铝合金车体设计的工艺性问题分析

铝合金车体设计的典型工艺性问题浅析

一、车辆典型结构特点分析

1、车体结构

铝合金车体几种典型结构有：板梁结构、型材结构、钢-铝混搭结构。各种结构具有各自优缺点，制造模式也有区别，结构的先进性和合理性对简化制造的难度、提高生产效率产品、保证质量有重大影响。

1）板梁结构

采用板材和型材结合，大量采用段焊、点焊、塞焊连接的办法。板梁结构最大的优点是保持车体质量最低，缺点是制造工艺繁琐、自动化程度低、外观平整度较差。

车型举例：重庆单轨车、上海中低速磁悬浮实验车、北京机场线、科技部100%低地板车（车顶），又如其深圳、沙特、广佛、上海6/8号线等城铁车辆的端墙结构，均采用板梁结构。

图1-1重庆车体结构和断面图

图1-2重庆端墙图1-3典型板梁结构端墙

2)型材结构

双层闭式型材是目前高速车和A 型、B 型城铁铝合金车辆普遍采用的铝合金车体结构。 优点：由于大量使用插口型材，便于自动焊作业；通过T 型槽和灵活的断面设计，使结构简

化，制造效率提高；能获得理想的外观平整度。

车型举例：

所有C R H 高速车整体结构、大多数A 型和B 型铝合金城铁车辆的底架、侧墙、车顶结构。

图1-4深圳A 型地铁车体结构

3)钢-铝混合结构

部分城铁车辆中，底架铝结构整体或者牵枕缓部分采用钢结构，其余全部采用铝结构。 钢铝之间通常使用铆钉铆接。优点：有利于增加车体强度，减小底架焊接作业量，焊接变形减少。缺点：增加了铆接工序，需要占用较多的生产场地，还必须采用涂漆、胶等钢铝隔离措施避免电化学腐蚀问题，生产效率有所降低。

采用钢结构的实例：北京机场线（底架组成）、上海6/8号线车辆（牵枕缓）。

图1-5 上海6/8号线牵枕和底架间的钢铆结构

2、车体挠度问题

车体挠度是车体制造重点保证的尺寸。组成前首先要在工装支撑上预制挠度，车体组成定位底架时要使用下拉装置保证底架和支撑紧密贴严，安装侧墙、车顶时也要保证在和底架

有同样的挠度情况下才能进行组焊，保证车体出胎后自由状态下挠度在要求的范围内。参见图1-6和1-7示意图。

图1-6车体组成工装

图1-7上海九号线车体挠度示意图

较大的预制挠度通常会影响车体组成的其它尺寸，对于A、B型城铁车尤为明显。由于底架从中间到两端形成拱形曲线，整体式侧墙两端与车顶、底架的连接处就产生间隙，需要使用下拉装置从车顶处拉严，这样两端的下拉造成的变形应力集中到车体中部，焊接时很容易造成车体中部的高度变小。上海、深圳等城铁项目车体中心处高度容易低排除部件尺寸小的

因素，主要是该原因造成的。

A、B型城铁车很多采用分块侧墙的结构，门口较多，分块侧墙的间距即是门口尺寸，分块侧墙在自由状态下放入底架边梁后门口上方宽度会大于下方，门口对角线差较大。如果使用宽度固定装置强制使门口上下宽度相等，则侧墙上下焊接插接口容易出现间隙，这时若要要保证各侧墙上下插接口能正常焊接，就需要通过不断调整各侧墙之间的排列，反复调整门口形状以达到折中的最佳效果，即使这样也很难保证所有的门口上下宽度一致，并且宽度和对角线差在公差范围内。最终分析，这是由于分块侧墙上下宽度相等，而在车体预制挠度较大的情况下侧墙整体没有挠度造成的。可能的解决办法是考虑将尺寸容易超差的门口附近的分块侧墙设计成梯形而非正常的矩形，即分块侧墙上方宽度稍大于下方的宽度，有利于保证门口尺寸。（此建议仅为理论分析，仅供设计师参考，期待后续项目能够实际验证）由于高速车仅两端有门口，整体侧墙制出了挠度，不会出现门口不合格的问题。

