皮結(jié)構(gòu)，然后與邊縱梁的蒙皮裝配面搭接在一起，組成完整的新型頂蓋結(jié)構(gòu)，可以大幅提高生產(chǎn)裝配效率。

連接工藝分析

兩塊頂蓋邊縱梁對稱連接在頂骨架沿長度方向的兩端，當(dāng)頂骨架和頂蓋邊縱梁連接在一起時，設(shè)置在頂蒙皮延伸方向的彎弧自身起到蒙皮的作用，避免了現(xiàn)有技術(shù)中需要對兩側(cè)的蒙皮單獨(dú)進(jìn)行輥壓的缺陷；同時流水槽一體成型在頂蓋邊縱梁上，避免了后期單獨(dú)加工，也可以避免現(xiàn)有技術(shù)中需要采用自攻螺釘將流水槽、頂蓋邊縱梁和頂蓋蒙皮連接在一起時，對蒙皮的密封性能造成的影響。最后，三塊頂蒙皮優(yōu)化為整體蒙皮結(jié)構(gòu)，然后與邊縱梁的蒙皮裝配面搭接在一起，組成完整的新型頂蓋結(jié)構(gòu)，可以大幅提高生產(chǎn)裝配效率。

1.焊接工藝

采用焊接方式的結(jié)構(gòu)簡單，由于鋁合金焊接對員工技術(shù)水平要求高、焊接過程中熱變形難以控制且焊接后熱影響區(qū)強(qiáng)度下降（約為母材70%），焊接工藝在鋁車身骨架生產(chǎn)中使用很少，各主流鋁車身生產(chǎn)廠家一般只有前后圍骨架才采用焊接工藝（前后圍骨架弧桿件多，且長寬高尺寸較小，焊接熱變形易控制）。但由于減少了鉚釘、連接板等物料，輕量化效果優(yōu)越，如基于CAE分析技術(shù)開發(fā)的焊接式全鋁合金客車車身，在剛度方面達(dá)到與鋼結(jié)構(gòu)車身相當(dāng)?shù)乃?，并提升了白車身模態(tài)，實(shí)現(xiàn)白車身減重輕量化效果比較明顯。結(jié)合上汽大眾鋁合金焊接與連接技術(shù)的應(yīng)用情況。系統(tǒng)介紹了鋁合金焊接技術(shù)等。

2.鉚接工藝

鉚接工藝是車身骨架連接的重要工藝之一。鉚接連接車身骨架是目前行業(yè)內(nèi)鋁車身生產(chǎn)的主流方式之一，如介紹了鋁合金車身上常用的自穿刺鉚接、流鉆螺釘、無鉚釘鉚接、實(shí)心鉚這四種連接方式的工藝特點(diǎn)、適用場景和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求等[5]。

本文主要介紹骨架鉚接使用的環(huán)槽鉚釘和拉絲鉚釘。

（1）環(huán)槽鉚釘連接原理 環(huán)槽鉚釘也叫“哈克釘”，由釘桿和釘套組成。一套環(huán)槽鉚釘由一個釘桿和一個套環(huán)組成，這種鉚釘具有高強(qiáng)度夾緊力和防振功能，能夠替代常規(guī)的螺栓螺母，目前在集裝箱、客車、建筑及航空航天等行業(yè)應(yīng)用廣泛。連接原理如圖4所示。

圖4 環(huán)槽鉚釘連接原理示意

鉚接時先將鉚釘插入被連接件的釘孔中，再從被連接件另一面將釘套套在鉚釘?shù)墓ぷ鞫苇h(huán)槽上，然后用專用工具——?dú)鈩迎h(huán)槽鉚釘槍的槍口套在鉚釘?shù)膴A持段環(huán)槽上，并將槍口抵住釘套端面，再扣動槍上扳機(jī)，鉚釘槍即將鉚釘?shù)膴A緊段環(huán)槽釘桿拉緊，直到斷裂為止。此時，釘套內(nèi)壁擠入鉚釘?shù)墓ぷ鞫苇h(huán)槽中，形成新鉚釘頭，從而把被連接件鉚接緊固。環(huán)槽鉚釘與傳統(tǒng)螺母螺栓利用扭力旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的緊固力不同，環(huán)槽鉚釘利用胡克定律原理，經(jīng)由專用鉚槍在單向拉力的作用下，拉伸栓桿并推擠套環(huán)，將內(nèi)部光滑的套環(huán)擠壓到螺桿凹槽使套環(huán)和螺栓形成100%的結(jié)合，產(chǎn)生永久性緊固力。

（2）拉絲鉚釘連接原理 拉絲鉚釘又稱“口杯型抽芯鉚釘”，屬于結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘。拉鉚后釘芯斷釘處會翻邊入鉚體凹槽內(nèi)，鎖緊釘心，形成高抗拉抗剪強(qiáng)度，具有雙鎖功能和封閉作用。拉絲鉚釘連接原理如圖5所示。

圖5 拉絲鉚釘連接示意

與普通鉚釘有很大的區(qū)別，一方面其連接強(qiáng)度與普通鉚釘不可同日而語；另一方面，釘芯在鉚接完畢后鎖死鉚體里不會松動，而普通鉚釘在鉚接完畢后釘芯容易松動。

3. 螺接工藝

螺接工藝是骨架連接的重要工藝之一。螺栓聯(lián)接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接，具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。螺栓聯(lián)接車身骨架是目前行業(yè)內(nèi)鋁車身生產(chǎn)的主流方式之一，車身骨架螺栓聯(lián)接通常采用的是8.8級以上的高強(qiáng)度螺栓，表面達(dá)克羅覆膜，擁有優(yōu)越的耐腐蝕能力。

螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)受力時主要受到剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的作用，其抗剪主要靠螺栓桿與孔壁相互擠壓傳力，抗拉主要靠螺栓緊固后的預(yù)緊力。 螺栓聯(lián)接抗拉主要靠螺栓緊固后的預(yù)緊力，因此螺栓的緊固是關(guān)鍵，緊固不足，由于振動或者循環(huán)載荷，很容易造成螺栓松脫。

應(yīng)用最廣泛的螺栓緊固方法是扭矩緊固法，即通過旋轉(zhuǎn)緊固件螺母部分來對緊固件施加預(yù)緊力。施加的扭矩會轉(zhuǎn)化為三種力：拉伸螺栓的作用力、克服螺栓螺紋摩擦的作用力以及螺母聯(lián)接部件表面摩擦的作用力。

為保證螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，緊固扭矩的確定就尤為重要，一般通過CAE仿真分析的方法來確認(rèn)緊固扭矩的大小，并考慮各零件間摩擦作用，采用非線性分析，然后通過實(shí)物來驗(yàn)證CAE分析效果的有效性。下面結(jié)合頂蓋及其連接件材料、聯(lián)接螺栓的實(shí)際使用情況，進(jìn)行仿真分析。

實(shí)驗(yàn)材料選擇為厚度為3mm的6061T6型材及其連接件（骨架相同材料）、10.9級合金鋼螺栓，依次在25N·m、30N·m、35N·m、40N·m及45N·m緊固扭矩作用下，分析連接強(qiáng)度情況。45N·m緊固扭矩的CAE分析情況如圖6所示。

圖6 應(yīng)力強(qiáng)度CAE情況

可以看出，螺栓的聯(lián)接應(yīng)力強(qiáng)度958MPa、連接件的連接應(yīng)力強(qiáng)度258.6MPa，都剛剛超過了本身屈服強(qiáng)度，再結(jié)合其他緊固扭矩值的分析及其實(shí)物驗(yàn)證，可以確定本批實(shí)驗(yàn)條件下的最佳緊固力矩范圍為30～40N·m。

螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)主要控制點(diǎn)就是螺栓的防松，保證每個螺栓擰緊，是車身骨架的連接強(qiáng)度重要保障。

綜合分析主要可以從以下幾個方面進(jìn)行控制保障：

1）結(jié)構(gòu)方面，采用了兩個或多個螺母相連的結(jié)構(gòu)，提高關(guān)聯(lián)度，減少螺母的松動。

2）扭矩緊固順序方面，為了避免應(yīng)力分散，施加扭矩需要按特定的步驟進(jìn)行扭矩緊固，按先中間、后兩邊、對角、順時針方向依次、分階段緊固；然后分兩次緊固，第一步力矩擰50%，第二步擰100%，擰緊后螺栓末端應(yīng)露出螺母外1-3個螺距；最后需要進(jìn)行劃標(biāo)，防止存在螺栓漏打力矩。

3） 螺紋緊固膠的使用。金屬螺釘受沖擊震動作用很容易產(chǎn)生松動或脫離，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖固方法都不夠理想，而化學(xué)鎖固方法廉價有效。螺紋緊固膠屬于厭氧固化型膠粘劑，可在隔絕空氣條件下快速固化，在螺紋齒合部位形成堅韌的膠層，能夠有效填充螺紋間隙，增加螺紋接觸面積達(dá)到緊固密封的作用。

4. 頂蒙皮連接工藝及其對比

通過設(shè)計的新結(jié)構(gòu)邊縱梁及整體蒙皮的鋁合金頂蓋結(jié)構(gòu)，頂蓋蒙皮由三塊優(yōu)化為一個整體，取消中間蒙皮與兩側(cè)蒙皮的2個搭接縫隙，可節(jié)約蒙皮10%原材料、50%粘接膠和50%鉚釘成本，并可提高約蒙皮50%生產(chǎn)裝配效率。

主要工藝流程為打磨—清潔—刷底涂—打膠—粘接—打鉚釘，生產(chǎn)過程中主要控制頂蓋蒙皮平整度、天窗洞口尺寸及鉚釘孔密封。

通過以上相關(guān)分析可以看出，鋁合金骨架的幾種連接工藝優(yōu)劣勢對比見表1。

表1 鋁合金骨架連接工藝優(yōu)劣勢對比情況

不同連接工藝方式各有利弊，輕量化效果也有一些差異，需要結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，來決定采用哪種或者多種工藝。

結(jié)語

本文主要從新能源客車頂蓋入手，設(shè)計新型輕量化結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行工藝分析，實(shí)現(xiàn)輕量化及提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)，對全鋁客車的頂蓋設(shè)計及改善整車性能有重要的參考意義。主要得出以下結(jié)論：

1）提供了一種鋁合金頂蓋邊縱梁結(jié)構(gòu)，主要由流水槽、骨架、蒙皮搭接臺階等結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)一體成形設(shè)計和加工，實(shí)現(xiàn)輕量化，并避免了采用自攻螺釘固定流水槽時對頂蓋的密封性能造成不良影響。

2）提供了一種整體蒙皮鋁合金頂蓋結(jié)構(gòu)，主要由新結(jié)構(gòu)邊縱梁、骨架和頂蒙皮組成，三塊蒙皮優(yōu)化為一塊整體蒙皮結(jié)構(gòu)，提高密封性能，實(shí)現(xiàn)輕量化，并降低材料成本，大幅提高生產(chǎn)裝配效率。

3）分析討論了鋁合金頂蓋的幾種工藝，可為行業(yè)的工藝選擇提供一些參考。