全承载不锈钢客车技术研究总结报告(.doc

全承载不锈钢客车技术研究总结报告1.项目背景现代道路工业的快速发展,为客车工业的崛起创造了良好的外部条件。客车车身是车辆结构的主体，车身的强度、刚度,关系到车辆运行的安全可靠性和舒适性;车身的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法,关系到车辆的外观、寿命;车身的重量,关系到能耗、加减速度;载客能力直接影响到运营质量和经济效益。目前快速、轻量化不锈钢车辆已成为日、韩及欧美各国的应用先进工艺制造技术，而采用全承载技术的不锈钢车身因其较好的撞击吸能特性、耐腐蚀性能、重量轻、维护成本低等特点,已成为国际出口车型重要的发展方向之一。为创新完善自主工艺技术，缩小客车产品与发达国家差距，全面提高企业制造的竞争能力，开始对全承载不锈钢车身技术进行试制研究。其以全承载技术的不锈钢车身通过助于有限元分析优化车体设计,对产品设计结构进行了多项改变,车身骨架及车身蒙皮覆盖件全部采用不锈钢材料，其制造工艺完全不同于传统的碳钢车身。同时借鉴近年来国外车身制造的新工艺成功经验和焊接新技术的飞速发展,一些新的技术成果正逐渐应用到不锈钢车体的制造中来,从而极大地丰富了不锈钢车体的制造工艺手段。2.项目技术方案的选择2.1不锈钢材料的选择不锈钢车体的材料应具有耐高应力、焊接性、辊轧成形性、冲压性等加工性能良好。能符合上述条件的不锈钢通常有两种:奥氏体系不锈钢的SUS 301L、SUS 304（见表1，表2）。由于SUS 301L具有通过轧制加工而易于增加硬度和抗拉强度的特性,故可根据使用部位选用适当等级的材料;它的含碳量在0.03%以下,能抑制电弧焊时碳化铬的析出,是一种可以防止晶界腐蚀裂纹的材料, 国际上不锈钢车辆上采用的多为奥氏体系SUS301L 类不锈钢材料。结合全承载客车技术，在材料选择上车身骨架采用的是各种不同规格的不锈钢SUS301L冷拔的无缝方管，在强度要求不严格一些预埋件部位采用的SUS304 板材. 其材料具有较高的抗拉强度,还具有良好的冲压、点焊等性能。图1 全承载不锈钢车身骨架2.2 焊接相关设备的选择：由于不锈钢车身的整个结构与传统的碳钢车体有较大差异,因而其焊接工艺与传统的车体焊接工艺（焊机设备、焊丝材料、切割工艺）方面有很大不同。2.3.1焊接设备不锈钢焊接一般采用氩弧焊（TIG焊）、熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）、不锈钢药芯焊丝电弧焊等多种方式。针对客车制造行业目前是一种劳动密集型企业特点，结合产品质量和效率原则，我们选用了全数字IGBT逆变控制直流脉冲MIG自动焊接机，满足包括碳钢、不锈钢在内的最佳电弧特性的脉冲或非脉冲焊接，其不锈钢MIG焊要点及注意事项如下：1） 采用纯氩气（纯度为99.99%）或Ar+2%O2,流量以2025L/min为宜。 2）电弧长度，不锈钢的MIG焊接，一般都在喷射过渡的条件下来施焊，电压要调整到弧长在46mm的程度。 3）防风。MIG焊接容易受到风的影响，有时微风而产生气孔，所以风速在0.5m/sec以上的地方，都应当采取防风措施。图2 数字IGBT逆变控制直流脉冲MIG自动焊接机2.3.2 焊丝材料选择针对焊丝材料选用上，公司与省汽车产品质量监督检验站进行多样对比抗拉强度试验。