行李傳送車車身設計及工藝

吳 娜，魏云平

(唐山學院 a.交通與車輛工程系；b.機電工程學院，河北 唐山 063000)

0 引言

行李傳送車是在機場環境中應用的特種車輛，主要用于行李貨物的裝卸，是機場必不可少的特種車輛之一[1]。目前，國內的行李車車身加工工藝采用基礎的鋼板焊接氬弧焊工藝，需要將數十塊鋼板依次拼焊在一起，不僅工序多、生產效率低，而且存在焊縫易開裂、車身結構具有較大誤差、生產成本高等問題。此外，純焊接工藝產品的質量受工人水平限制，質量差距較大[2-3]。

針對上述問題，本文對行李傳送車車身結構及其加工工藝展開研究，采用鈑金折彎工藝對車身結構進行預處理，以減少車身部件數量及焊接工序；同時發現，通過鈑金折彎技術生產的結構部件較之于純焊接工藝產品具有壽命更長、安裝簡便、污染小等優點。

1 車身結構方案設計

以某企業現有自行式行李傳送車為例，其結構如圖1所示，車身各處折彎部分均為焊接結構。

圖1 現有行李傳送車車身結構圖

從圖1可知，行李傳送車車身大致分為以下幾個部分(以車頭方向為正視)：

a車頭，主要用于承載駕駛室，同時連接左右車身；

b左側車身，主要用于覆蓋左側懸架并隔離傳送裝置；

c右側車身，主要用于承載動力電池、部分行李及為工人作業提供平臺；

d左側車身支撐，主要為左側車身提供支撐，防止形變；

e右側車身支撐，主要為電池、行李、工人提供支撐平臺；

f電池箱蓋板，為電池的覆蓋件，用于保證電池安全。

g臺階，為方便工人進行上下作業。

其中a，b，c為主要結構部件，這三個部件的結構確定要根據生產加工中所用到的鈑金折彎工藝。d，e，f，g為次要補充部件，其作用是為三個主要部件提供支撐及補充，以使車身具有完整的結構及一定的實用性和美觀度。鈑金折彎預處理設計方案除滿足了行李傳送車車身的主要結構需求外，還將部件數量降至10個以下，同時減少了焊接工序及焊縫長度。各區域折彎后的部件如圖2所示。

a車頭 b左側車身

c右側車身 d左側車身支撐

e右側車身支撐 f電池箱蓋板 g臺階圖2 各區域折彎后部件圖

2 車身結構尺寸的確定

根據《中華人民共和國民用航空行業標準：行李傳送車》[4]的規定，對車身主要結構參數進行確定：

(1)具有駕駛室(臺)的散裝貨物裝載機寬度應小于2 200 mm；

(2)最小離地間隙應不小于127 mm；

(3)傳送架一次傳送面積應當為600×800(mm2)。

故本設計行李傳送車車身結構參數如表1所示。

左側車身部分僅作為輪胎及懸架部分覆蓋件，最小離地間隙受輪胎尺寸及懸架系統影響，故二者尺寸的確定依據現有行李傳送車輪胎尺寸及懸架尺寸而確定。

表1 車身結構參數 mm

車身中間空余空間和最大車身長度的確定考慮了傳送帶的尺寸并預留了部分空余空間，以便更好地適配傳送架的安裝。

車頭部位長度和右側車身寬度依據駕駛室的安裝及蓄電池箱的尺寸而確定。

車身寬度依據上述尺寸而確定。

全車在非折彎部件部分均進行倒圓角處理，以防止車輛對工作人員、飛機機身等造成損傷。

3 車身材料的確定

3.1 車身鈑金材料選擇

采用沖壓性能良好的材料才能保證生產出高質量的鈑金件；選用綜合性能優良且性價比高的材料對生產工藝的優化具有重要作用[5]。

對常用鈑金材料進行對比發現，冷軋普通薄鋼板Q235鋼在普通碳素結構鋼中的強度、塑性、韌性和焊接性等綜合性能最好，適用于鈑金折彎的工藝設計，同時在產品成本控制等方面也具有較突出的優勢，故本設計車身材料選用Q235冷軋普通薄鋼板，其材料特性如表2所示。

