客车车身骨架结构轻量化及及焊装夹具的优化设计

摘 要

　　有数据显示，汽车整备质量降低 10%,汽车的燃油消耗量将随之减少 6%-8%.

　　因此整车研发也将整车重量作为一项关键指标。通常，汽车车身材料以金属材料为主，整个车身不仅贡献了车辆使用的强度需求，而且在整车重量中也占据非常大的比例，白车身的重量可以达到整车重量的 30%以上。因此，采用高强钢材料对于解决车身骨架超重问题具有无与伦比的优势，尤其是在客车行业。进行客车车身骨架结构轻量化设计，并解决制造过程中的实际问题，对于客车产品发展具有重要意义。

　　本论文结合新车型的开发过程，首先从采用高强钢材料 QStE700TM 进行车身骨架设计时与常规车型的差异进行分析，详细阐释了采用该结构在提升整车骨架结构强度或者防腐能力方面的优势，并计算了新的结构设计带来的减重效果。其中，整体前围骨架是一个创新型的结构设计，对生产提出了新的夹具需求；而大顶骨架和侧围骨架则是进行了合理化设计，通过将大顶横梁的弯弧工艺变更为多段型材拼接工艺，消除弯弧部分的强度损失，提升整个大顶骨架的强度；侧围则是通过整合侧窗立柱与舱门立柱的位置实现侧围立柱位置的重合，实现了整体侧围立柱的运用，不仅简化了侧围骨架而且减重效果明显；在整车的合装结构上摒弃了以往的拼焊型材结构，采用单立柱结构，实现了整车的全面防腐并且减重效果明显。基于 CAE 模拟分析结果，对车身骨架的薄弱环节进行设计，并结合高强钢材料的应用，实现整车的减重目标。

　　结合目前客车白车身生产的工艺路线，分析了该结构在生产实际中遇到的瓶颈问题。为了更好的解决这些问题和满足新结构的生产需求，提出了设计制造新式高精度焊装夹具的方案。并详细阐述了前围骨架总成和大顶骨架总成焊装夹具的设计思路、实现方法以及制造过程。通过进行多轮调试匹配，解决了高强钢在新车型上应用的实际问题，实现了骨架精度不低于 85%的目标，并基于三坐标检测结果，对研发成果进行了有效验证。

　　关键词：高强钢，客车车身骨架，减重，焊装夹具，调试匹配

ABSTRACT

　　According to statistics, the car's curb weight is reduced by 10%, and the car's fuel consumption will be reduced by 6%-8%.Therefore, vehicle development also regards vehicle weight as a key indicator.Usually, the car body material is mainly made of metal materials, and the whole body not only contributes to the strength demand of the vehicle, but also occupies a very large proportion in the weight of the whole vehicle, and the weight of the body-in-white can reach more than 30% of the weight of the whole vehicle.Therefore, the use of high-strength steel materials has an unparalleled advantage in solving the overweight problem of the body frame, especially in the passenger car industry.It is of great significance for the development of passenger car products to carry out the lightweight design of the bus body skeleton structure and solve the practical problems in the manufacturing process.

　　This paper combines the development process of the new model, first analyzes the difference between the body frame design and the conventional model by using the high-strength steel material QStE700TM, and explains in detail the advantages of using the structure to improve the structural strength or anti-corrosion ability of the whole vehicle skeleton. Calculate the weight reduction effect of the new structural design.Among them, the overall front wall skeleton is an innovative structural design, which proposes new fixture requirements for production requirements; while the large top frame and the side wall skeleton are rationalized, by changing the bending process of the large top beam to The multi-section profile splicing process eliminates the strength loss of the curved portion and enhances the strength of the entire large-top frame; the side wall is achieved by integrating the position of the side window column and the door column to realize the overlap of the position of the side column, thereby realizing the overall side column. The application not only simplifies the side frame and the weight reduction effect is obvious; the previous tailor welded structure is abandoned on the assembled structure of the whole vehicle, and the single column structure is adopted to realize the comprehensive anti-corrosion of the whole vehicle and the weight reduction effect is obvious.Based on the results of CAE simulation analysis, the weak link of the body frame is repaired and combined with the application of high-strength steel materials to achieve the weight reduction goal of the vehicle.