在不锈钢-不锈钢焊接选用牌号ER308L/1.0mm实芯焊丝，不锈钢-16Mn异种材料焊接选用.牌号ER309/1.0mm实芯焊丝。其试验结果依据GB/T228-2002,在温度25、相对湿度55%条件下，抗拉强度在680-735N/mm2,其抗拉强度高于16Mn材质，满足了客车了产品质量要求。2.3.3 不锈钢切割工艺选择不锈钢的振动气割不锈钢在气割时生成难熔的Cr2O3，所以不能用普通的火焰切割方法进行切割。不锈钢焊接结构的制造中，如果厚度适宜，应尽量采用切割质量好、效率高的等离子弧切割及激光切割工艺。结合公司设备及条件在产品切割方面，矩形管下料采用了盘式锯床、弓式锯床下料；板材方面采用激光切割方式；局部切割采用等离子切割方式。3. 项目车身结构的有限元分析新型不锈钢车采用超低碳(C0. 03% )的SUS301L车辆专用经济不锈钢,根据压延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT共5个强度级。SUS301L的改性压延状态机械性能代号HT的屈服点在961 N/mm2以上,拉伸强度在1 275 N/mm2以上,但其纵向弹性模量(E)却只有钢的85% (钢的E=2.06105N/mm2以上,不锈钢的E=1. 76105N/mm2),这意味着不锈钢车体比同样结构(当然结构是有很大不同的)耐候钢车刚度要小。因此车辆设计者在产品设计过程中,借助于电子计算机进行有限元计算方法(如ANSYS 软件) ,来分析车体的受力、变形以及应力分布情况,充分地利用了材料的高抗拉强度,设计出薄壁矩形管（方管）构成的全承载车体，来尽量增大车身刚度。 3.1建立模型在UG建模环境下建立整车的数学模型。客车骨架是一种焊接结构，它由前围、后围、顶盖、底架、及左右侧围等六大部分构成，因此，根据车身的这个结构特点，对骨架三维几何模型抽取中面，模型简化：（1）忽略蒙皮和玻璃对车身刚度的影响。（2）忽略仓门及内饰件对车身刚度的影响。（3）忽略其他非承载件对车身刚度的影响。（4）将发动机与变速箱简化成集中质量的形式。（5）将座椅简化成集中质量的形式。（6）忽略悬挂对模态的影响。图3 整车骨架有限元模型3.2 前处理3.2.1模型连接：客车骨架的零件间主要是通过缝焊连接，缝焊连接采用刚性单元（RBE2）模拟，缝焊连接采用以下方式处理：（1）绝大部分缝焊采用边面投影法和边边对应的方法，用刚性单元（RBE2或RBE3）连接；部分采用面面胶合连接。（2）极少数缝焊，进行几何缝合，使之一体化。（3）车架上所有的铆钉连接和螺栓连接采用刚性单元（RBE2或RBE3）模拟。3.2.2材料属性：客车骨架薄壁件的厚度分别从1.5mm16mm不等；材料为SUS301L LT、DLT、ST、MT、HT共5个强度级。3.2.3网格划分：对车身的中面模型建立有限元模型，大部分采用二维四结点（QUAD4）和二维三结点（TRIA3）壳单元；少数的零件采用四面体（TRIA10）单元。单元总数约31万（如表一）。名称CQUAD4CTETRACTRIA3数目21068110182130433.2.4载荷处理：主要承载物包括整车骨架，空调，发动机，冷却水箱，变速箱及缓速器，内装饰，暖气设备，座椅，乘员，木地板，玻璃，油箱（加满），卫生间，蓄电池等等。其中发动机、缓速器、座椅及乘员以质量点的形式加载，其余以均部力的形式加载。