表2 Q235鋼的材料特性

3.2 鈑金厚度選擇

鈑金厚度主要依據以下要求進行選擇：

(1)選用在折彎工藝中對折彎尺寸影響較小的厚度；

(2)選用在焊接工藝中可使用CO2氣體保護焊的厚度；

(3)選用在車身上放置載荷時車身不產生明顯形變的厚度。

根據折彎要求及焊接要求，選用鈑金厚度為4 mm的中板板料。

4 鈑金折彎工藝設計

鈑金彎曲的方法分為壓彎、滾彎、拉彎成形等，本設計采用應用最為廣泛的壓彎工藝。鈑金壓彎變形方法分為模具壓彎和折彎機壓彎兩種，其具體的應用場景如表3所示。

表3 不同壓彎方法的應用場景

由于行李傳送車車身部件屬于尺寸較大但加工量較小的鈑金彎曲件，故本設計采用折彎機普通折彎的方式。

上模為折彎刀，下模采用V=6t(t為料厚，V為下模口開度)。折彎刀一般會根據工廠生產的產品系列進行定制。因為本設計的折彎件形狀均較簡單，且為達到方便生產、節約成本、降低模具加工周期等目的，本設計毛坯折彎角度僅涉及90°和105°兩種類型。

4.1 鈑金彎曲件毛坯展開尺寸計算

當r>0.5t(r為彎曲半徑)時，由于彎曲部分變薄不嚴重且斷面畸變較小，故可按中性層長度等于毛坯展開尺寸的原則求得毛坯長度，計算步驟如下。

4.1.1 確定彎曲件的彎曲半徑r

根據鈑金實際加工經驗知，一般板厚不大于6 mm時，在折彎時，鈑金彎曲內半徑可以直接用板厚尺寸作為半徑。本設計所選板材厚度為4 mm，故確定鈑金折彎半徑為4 mm。

4.1.2 確定中性層曲率半徑ρ

中性層是一層拋物線曲面，由于沿彎曲件厚度方向變形不均勻而產生。圖3為中性層位置示意圖。

圖3 中性層位置示意圖

在實際生產過程中，廣泛采用經驗公式來確定中性層曲率半徑ρ的位置：

ρ=r+Kt。

(1)

式中，K為中性層系數，系數的經驗值選取如表4所示。

表4 中性層系數的經驗值(節選)

表4中K1適用于有頂板或壓板的V型或U型彎曲，K2適用于無頂板的V型彎曲，本設計選用K1，因為本設計r/t=1，故取K1=0.31。

根據式(1)確定中性層曲率半徑ρ=5.24 mm。

4.1.3 確定折彎系數

折彎系數為在折彎變形區沿材料的中性層所測量的圓弧部分的長度，折彎系數值可通過式(2)求得。

(2)

式中，α為折彎角度，(°)。

4.1.4 確定展開尺寸

鈑金折彎件的展開尺寸是最為重要的一個數值，因其關系著折彎件能否成功折出以及折彎后的部件尺寸是否滿足設計要求。鈑金折彎件毛坯展開尺寸L的計算公式為：

L=a+b+x。

(3)

式中，a，b為部件各段尺寸，mm。

表5是按照上述計算步驟對六個折彎部件(如圖4所示)毛坯展開尺寸的計算結果。

表5 毛坯展開尺寸一覽表

(a)車頭部位部件a

(b)左側車身部件b

(c)右側車身部件c

(d)右側車身底板部件e

(e)電池箱蓋板部件f

(f)臺階部件g圖4 折彎部件示意圖

4.2 彎曲力計算

自由彎曲時，V型零件彎曲力計算公式為：

(4)

U型零件彎曲力計算公式為：

(5)

式中，F自為自由彎曲在沖壓行程結束時的彎曲力，N；B為彎曲件的寬度，mm；t為彎曲件材料厚度，mm；r為彎曲件彎曲半徑，mm；σb為材料的抗拉強度，MPa；nb為抗拉強度安全系數，一般取1.3。

根據式(4)和式(5)計算得各部件所需彎曲力如下。

(1)部件a：部位①為V型彎曲，部位②③為U型彎曲，部位①的彎曲件寬度為2 177 mm，部位②③的彎曲件寬度為2 019 mm，經計算得部位①的彎曲力為1 528.3 kN，部位②③的彎曲力為1 653.6 kN。

(2)部件b：部位①②為V型彎曲，部位③為U型彎曲，部位①的彎曲件寬度為4 069 mm，部位②③的彎曲件寬度為4 006 mm，經計算得部位①的彎曲力為2 856.4 kN，部位②的彎曲力為2 812.2 kN，部位③的彎曲力為2 983.2 kN。