　　Combined with the current process route of bus body white body production, the bottleneck problems encountered in the actual production of the structure are analyzed.In order to better solve these problems and meet the production requirements of new structures, a solution for designing and manufacturing new high-precision welding fixtures has been proposed.The design idea, implementation method and manufacturing process of the front wall skeleton assembly and the large top frame assembly welding fixture are elaborated.Through multiple rounds of debugging and matching, the practical problems of high-strength steel application on new models were solved, and the target with a skeleton accuracy of not less than 85% was achieved. Based on the results of three-coordinate detection, the research and development results were validated.

　　Keywords:High-strength steel,Bus body skeleton,light weight,Welding jig,Debugging match

　　目 录

　　第 1 章 绪论

　　汽车轻量化的概念并不陌生，并且从 1885 年第一台内燃机汽车诞生以来就开始了汽车轻量化的历程，最早由汽车工业强国发起，经过长时间的发展已经形成了一定的规模。就现状而言，北美洲是世界上最大的汽车轻量化材料市场，其次是欧洲，未来亚太地区等新兴产业区将是轻量化材料发展最迅速的区域[1].

　　汽车轻量化的巨大发展与汽车行业的蓬勃发展息息相关，互相促进。

　　客车作为大众型的交通工具，在中国改革开放之后也取得了迅速发展，而且客车行业发展潜力巨大。尽管随着社会的发展，人们的出行方式趋于多样化，飞机、高铁等现代化的交通工具快速而舒适，但经济实惠的客车仍然是大多数人出行的选择。而且，由于我国区域经济发展的不均衡，在中西部地区和城乡结合的次发达地区，客车还是最主要的交通方式[2].

　　随着客车的发展，客车的种类逐渐齐全，市场的划分也越来越细。比如校车市场、旅游车市场、客运市场、公交车市场等。有针对性推出不同客车产品来满足多种市场的需要，正在成为客车行业持续发展的方向。同时，我国正在大力发展高速公路的基础设施，作为连接区域经济发展的纽带，道路建设会在未来的社会发展中越来越重要。而这些道路的建设投资也带来了国内客车行业的巨大发展。近年来，以汽车制造业为主的交通运输装备制造业对工业增长的贡献逐年上升，越来越受到重视[3,4].

　　1.1 客车行业轻量化发展现状

　　客车技术的发展一直以来都是围绕安全性、可靠性、舒适性进行。不难看出客车作为公共交通运输工具，其安全性是首要的。近几年来，电子化、轻量化成为客车技术发展的主题方向，越来越受到各大车企的重视和推崇。低油耗的经济性表现也成为客车企业产品的推广亮点，引发了客户越来越多的关注。其中客车轻量化方案的研究已经成为世界客车行业新的课题。顾名思义，客车轻量化就是把整车的重量减轻，但是重量的减轻不能以牺牲整车安全性能为代价，否则轻量化也变得毫无意义。客车轻量化，可以采用现代的设计思路和方法通过有效的手段对整车设计结构进行优化和整合，尤其是通过现代化的软件模拟分析，对设计功能过度的部位进行优化；或使用最新的制造材料替代传统的汽车材料，新的材料不仅重量更轻而且强度等性能更优。通过一系列方法使整车重量降低，能耗下降、舒适环保、安全可靠[5].轻量化最直接的效益就是能够有效降低整车的燃油消耗量，实现节能减排。这在环境污染严重，环境保护压力巨大的今天显得尤其重要。据研究数据显示，当整车的整备质量降低 10%,这时整车的燃油消耗量就会随之降低 6%-8%;同时客车轻量化能够极大的改善整车的性能，尤其在加速性、制动性和碰撞安全性方面，车辆在启动时需要克服的阻力将越小其加速性能提升越明显，同样在制动时需要较小的制动力从而实现制动距离更短。车辆的燃油消耗量降低将使客户的运营成本降低，为客户带来直接的经济收益，这一点越来越被客户所看重。