图4 整车骨架有限元模型加载图3.2.5 约束条件整个客车骨架结构主要是通过前后空气弹簧与悬架连接，因此在静力分析时，将根据不同工况对这些位置进行约束。3.3 工况计算进行静态分析，是为了计算车身结构在极限载荷作用下的变形和应力，故采用满载多工况计算。工况包括弯曲工况、扭转工况。3.3.1弯曲工况汽车匀速行驶时车身受载发生弯曲变形，这与静态弯曲工况相同，故使用弯曲工况对汽车在平直路面上行驶时的刚度和强度进行计算。边界条件如下定义：（1）考虑汽车行驶时受到路面冲击载荷的影响，将所有的质量、载荷乘以K=1.5的动载系数。（2）将空气弹簧支架进行全约束。3.3.2扭转工况在实际情况下，汽车左前轮悬空，右前轮抬高，被认为是比较严重的扭转工况。扭转工况在模拟该工况时边界条件如下：车身后空气弹簧支架全约束；左前空气弹簧支架悬空；右前空气弹簧支架施加扭矩，大小为前轴负荷的一半乘以轮距。3.3.3紧急制动工况：紧急制动工况计算客车以最大制动加速度0.8g制动时，对车身施加纵向惯性力作用，以附加等效载荷的形式加到车身，来反映地面制动力对车身的影响。紧急制动工况的边界条件为：约束前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX、UY、UZ，约束后轮装配位置处节点的垂直自由度和纵向自由度，释放其它自由度。3.3.4紧急转弯工况：作为轻量化后的骨架验算载荷，紧急转弯工况计算当客车以最大横向加速度0.4g转弯时，对车身施加横向惯性力作用，以附加等效载荷的形式加到车身，来反映地面附着力对车身的影响。紧急转弯工况的边界条件为：约束前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX、UY、UZ；约束后轮装配位置处节点的三个平动自由度UX、UY、UZ。3.3 计算结果及分析车身骨架高应力区主要在后围，底架和地板等处。由于发动机后置，后桥轴荷较大，在后车架的载荷作用区存在有应力集中，最大应力110.8MPa，在后悬架处。以下是车身骨架内力图，由以下各内力图可以全面了解整车的受力状况，在进行整车受力分析和截面设计时作为依据。图5 该型样车身整体弯曲工况应力分布图图6 该型样车侧围弯曲工况应力分布图图7 该型样车发动机处弯曲工况应力分布图图8 该型样车后悬架处弯曲工况应力分布图根据上述车身强度和刚度分析，该型原样车车身整体弯曲和扭转刚度稍大，开口变形小，弯曲和扭转应力水平适中，强度储备处在合理范围。但车身骨架应力分布不均，局部存在高应力区，有必要对相应结构作进一步改进设计。4 该型骨架轻量化设计方案4.1 轻量化设计方案在充分了解和掌握该型车身骨架的受力状况下，结合不锈钢材料高抗拉强度优势，同时兼顾型材规格与装配工艺，提出合理设计方案，不锈钢车体结构受力部件主要使用不同强度等级SUS301L不锈钢,此外在底架关键部位还采用了的高强度钢管，其底架采用的是由矩形管（方管）构成的格栅式结构，底架与前/后围、左/右侧围、车顶五大片组成的封闭环的“ 鸟巢”结构,由于没有车架，故可降低地板和整车高度，整个车身参与载荷，上下部结构形成统一整体，在承受载荷时，使整个车身壳体达到稳定平衡状态。其优点是：车身重量降低共减重295.43KG，结构强度与刚度提高；简化构件的成型过程，提高材料利用率. 4.2 轻量化方案对比分析a)原车与不锈钢车车身变形对比分析原车与改进车车身在弯曲工况下最大变形见表1，根据整车骨架及各个截面变形观察及分析，轻量化后骨架整体刚度所受影响很小。