新能源客車頂蓋輕量化設計及工藝研究

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、環保、輕量化是未來客車的發展趨勢，目前，我國多數客車企業都在加大對新能源、輕量化技術的研發投入。經過這么多年的使用和經驗累積，對于傳統主機廠，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，對車輛整備質量、電池電量、續駛里程要求的提高，車身輕量化成為必然趨勢。汽車輕量化、智能化、電動化和網聯化是我國汽車產業的四大發展方向，為達到節能減排的目的，汽車輕量化是主要途徑之一。據統計，車輛整備質量減重10%，燃油經濟性能提升6%～8%，全生命周期內減少4%～10%的CO2排放。

目前，市面上的高強鋼或超高強鋼已經無法滿足客車輕量化要求，采用輕質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域應用上有產業化的趨勢，鋁合金以其優越的強度、輕量化特性、靈活的設計、高防腐蝕性及高回收利用率等特點，被眾多客車企業和公交公司認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、螺紋聯接及粘接工藝，在保證整車結構強度、防腐能力的同時，能夠大幅降低車輛整備質量，提高能源利用效率，提升續駛里程。本文主要從新能源客車頂蓋入手，設計一種新型輕量化結構，并進行工藝分析。

設計方案

1.原材料介紹

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

鋁合金車身汽車也因其節能低耗、安全舒適及相對載重能力強等優點而備受青睞。鋁合金是主要輕量化材料，主要看中質量輕、耐腐蝕這兩大性能特點，同時需要兼顧材料的拉伸強度、剪切強度、疲勞強度等力學性能和型材加工、折彎等工藝加工性能。目前主要采用的6061鋁-鎂-硅系可熱處理強化變形鋁合金，屬于面心立方結構，晶體滑移系數12，具備良好的塑性成形能力，可熱處理強化，經過固熔熱處理及時效處理后，具有較高的強度及塑性。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，熱處理狀態為T6（固熔熱處理后進行人工時效的狀態），良好的耐腐蝕性能，鹽霧試驗時間＞1000h，結合均衡良好的力學性能，擁有更廣泛的應用前景。

2.結構設計

現有客車頂蓋的整體質量較高，常見結構組成如圖1所示（半個剖視圖，另一邊對稱）。關于車頂蒙皮和流水槽有以下劣勢：車頂蒙皮受鋼材生產廠家寬度尺寸規格限制，需采用三塊蒙皮，車頂兩側蒙皮需要按車頂兩側弧度提前輥壓成型，然后再與頂中蒙皮搭接裝配。一方面需要投入輥壓設備，另一方面三塊蒙皮裝配工作量大、生產效率低。同時，流水槽需要后續單獨裝配，采用自攻螺釘聯接，鉆穿蒙皮及邊縱梁，耗時費力且存在很大的漏水隱患。

圖1 客車頂蓋的常見結構組成

本文設計一種新結構邊縱梁及整體蒙皮的鋁合金頂蓋結構，新結構邊縱梁（見圖2）主要由流水槽、骨架（含內部加強筋和彎?。⒚善ご罱优_階等結構組成。

圖2 新結構邊縱梁示意

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

圖3 新結構鋁合金頂蓋示意

兩塊頂蓋邊縱梁對稱連接在頂骨架沿長度方向的兩端，當頂骨架和頂蓋邊縱梁連接在一起時，設置在車頂蒙皮延伸方向的彎弧自身起到蒙皮的作用，避免了現有技術中需要對兩側的蒙皮單獨進行輥壓的缺陷。同時，流水槽一體成型在頂蓋邊縱梁上，避免了后期單獨加工，也可以避免現有技術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，三塊頂蒙皮優化為整體蒙皮結構，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構，可以大幅提高生產裝配效率。

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，當頂骨架和頂蓋邊縱梁連接在一起時，設置在頂蒙皮延伸方向的彎弧自身起到蒙皮的作用，避免了現有技術中需要對兩側的蒙皮單獨進行輥壓的缺陷；同時流水槽一體成型在頂蓋邊縱梁上，避免了后期單獨加工，也可以避免現有技術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，三塊頂蒙皮優化為整體蒙皮結構，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構，可以大幅提高生產裝配效率。

1.焊接工藝

采用焊接方式的結構簡單，由于鋁合金焊接對員工技術水平要求高、焊接過程中熱變形難以控制且焊接后熱影響區強度下降（約為母材70%），焊接工藝在鋁車身骨架生產中使用很少，各主流鋁車身生產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，輕量化效果優越，如基于CAE分析技術開發的焊接式全鋁合金客車車身，在剛度方面達到與鋼結構車身相當的水平，并提升了白車身模態，實現白車身減重輕量化效果比較明顯。結合上汽大眾鋁合金焊接與連接技術的應用情況。系統介紹了鋁合金焊接技術等。