　　随着国家相继出台了汽车行业的节能减排目标和实施计划，用户对整车的油耗指标也提出了更为苛刻的需求，而车企也对整车的制作成本进行了严格控制，这些因素都将促进客车结构轻量化的发展。有资料表明，最近 20 年来，国外的乘用车重量逐年递减趋势明显，每十年整车重量降低 8%-9%,商用车整车重量降低10%-15%,为了适应节能环保的大趋势以便在未来的行业竞争中立于不败之地，汽车轻量化已经成为各大车企的研发重点。而国内乘用车与国外同类车型相比较重量约高 8%-10%,商用车则重 10%左右，因此国内汽车轻量化还有较大的发展潜力。虽然客车的轻量化结构设计已经积累了较多的经验，但是在 CAE 优化结构设计方面还有待提升，同时整车的试验能力也亟待提升，宇通已经建成国家级客车实验室并能进行整套客车试验分析[6].虽然轻量化的新兴材料应用比例在逐年增加，但是受制造成本的制约和缺乏政策引导的影响，其应用的程度并不高，导致新材料研究缓慢，新材料的开发不足制约了新的制造工艺的发展[7].轻量化材料应用比例如图 1.1.

　　客车轻量化不仅仅意味着车身和底盘车架的轻量化，还包括发动机、传动系、驱动系甚至油箱等部件的轻量化运用，是一个系统的工程。轻量化的主要实现手段有结构设计的合理优化，新的加工制造工艺方法的支持和新型轻质材料和复合材料的运用。客车车身结构主要是通过经验的积累进行设计，采用 CAE 分析模拟，对整车骨架结构进行整合和优化，从而呈现整车骨架各个部位的受力表现，以便直观的了解设计强度的薄弱环节和设计强度严重过剩的部位，再结合以往的设计经验和市场使用情况反馈，对受力的薄弱环节进行针对性的加强设计，同时对受力强度严重过剩的部位进行结构调整，使其处于合适的强度承受等级[8].新型轻质材料的运用则是最直接的轻量化实现方案。从车身骨架的使用钢材来看，型钢强度从最初的 Q235、Q345 到后来的 510L,其强度等级越来越高；用作客车白车身覆盖件的材料从最初的 240-270MPa 的 DX51 镀锌板，到后来的 HC300L 高强度镀锌板的使用，都取得了明显的减轻重量的效果；2000 年以前客车燃油箱大多使用不锈钢或者是铁质的材料，近年来由高分子树脂材料加工而成的塑料油箱成为主流，并且在客车上得到广泛运用[9].新材料的运用还需要新的加工工艺的支持，否则无法融入整车的生产工艺中。

　　1.1.1 国内行业发展现状

　　整车系统中材料多达几百种，而每种材料的使用都在随着时间的推移在发生着变化，而这种变化无一例外的都是向着重量更轻强度更高的方向发展，而越来越多的客车制造企业也对各种新的材料表现出浓厚的兴趣和期待，同时对体系的物料供应商也提出了降重需求。随着中国客车行业的不断壮大，中国逐渐成为世界客车的主要供应地之一，凭借着超高的性价比，国产客车不断出口到世界各地，并且在欧洲高端客车市场也占有一席之地。例如，近几年宇通客车的纯电动客车不断的出口到法国、土耳其、英国等国家，尤其是宇通客车在巴西的市场份额占有 90%以上[10].中国产业调研网公布的研究数据，2018-2025 年中国客车行业现状研究分析及市场前景预测报告表明 2017 年以来全球的客车出口贸易总额高达749.1 亿美元，其中中国累计出口总额大 94.69 亿美元。客车市场的不断壮大发展为客车轻量化提供了有利的条件，同时也提出了新的挑战。

　　钢铁作为汽车行业的主流材料，已经使用很长时间了。随着汽车行业的整体发展，对汽车材料的选用更加广泛，非金属材料的运用也越来越多。高强钢的出现，使得钢铁作为车身主要材料的地位更加稳固，同时对材料强度的需求进一步提升。为了满足这种需求，世界各国的钢铁企业都在投入大量的人力、物力、财力进行优异的高强钢材料的开发。从某种意义上讲，抓住了汽车行业钢铁材料的需求就能在钢铁行业中立于不败之地[11].国际钢铁协会将高强钢分为传统高强钢和先进高强钢，对于早几年出现的传统高强钢主要包括碳-锰钢、烘烤硬化钢、高强度低合金钢等；先进高强钢主要包含有双相钢、相变诱发塑性钢、马氏体级钢、复相钢、热成型钢、孪晶诱发塑性钢等等。先进高强钢的强度范围从 500MPa到 1500MPa,强度和塑性的配合明显优于普通高强钢，在加工制作方面不仅拥有较高的强度而且拥有较好的成型性，尤其是加工硬化指数较高，在车辆碰撞测试过程中具有很好的吸能效果[12],因此在减轻车重和提高车辆安全性方面拥有双重的优势。