表3 车身骨架各总成弯曲变形值碳钢车最大变形(mm)不锈钢车最大变形(mm)左侧围2.5882.378右侧围2.5502.311顶盖 2.6002.423底架 3.6653.352前围1.1601.041后围3.4703.249b)原车与不锈钢车车身强度对比分析原车与改进车车身在弯曲工况下最大应力见表2，按照所提方案，从骨架各总成应力分布情况和表2所列数据可以看出，车身骨架改进前后应力和变形发生了变化，也就是应力重新分配，使得骨架总体应力与变形相对均匀一些。表4 车身骨架各总成最大应力表(MPa)骨架各总成碳钢骨架最大应力不锈钢车骨架最大应力左侧围76.384.8右侧围76.084.7顶盖13.115.2后围60.458.6前围8.28.3底架 110.8111.204.全承载不锈钢车身焊装制造工艺技术全承载不锈钢车体的组焊工艺是先根据结构设计受力情况，选用不同规格、材质的矩形管进行组焊形成独立的大部件,然后完成总拼装。底架基本上是有规则的截面梁、连接梁组成；前/后围、左/右侧围、车顶五大片除尺寸有所不同，结构基本上是相同的采用冷拔不锈钢矩形管组成。其制作工艺为：矩形管下料、矩形管弯曲、小总成焊接；底架和前/后围、左/右侧围、车顶骨架六大片焊接；车身总拼；车身补焊件、打磨、校正；底架内蒙；车身外蒙。装焊必须在焊接工装上进行，这样才能控制各部件的相对位置尺寸，并能有效控制焊接收缩、变形。现就制作过程工艺要点分述如下：4.1不锈钢管材下料及弯管不锈钢管材下料，重点控制的是下料尺寸、角度。其下料的准确程度关系到小总成乃至车身总成的尺寸准确程度。下料设备一般采用盘式锯床、弓式锯床。前后围弯管的圆弧半径一般是渐变值不是确定值，弯曲一般采用液压仿形弯管机及数控弯管机。车顶、侧围弯管的圆弧半径是确定值，一般使用冲压模具进行弯曲，有的公司使用辊弯机对矩形管进行辊弯。生产批量小的公司可使用液压校正机进行手工控制压形，弯曲成形的矩形管，需用液压校正机进行校正，并使用卡板进行检验。4.2 底架制作不锈钢底架的设计是车辆轻量化的关键,其主要受力部件底架端部的设计与碳钢车相似,亦采用高强度的中、厚16Mn矩形管制造, 车底的其余受力部件均选用不锈钢材料,采用MIG气体保护焊接。底架的截面梁、连接梁小总成焊接必须使用焊接夹具来保证其控制尺寸，焊接后需对平面焊缝进行打磨，以便部件总成能准确放入下道工序的焊接工装内，采用锤击及火焰校正的方法在进行相关尺寸和平面度校正。底架总拼是在底架总拼夹具上进行，将各截面梁、连接梁按顺序放入工装，进行适当地调整定位并夹紧。在工装上先进行上面和两侧面的焊接，吊到高架上再进行底部焊接。底架总拼夹具一般是分块可置换式结构，作适当的置换和调整，就可以进行不同轴距、不同悬架底架的生产.4.3前/后围、左/右侧围、车顶五大片制作因不锈钢车身五大片外形结构为空间曲线，形状复杂，精度要求高，在五大片焊装胎具上采用MIG焊接方式焊进行拼焊,焊完三面焊缝后，然后调出进行底部焊接，再进行打磨、校正。4.4车身总拼装焊六大部件分别组成后,便开始车体总组装。车身总拼焊接工序，在工装夹具上进行。大多数公司使用的是平移式总拼夹具，其五大片在其他夹具上焊接，总拼夹具只进行几大总成的对接。制造高档客车车身的公司采用的是液压翻转举升式总拼工装。前/后围、侧围在翻转台上焊接，焊接后直接进行翻转举升，向前推进合拢。