纵上分析：制作挠度的过程中引发的车体其它尺寸变化问题需要设计和工艺部门共同考虑，力求避免。通常较小的挠度带来的问题也少，在必需要求较大设计挠度的情况下，考虑到预制挠度的大小，要对车体部件形状和尺寸公差进行适当调整或放宽，达到产品质量和制造效率的最佳匹配。下表列出了典型项目的车体挠度情况：

二、车体断面和型材的设计

由于国内型材厂家制造水平逐渐提高，因此车体设计师在型材设计上有了更大的空间，越来越多的新型材断面被开发出来。型材设计在满足相关设计规范的前提下，将设计技术、工艺技术、质量控制技术等更多细节考虑在内，才能做到合理先进，经济性好。在实际生产中总结的经验可以作为设计水平提高的有益补充。

以下是几个典型的方面：

1、车体断面局部设计不合理导致制造难度加大，质量不易保证。

某城铁车的第一版车体断面图（如图2-1），车顶边梁和A C U平台侧梁的连接处外侧为搭

接，内侧没有搭接；A C U平台的中间平板和两边侧梁均采用插口焊接，实际制造时只能作为一个部件提前组焊，然后再与车顶边梁等进行整体合成。

图2-1某城铁车第一版断面设计

图2-2车顶局部断面

实际制造时需要投入专门工装控制A C U部件整体宽度和侧梁与平板之间的角度。整体宽度由于焊接收缩估计在理论尺寸的（-2，-4）之间，并且由于车顶制造时车顶边梁间距通常在焊前通常要加宽2~4m m，这样将A C U部件装入车顶边梁之间，外侧搭接不会产生问题，但是和边梁内侧通常会出现3m m左右间隙，这类焊缝的焊接质量很难保证（如图2-2）。实际制造时为避免上述情况，部件制造时要使宽度符合车顶边梁间距，装入车顶边梁之间时需要使用顶针通过外力将侧梁向两侧顶出才能和车顶边梁贴严，但焊后去掉顶针结构内部仍有应力，额外的应力会导致车顶两侧轮廓和车顶A C U处高度等发生变化，这样就使安装和调修的工作量增加。

图2-3优化后的断面

设计师采纳了工艺审核意见，第二版断面将车顶边梁型材进行优化（如图2-3），取消了A C U平台的侧梁，将A C U平板两面均采用搭接直接和车顶边梁相连接，A C U平台制造简单，A C U平台宽度要求不再苛刻，宽度允许在较大的公差范围，并且车顶断面尺寸也容易保证，实际生产效果良好。

2、过窄的车体型材断面增加了型材焊接工作量

随着型材制造技术的进步，宽度超过500m m的型材早已实现国产化。型材断面尺寸过

小使焊缝数量、调修量增加，产品平度下降，造成制造成本提高。如果产品数量少，新开模具代价大则采用原有小断面是可以理解的，但如果批量大，则应尽量避免该问题。

典型的例子：图2-4和2-5是原深圳A型地铁车底架组成、车顶组成的断面设计，地板组成、底架边梁、顶板组成、车顶边梁部位均存在型材数量过多的问题。

图2-4

图2-5

3、型材宽度公差设计

焊缝会产生横向收缩，因此型材宽度公差设计必须考虑放宽量，每块型材的公差设计应该结合部件整体公差进行考虑。

例如：上海九号线侧墙整体公差为（-3，+1），但是组成侧墙的每块墙板型材宽度公差为（-1.5，+1.5），生产初期型材宽度公差在-0.5m m左右，五块墙板之间4条焊缝收缩达到3~4m m，这样侧墙的整体高度公差大多在（-5，-6）之间，普遍超负差。型材模具使用一段