　　自 2000 年以来，我国汽车行业迅猛发展并飞速崛起，使得汽车保有量成倍增加，同时也带来了环保和安全问题。为了满足不断苛刻的法规要求，各大车企不得不在减少排放和燃油消耗上下足功夫。这使得高强钢的应用更加迫切。高强钢最大的优势就在于提高使用材料的强度，在所需性能指标不变或者略有提升的前提下，使得材料的壁厚能够更薄从而减轻整车重量。目前，国内的宝钢、鞍钢、武钢等主流钢铁企业都在加大高强钢的研究力度，其中宝钢的高强钢生产实力最强并编制了冷轧钢的国家标准[13].

　　1.1.2 国外行业发展现状

　　在国外，为了应对非钢铁材料的应用的挑战，美国新一代汽车合作组织和欧洲均进行了超轻车身的制造研究，多国家多地区的钢铁企业也共同推进超轻钢制车身的应用研究。在大量使用高强钢的同时新技术也在不断运用，譬如液压成型技术和激光拼焊板技术使得汽车车身重量减轻 25%.日本在汽车用高强度钢的生产和应用方面有较大的优势，在 1997 年日本启动了名为"超级钢铁材料"的国家研究计划。重点解决材料强度提升和使用寿命提升的问题。美国通用公司在过去的 15 年里将低碳钢的使用比例由 78%减少到 40%,高强钢的使用比例由 12%提升至 18%.高强钢在全球大范围的应用已经取得了举世瞩目的成绩，在节能减排成为全球趋势的今天，高强钢在环保、安全、减重等方面显示出了巨大的优势，所以在以后的工程制造行业的应用会越来越广泛。

　　1.1.3 高强钢材料应用现状

　　为了满足各种需求，高强钢的使用比例在逐年增加。虽然在使用过程中存在成型困难和回弹的问题，但是相对于其他材料如铝等，高强钢更具有吸引力。由于客车白车身结构简单，所用材料单一，主要是外饰蒙皮覆盖件和骨架型材。因此在加工制造方面也较为简单，成型工艺并不复杂，同时客车的定制化生产模式决定了在车身材料加工方面可以满足多样化的需求。目前 CAE 仿真软件分析在客车的前端设计过程中应用也很普遍，在骨架数模设计完成以后会对整车骨架结构进行强度、刚度校核。在骨架强度存在安全隐患的部位可以进行加强，此时如果常规的材料无法满足结构强度需求时，则会选用高强钢材料。在车身骨架的主梁位置一般会优先使用高强钢[14].另外一些现实因素也促使了高强钢成为首选。

　　为了解决车内空间问题，在满足强度需要的前提下占用空间小，高强钢是比较直接的选择[15].作为客车行业的领导者，宇通客车在高强钢的应用上较为普遍，近几年的使用比例也越来越高，构成车身重要组成部位的底盘车架在高强钢的选用比例高达 85%以上，车身五大片部分的主梁，如舱门立柱、大顶顶横梁等也使用高强钢。在车身外饰方面，材料的选择也越来越多样化，从最初的普通镀锌板到现在的高强钢镀锌板，使用高强钢的蒙皮覆盖件板材厚度一般会减少 0.2mm,在减重方面，仅外饰覆盖件减重达 20%.同时为了追求更好的减重效果，在重量占比最大的侧围蒙皮的材料的选用上更加多样化，除了高强钢蒙皮外还可选用铝板和玻璃钢，在满足不同的减重需求的目标的前提下同样能够很好的满足产品品质的需要[16].在非强度需求的结构件的材料选择上空间更大，因此在白车身减重的趋势下材料应用的多样化也越来越普遍。