其优点是定位准确，减少二次定位误差，才能控制各部件的相对位置尺寸，并能有效控制焊接收缩，提高工作效率。工装一般由夹具体、定位单元、夹紧单元组成。夹具体可以采用铸件，也可以采用型材焊接。由于全承载车身大部分是冷拔不锈钢矩形管组成，矩形管的截面尺寸公差不大，定位单元大部分可采用U形或L形矩形管定位块，前后悬架部分可采用孔导向定位。夹紧装置一般采用手动方式、气动方式和液压方式。手动夹紧夹紧力不大，工作效率低，一般焊接小总成时采用。气动夹紧,夹紧力大，速度快，但是夹紧力不稳定，在进行尺寸位置调整时容易松动。液压夹紧夹紧力大，夹紧力稳定，这是大型拼焊工装常采用的夹紧方式。不足之处是易泄漏，造成污染。很多专业厂家制作了不同类型、不同规格夹紧元件，供客车公司或夹具生产厂家选用。4.5不锈钢车身骨架校正不锈钢焊接过程中不可避免会产生焊接变形，全承载不锈钢客车车身由大量的不锈钢矩形管及部件总成组焊而成，矩形管及部件总成焊接后会出现收缩、弯曲、扭曲、单边倾斜等复杂的变形现象，通过可靠的工艺保证手段，合理的焊接顺序可以减少焊接变形，但是不能完全消除变形，必须进行校正来消除变形。使车身的尺寸、平整度、弧度吻合度符合工艺要求，满足客车的蒙皮、装配的需要。因不锈钢加热后常会发生晶间腐蚀， 其主要原因是不锈钢在450 850 的高温危险区内停留一定时间后晶格间多余的碳以碳化铬的形式沿奥氏体晶界析出， 而晶粒内部的铬叉来不及析出补充，造成晶界贫铬，致使贫铬层遭受腐蚀，引起金属机械性能显著下降和降低金属的抗腐蚀能力，因此不锈钢校正也不同于碳钢车型骨架校正。在不锈钢校正过程我们采用用冷水急浇的作用， 除有矫正变形作用外更重要的是防止不锈钢在450 85O 危险温度区停留的时间过长。先用气焊进行加热，气焊火焰用中性焰加热到不锈钢成木红颜色(温度约在800)后，迅速移走气焊炬，进行锤击校正为，配合误差较大时采用丝杆和F夹辅以刚性校正，通过对工件的加热不均匀，达到消除应力的作用。用此方法加热操作时需注意以下三点：(1)要注意避免发生金属过烧现象 (2)操作的动作要连贯， 速度越快越好， 即加热一锤打一浇水冷却。(3)需耐心反复操作，反复检查。4.6 不锈钢内蒙皮焊接底架内蒙皮是客车车身骨架内部的覆盖件，起车体内部之间及车体内部与外界之间隔离、密封作用。蒙皮的焊接顺序总体上说遵循先内后外、先上后下,工件焊接过程中不相互干涉的原则.根据生产图纸尺寸及位置要求，先后将内蒙皮放置于底架相应的部位使用F夹进行固定，调整位置，使工件与骨架相对保持平整贴合后用单面点焊机进行点焊. 涂焊缝密封胶，进行内蒙皮缝隙的密封，保证车身密封性，同时还对蒙皮缝隙处有一定的防腐作用。不锈钢内蒙皮采用SUS304材质，不锈钢材料的热物理性能又决定了不锈钢车体的制造工艺主要采用电阻点焊方法。每次不锈钢钢结构生产前,必须做众多点焊接头试件,通过对接头试件力学性能的测试和焊点端面的破坏性试验,来选定点焊的参数范围。通过单面点焊方式固定在车身骨架上。4.7不锈钢外蒙皮焊接不锈钢具有良好的辊压及冲压成型性，在外覆盖件使用的均为冲压成型件及辊压件。的生产采用单面点焊工艺,这是一种较理想的焊接方式,可以很好地保证外表面的平面度。4.7.1车顶蒙皮车顶蒙皮采用冲压成型，顶两侧R蒙皮采用辊压成型。顶蒙皮制作包括前顶蒙皮的涨拉、点焊，焊接后对各蒙皮接头进行打胶密封等内容；涨拉涨紧程度、牢固的焊接，以及可靠的密封性，是合格车顶最基本的要求。