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內鋁車身生產的主流方式之一，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、實心鉚這四種連接方式的工藝特點、適用場景和結構設計要求等[5]。

本文主要介紹骨架鉚接使用的環槽鉚釘和拉絲鉚釘。

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

圖4 環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的工作段環槽上，然后用專用工具——氣動環槽鉚釘槍的槍口套在鉚釘的夾持段環槽上，并將槍口抵住釘套端面，再扣動槍上扳機，鉚釘槍即將鉚釘的夾緊段環槽釘桿拉緊，直到斷裂為止。此時，釘套內壁擠入鉚釘的工作段環槽中，形成新鉚釘頭，從而把被連接件鉚接緊固。環槽鉚釘與傳統螺母螺栓利用扭力旋轉產生的緊固力不同，環槽鉚釘利用胡克定律原理，經由專用鉚槍在單向拉力的作用下，拉伸栓桿并推擠套環，將內部光滑的套環擠壓到螺桿凹槽使套環和螺栓形成100%的結合，產生永久性緊固力。

（2）拉絲鉚釘連接原理 拉絲鉚釘又稱“口杯型抽芯鉚釘”，屬于結構型抽芯鉚釘。拉鉚后釘芯斷釘處會翻邊入鉚體凹槽內，鎖緊釘心，形成高抗拉抗剪強度，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別，一方面其連接強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。螺栓聯接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接，具有結構簡單、連接可靠、拆卸方便等優點。螺栓聯接車身骨架是目前行業內鋁車身生產的主流方式之一，車身骨架螺栓聯接通常采用的是8.8級以上的高強度螺栓，表面達克羅覆膜，擁有優越的耐腐蝕能力。

螺栓聯接結構受力時主要受到剪切應力和拉伸應力的作用，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緊力。 螺栓聯接抗拉主要靠螺栓緊固后的預緊力，因此螺栓的緊固是關鍵，緊固不足，由于振動或者循環載荷，很容易造成螺栓松脫。

應用最廣泛的螺栓緊固方法是扭矩緊固法，即通過旋轉緊固件螺母部分來對緊固件施加預緊力。施加的扭矩會轉化為三種力：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接部件表面摩擦的作用力。

為保證螺栓聯接結構的抗拉強度，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，然后通過實物來驗證CAE分析效果的有效性。下面結合頂蓋及其連接件材料、聯接螺栓的實際使用情況，進行仿真分析。

實驗材料選擇為厚度為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，分析連接強度情況。45N·m緊固扭矩的CAE分析情況如圖6所示。

圖6 應力強度CAE情況

可以看出，螺栓的聯接應力強度958MPa、連接件的連接應力強度258.6MPa，都剛剛超過了本身屈服強度，再結合其他緊固扭矩值的分析及其實物驗證，可以確定本批實驗條件下的最佳緊固力矩范圍為30～40N·m。

螺栓聯接結構主要控制點就是螺栓的防松，保證每個螺栓擰緊，是車身骨架的連接強度重要保障。

綜合分析主要可以從以下幾個方面進行控制保障：

1）結構方面，采用了兩個或多個螺母相連的結構，提高關聯度，減少螺母的松動。

2）扭矩緊固順序方面，為了避免應力分散，施加扭矩需要按特定的步驟進行扭矩緊固，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%，擰緊后螺栓末端應露出螺母外1-3個螺距；最后需要進行劃標，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生松動或脫離，傳統的機械鎖固方法都不夠理想，而化學鎖固方法廉價有效。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到緊固密封的作用。

4. 頂蒙皮連接工藝及其對比

通過設計的新結構邊縱梁及整體蒙皮的鋁合金頂蓋結構，頂蓋蒙皮由三塊優化為一個整體，取消中間蒙皮與兩側蒙皮的2個搭接縫隙，可節約蒙皮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。

通過以上相關分析可以看出，鋁合金骨架的幾種連接工藝優劣勢對比見表1。

表1 鋁合金骨架連接工藝優劣勢對比情況

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

結語

本文主要從新能源客車頂蓋入手，設計新型輕量化結構，并進行工藝分析，實現輕量化及提高生產效率的目標，對全鋁客車的頂蓋設計及改善整車性能有重要的參考意義。主要得出以下結論：

1）提供了一種鋁合金頂蓋邊縱梁結構，主要由流水槽、骨架、蒙皮搭接臺階等結構組成，實現一體成形設計和加工，實現輕量化，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構，主要由新結構邊縱梁、骨架和頂蒙皮組成，三塊蒙皮優化為一塊整體蒙皮結構，提高密封性能，實現輕量化，并降低材料成本，大幅提高生產裝配效率。

3）分析討論了鋁合金頂蓋的幾種工藝，可為行業的工藝選擇提供一些參考。