　　1.2 客车车身骨架材料的多样化

　　国内客车行业在经历了八九十年代的飞速发展之后，在车身设计方面积累了丰富的经验。随着时代的发展，客车车身结构也发生了巨大的变化，客车市场细分也带来了结构的变化。例如大型公路车、公交车从发动机前置结构逐步演变为以后置发动机为主，巨大的发动机不在占用车内有限的空间，从而提高乘坐的舒适性。同时，车身骨架材料也在发生变化，在很长的一段时间内钢铁材料都占据着绝对的统治地位，但是随着近几年高强度合金铝型材的发展，开始出现了铝车身客车。例如以忠旺集团为代表的高端铝制品企业与一汽集团合作开发的"全铝车身"顺利的通过了道路测试，值得一提的是其底盘也是全铝结构的，这与现阶段其他车企的铝车身相比是个巨大的进步。尤其在目前新能源汽车飞速发展的今天意义重大。

　　客车车身结构的设计与材料的发展应用息息相关，而新材料的顺利应用又与新的连接技术的发展密不可分。例如，欧洲高端客车大多采用蒙皮粘接工艺，而我国客车蒙皮还是以焊接为主。奔驰客车赛特拉采用的侧围蒙皮粘接工艺，由于其没有传统的焊接操作，因此蒙皮平整度可以做到非常平整，而这与粘接胶的发展是密不可分的。再如英国的丹尼斯侧围蒙皮采用 1.5 毫米的铝板通过粘接加铆接的工艺进行装配。近几年国内的龙头企业宇通也在进行新工艺的研发，为了实现整车的重量更轻，侧围蒙皮使用玻璃钢材料进行装配，已经成熟的应用在多款城市公交车上。

　　1.3 客车车身焊装工艺简介

　　客车作为一种交通工具有别于乘用车。客车是为了满足大众化群体出行的交通工具。客车车身的生产工艺与乘用车相比存在很大差别，主要表现在焊装工序即白车身的制造上。客车车身主要有骨架型材和覆盖件蒙皮组成，主要的连接工艺是二氧化碳保护焊焊接，其自动化程度偏低主要依靠大量的人工完成整车的生产。

　　客车车身的生产流程大致分为两部分，线上生产和线下生产。其构成车身的骨架可以拆分为五大部分，这部分统称为车身骨架五大片，如图 1.2.这部分骨架主要在线下完成组焊，由半成品工段加工成的各种规格的型材摆放在五大片组焊胎上，通过机器人或者人工焊接组成。其中最重要的工装就是五大片组焊胎，其精度和制造形式直接决定着整车的精度和生产模式。焊接完成的五大片骨架通过输送通道转运到生产线的第一个工位即合装工位。这个工位是合成整车骨架的基础。五大片骨架通过合装胎的夹持完成定位，然后通过人工进行焊接作业，制造出整车的骨架结构。

　　整个焊装生产线一共有十几个工位，在合装工位之后通过不同的工位进行车身附件的焊接。覆盖件蒙皮也是在数个不同的工位完成装配。当整车通过所有的工位时整个白车身就制造完成，转入下道工序。在整个客车车身制造环节骨架精度直接决定了整车的生产顺畅，因此整个客车车身制造工艺就是通过各种方法提升整车的骨架精度。

　　1.4 课题研究目标和主要内容

　　本课题来源于某客车厂全新高端车型的开发，需要在设计和制造阶段满足车辆的降重目标。为了有效的降低白车身的制造重量，在对比国内常规车型的骨架结构的基础上，采用高强钢材料进行车身骨架设计。同时，与传统钢材车身骨架焊装过程相比，分析采用高强钢材料后焊装过程中存在的问题，并进行高精度夹具的设计。通过对高精度夹具的设计、制作、验收、调试，从而解决骨架校正难题和提升骨架精度问题。

　　本文主要工作包括以下几部分：

　　1. 对国内车型结构分析，确定车身结构设计方案，完成 200KG 的减重目标。

　　2. 根据 CAE 模拟分析结果，进行结构优化设计。

　　3. 高强钢材料车身骨架存在的制造问题。

　　4. 新型高精度焊装夹具设计制造方案和调试应用，以及效果分析。

　　第 2 章 高强钢材料的客车车身骨架结构设计
　　2.1 新车型开发背景
　　2.2 采用高强钢材料的车身骨架结构方案
　　2.2.1 客车车身设计概述
　　2.2.2 客车骨架结构设计
　　2.3 车身骨架结构改进设计
　　2.4 本章小结

