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2-53、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。

型材模具使用一段时间以后，型材尺寸恢复到正常理论尺寸附近，但侧墙整体部件尺寸依然超负差。

综合以上分析，如果将各侧墙板宽度设计为（-0.5，+2.5），来料宽度理想状态在公差尺寸+1附近，则不会出现侧墙整体高度低的问题。

根据经验：部件整体宽度在理论尺寸（-3，+3）范围内，对于由5至6块闭式型材组成的车顶或底架断面，每块型材的宽度公差定为（0，+2）或（0，+3）比较合理。

4、在型材设计中，预留组对、加工基准线，方便后道工序加工。

在型材设计中，预先将定位基准直接设计到型材上，如在地板地板中间型材上设计地板中心线、在侧墙型材上设计座椅安装线，节省了划线时间，同时统一了制造过程的基准线，效率高，容易保证。

这种方法在国外车体设计结构中有使用，易于保证车体制造质量。

实例1：西门子在C R H3车体侧墙靠近地板处的型材设计有一道凹槽，作为加工座椅孔的基准线，容易保证精度。

（见图2-6）图2-6实例2：庞巴迪公司在上海九号线侧墙的一种型材设计中增加了一条R1的半圆形凸棱线，生产证明该处设计不仅能够避免相似的侧墙板使用混淆和正反面装错，还能够为尺寸测量提供参照。

图2-7型材3E G H489002-4722实例3：上海九号线底架两端的端梁设计有中心孔，按照两端中心孔能为多次寻找中心线提供统一的基准，这样能减小基准不统一带来的尺寸误差。

在此基础上进一步发展如能在地板中间那块型材的正反面制出基准线，则地板合成、底架组成、小件焊接定位都有了统一不变的横向基准参照，进一步减小了人为误差，提高相关尺寸检测精度和地底架制造效率。

5、型材滑槽、肋、筋的设计对制造的影响，设计应充分考虑。

1）滑槽位置和结构、挤压工艺均有关系，划槽数量过多会造成型材挤压的难度，过少则不能满足结构要求，应合理地选择滑槽数量。

利用率不高且不是关键承力的地方，可以不在车体通长型材上设计滑槽，而改为在需要的地方焊接小段滑槽，这样可以减小滑槽的机械加工量，提高材料的使用效率。

2）滑槽的应位于型材中间筋、肋和外壁的交汇处，若在型材腔的中部则滑槽受力时会导致型材表面变形。

3）型材四边壁厚要比中间的肋厚0.5～1m m，否则焊接变形严重。

例如图2-8所示上海九号线车顶边梁，型材壁和中间肋厚度仅相差0.2m m，实际焊接后型腔变形严重。

图2-8型材3E G H489002-47284）型材的矩形型腔设计要尽量对称，型材对接焊缝两侧的竖筋和型腔大小必须对称，否则焊接变形严重。

例如上海九号线其中两块墙板焊接后，其中焊缝一侧墙板的型腔壁变形严重，凸凹不平最大可超过2m m，调修困难。

（见图2-9）图2-9上海九号线侧墙断面简要分析此处变形产生的原因：主要是由于结构不对称导致焊缝两侧焊接应力不均衡，下侧型腔薄壁失稳造成的。

这类问题对于壁薄、存在矩形型腔的铝型材容易出现，应通过合理设置中间筋的方式来避免。

三、车体部件结构设计按照通常理解，车体部件设计是在整体车辆结构、材料确定的情况下，为满足车辆的功能要求进行的车体局部方案设计，其中焊件结构、焊接接头和零件尺寸是几个重要的方面，设计同时还要考虑各部件的相互连接，使各部分组成统一整体。

1、铝合金车体焊接结构设计必须符合标准化要求。

目前铝合金车辆常用的标准要求有如下一些：1）焊接接头的设计要符合E N15085-3铁路车辆及其部件的焊接-设计要求的规定。

2）图样上的焊缝符号标注应符合I S O2553标准的要求。

3）图样上必须按照I S O15085-3标准标注焊缝质量等级。

焊缝质量等级分为A\B\C1 \C2\C3\D6个级别，根据焊缝重要程度，需要在焊缝上进行标注。

4）焊接图样上必须按照I S O13920标注焊接公差等级。

线性尺寸公差等级分为A\B\C \D4个级别，直线度、平面度和平行度公差等级分为E\F\G\H4个级别。

特殊要求的公差要根据需要单独标注。

车体焊接结构未标注尺寸公差等级，是车体部件制造整体要求，应结合产品结构特点和实际需要设定，过高或过低都是不合理的。