车顶蒙皮的振动异响、蒙皮开焊、漏水等重大缺陷是不允许出现的，因此，在车顶制作过程中必须严格按照要求进行操作，确保车顶质量符合要求。4.7.2前、后围蒙皮前、后围蒙皮除具有防护和承受部分载荷作用外，还具有装饰作用，因此前后围蒙皮焊接要求达到蒙皮挺括，焊接牢固，制作精细，外形美观。4.7.3 侧围不锈钢蒙皮粘接由于无涂装不锈钢车体表面质量要求较高, 侧围的设计和制造应主要考虑如何保证侧围的平面度和侧墙表面质量。对热变形控制严格,传统碳钢车体采用火焰调平外板的方法受限,因此除了在在设计上使车体的结构适合于装配,在工艺上严格控制焊接热量输入以减少焊接变形基础上。所以侧围蒙皮创新使用了SIKA胶粘接技术，以减少单面焊造成侧围波浪。1）车身骨架、侧蒙皮预处理蒙皮工位操作前粘胶部位需使用沙纸打磨不锈钢骨架及蒙皮表面，吹净或揩净打磨灰尘.2）车身、蒙皮粘接部分清洁表面清洁：使用干净、不掉毛的无纺布或纸巾，蘸上少量配套清洗剂沿一个方向清洁并活化底材上需要粘接的部分，清洁后即刻用干净、不掉毛的布或纸擦干，蒙皮表面清洁，首先用干净的棉布揩净表面油污，再清洁，蒙皮、骨架粘接面均需要清洁。3）车身、蒙皮粘接部分涂底涂底涂：表面清洁10分钟后，用干净、不掉毛的刷子轻蘸底涂沿一个方向连续、均匀地在被粘接面上涂薄薄一层底涂。没有涂到底涂的地方，等底涂干固后，用刷子补均，蒙皮、骨架均需涂底涂.4） 车身粘接部位打密封胶 用合适的胶枪在车身不锈钢纵梁骨架上打连续的胶条，斜撑、立柱采用密封胶进行填充。5 ）张拉、装配和固定蒙皮抬上蒙皮，调整对齐蒙皮高度、底边，上部使用F夹夹紧，F夹下需垫铁垫板，防止粘胶带局部压薄，使用液压张拉器张拉蒙皮，拉紧后采用平直机械夹具上下压在蒙皮上，固定30分钟。前后端采用单面点焊牢固.（见图2张拉粘接蒙皮）5.全承载不锈钢车身涂装工艺技术5.1涂装工艺试验及方案：5.1.1车身蒙皮油漆试验：针对车身采用不锈钢矩形管、不锈钢板材料防腐蚀性能好，对于涂装质量，重点是涂膜的附着力性能。涂装进行工艺试验，确定涂装工艺方法。试验目的：分别对不锈钢矩形管、不锈钢板试件，采用国产涂料、进口涂料，喷涂底漆、中涂、刮涂合金灰试验，测试涂膜附着力性能。(见表1)表1：试验内容、方法及结果评价试验涂料被涂材料工艺要求性能指标测试结果评价备注环氧磷锌底漆不锈钢矩形管除锈脱脂擦净，喷涂底漆4 ：1（底漆：固化剂）粘度：17-19秒均匀喷涂2遍；烘干65-70x60min划格试验划格间距(1mm)附着力0-1级漆膜厚度：30-40微米符合国产涂料环氧锌磷底漆不锈钢板除锈打磨脱脂擦净，喷涂底漆要求同上符合P6环氧底漆不锈钢矩形管除锈脱脂擦净喷涂底漆3.5：1（底漆：固化剂）粘度：17-19秒均匀喷涂2遍；烘干65-70x60min划格试验划格间距(1mm)附着力0级底漆膜厚度：30-40微米漆膜总厚度：80微米符合进口涂料进口涂料4090环氧底漆不锈钢板除锈脱脂擦净喷涂底漆2：1（底漆：固化剂）粘度：17-19秒均匀喷涂2遍；烘干60-65x60min划格试验划格间距(1mm)附着力0级底漆膜厚度：30-40微米漆膜总厚度：80微米符合2035原子灰4090环氧底漆HS5530中涂不锈钢板刮原子灰、底漆同上。湿碰湿喷中涂漆配比：4：1（中涂漆：固化剂）粘度：18-20秒漆膜均匀喷涂2-3遍符合5.1.2涂装工艺特点主要体现：1.经试验分析，进口和国产底漆涂膜附着力满足客车涂膜性能要求。