(3)部件c：部位①②均為U型彎曲，彎曲件寬度均為4 016 mm，經計算得彎曲力均為2 991.6 kN。

(4)部件e：部位①②均為U型彎曲，彎曲件寬度均為615 mm，經計算得彎曲力均為503.7 kN。

(5)部件f：部位①為U型彎曲，彎曲件寬度為634 mm，經計算得彎曲力為519.2 kN。

(6)部件g：部位①②③均為U型彎曲，彎曲件寬度均為630 mm，經計算得彎曲力均為516 kN。

4.3 材料抗彎強度校核

根據前文選定車身的材料為Q235，其含碳量小于0.25%，屬于低碳鋼，一般低碳鋼為塑性材料，屈服強度安全系數ns取1.25～2.5，為安全考慮本文取安全系數ns=2.5。據此確定該材料的許用應力[σ]為：

(6)

式中，σu為極限應力，基于塑性材料σu取材料的屈服極限，Q235的屈服極限為235 MPa。根據式(6)得Q235材料的許用應力[σ]為94 MPa。

根據前文各部件的各部位所受的彎曲力大小及彎曲部位截面面積，得各部位所受的應力大小。

根據式(7)可計算各彎曲部位應力：

(7)

式中，F為部件所受彎曲力；A為部件彎曲部位截面面積，計算公式如下：

(8)

式中，α為鈑金折彎角度，(°)；d為鋼板折彎部位長度，mm。

根據式(7)和式(8)得各部件各部位所受應力如下。

(1)部件a的折彎部位①所受應力為：

σ=23.9 MPa。

部件a的折彎部位②③所受應力為：

σ=32.6 MPa。

(2)部件b的折彎部位①所受應力為：

σ=23.9 MPa。

部件b的折彎部位②所受應力為：

σ=27.9 MPa。

部件b的折彎部位③所受應力為：

σ=25.4 MPa。

(3)部件c的折彎部位①②所受應力為：

σ=32.60 MPa。

(4)部件e的折彎部位①②所受應力為：

σ=32.60 MPa。

(5)部件f的折彎部位①所受應力為：

σ=32.60 MPa。

(6)部件g的折彎部位①所受應力為：

σ=32.60 MPa。

綜上，各部件的各部位在彎曲時所受應力均小于該材料的許用應力[σ]，故使用Q235鋼作為車身的加工材料滿足強度要求，在鈑金折彎過程中不會因受力過大而產生斷裂進而影響生產。

4.4 壓力機壓力的確定

自由彎曲時，壓力機壓力為F總≥F自+N，其中N為頂件力或壓料力，其值可視情況取自由彎曲力的30%～80%。

本設計以自由彎曲力50%情況下的壓力機壓力確定頂件力，各部分所需壓力機壓力如表6所示。

表6 各部件所需壓力一覽表 kN

因車身結構多為大中型簡單折彎件，同時對于折彎力的需求也相對較大，故本設計選用5 m額定壓力4 000 kN的折彎加工機床。

4.5 鈑金彎曲件的工藝安排

鈑金彎曲的工藝安排即確定加工過程中的折彎順序。一般情況下，彎曲工序安排原則有：

(1)簡單形狀彎曲件盡量一次折彎成型；

(2)多角彎曲件應保證后次彎曲不破壞前次彎曲部分的形狀，前次彎曲應考慮后次彎曲時有適當的定位基準并使彎曲可以順利進行；

(3)彎曲按照折彎半徑由小到大順序進行；

(4)先折彎特殊形狀，再折彎一般形狀；

(5)對于帶孔的彎曲件，一般可以先沖孔后彎曲，以簡化模具結構。

根據上述原則確定各部件折彎方案如下。

部件a：先對部位②③進行一次彎曲成型，再對部位①進行105°折彎。

部件b：先對部位③進行90°折彎，再依次對部位②①進行105°折彎。

部件c：由于部件尺寸較大，故對①②兩部位分別進行90°折彎。

部件e：由于部件尺寸較大，故對①②兩部位分別進行90°折彎。

部件g：對各部位按順序進行90°折彎。

加工a，b兩個部件時，先進行折彎加工再進行特殊形狀的裁剪，以避免裁剪后產生的殘余應力對折彎效果產生影響。

5 結論

(1)根據行李傳送車車身的布置情況，對整車車身結構進行了重新分區，使車身零件由20多個降至10個；所提出的通過鈑金折彎進行車身部件加工的生產工藝，減少了焊接工序，縮短了焊縫長度，為行李傳送車車身設計提供了新思路。

(2)在滿足折彎工藝強度的基礎上，將車身板材厚度由7 mm降至4 mm，使整車重量由55 kg/m2減至31.4 kg/m2，大大減輕了整車質量，降低了生產成本。