　　第 3 章 高强钢 QSTE700TM 车身骨架焊装工艺存在的问题
　　3.1 传统客车车身焊装制造工艺的特点
　　3.2 高强钢骨架结构对夹具的需求
　　3.3 车身骨架焊装精度控制
　　3.4 采用高强钢 QSTE700TM 后焊装工艺存在的问题
　　3.4.1 骨架精校效率降低
　　3.4.2 顶盖骨架合装困难
　　3.5 本章小结

　　第 4 章 高强钢 QSTE700TM 车身骨架焊装夹具的研发
　　4.1 高精度车身骨架焊装夹具设计
　　4.1.1 焊装夹具设计构思
　　4.1.2 整体前围焊装夹具设计方案
　　4.1.3 顶盖骨架焊装夹具设计方案
　　4.1.4 夹头的结构形式设计

　　4.2 高精度车身骨架焊装夹具制作及调试
　　4.2.1 高精度车身骨架焊装夹具制作
　　4.2.2 高精度车身骨架焊装夹具调试匹配
　　4.3 焊装夹具的应用效果分析
　　4.3.1 前围焊装夹具的应用效果分析
　　4.3.2 顶盖焊装夹具的应用效果分析
　　4.3.3 整车合装精度提升效果分析
　　4.4 本章小结

第 5 章 总结与展望

　　5.1 全文总结

　　本文通过新车型的开发任务，重点解决新车型的超重问题，骨架精度控制问题，以及高强度钢的使用带来的校正效率低的问题。通过采用高强钢材料进行骨架的结构优化设计，实现了轻量化的需求，同时设计制作了全新的高精度气动夹具来实现车身骨架的焊装工艺，改善了传统焊装工艺过程，保证了车身制造精度。

　　由于这种夹具初次调试匹配使用，同时夹具设计和调试匹配方法上均无经验借鉴和参考，因此尚待进一步完善。但是经过生产实际验证，本文研究得出如下结论：

　　（1）通过在新车型上使用 QStE700TM 高强钢材料，进行骨架结构优化设计，将车身主梁替换材料后，实现整车降重近 200KG. （2）通过新型高精度车身夹具的设计使用，能够将车身骨架关键总成的精度提升至 85%,从而保证整车合装后的精度控制达 80%以上。

　　（3）通过对车身骨架中重点部位的精度进行有效控制，能够实现校正效率的提升，从原来的 51.6 分钟提升至 5.6 分钟。

　　5.2 展望

　　本文重点从整个焊装的生产过程角度进行研究 QStE700TM 高强钢材料的使用研究，对该种高强钢材料的半成品加工和焊接参数匹配性研究较少。因此需要进一步研究该种材料的加工适用性和更好的焊接参数匹配。

　　虽然通过新型高精度夹具的设计使用能够解决大部分的问题，但是这种夹具制造成本高、制作周期长，并不是唯一的解决办法。同时在夹具设计和调试匹配方法上缺少经验借鉴，还有待改善。本论文目前取得的经验可作为后续改善的基石。

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致 谢

　　时光荏苒，转眼间我的工程硕士学习生活已经接近尾声，在此期间我收获非常宝贵的学习经验和实践能力，再次感谢曾经无私帮助过我的人。经过 6 个多月的整理总结，在各位老师和同事的帮助下终于完成了这篇毕业论文。

　　首先，我要感谢郑州宇通客车股份有限公司和吉林大学为我提供一个非常好的学习深造的机会和平台，感谢吉林大学的各位老师百忙之中不远千里亲临郑州为我们讲解授课。各位老师的专注和认真使我非常感动，让我学到了很多非常专业的车辆知识为我的日常工作提供指导和解决办法。

　　其次，我要感谢我的导师崔岸教授对我论文编写过程中无微不至的关心和指导。从最初的开题报告的编写就给予很重要和明确的指导，在题目的修改和内容的重点指导上耐心的给予讲解和斟酌。从中使我真正认识到学术人的严谨性和责任心。并在学习的各个阶段不时的提醒我们注意学习的进度和注意的事项。值此课题完结之时再次向崔岸老师致以我最真诚的谢意。

　　同时，我要感谢宇通客车股份有限公司工艺部焊装专业首席工程师董铁链、试验中心 VE 工程师牛海燕对我试验和验证过程中提供的专业帮助表示感谢。

　　感谢所有帮助和指点过我的各位朋友，祝你们一切顺利，幸福永在。

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