基于新材料的車(chē)身輸送雪橇輕量化研究

劉德俊，方建程，陳蘊(yùn)，吳聿棟

（上汽通用汽車(chē)有限公司，上海 201206）

在汽車(chē)生產(chǎn)流水線(xiàn)中，需要將車(chē)身從一個(gè)工位輸送到另一個(gè)工位，從一個(gè)車(chē)間輸送到另一個(gè)車(chē)間，以完成車(chē)身的焊接、油漆和各零部件的總裝工作。而車(chē)體本身無(wú)法直接被輸送，必須將其放置在一個(gè)統(tǒng)一的載具上，再通過(guò)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行輸送，這個(gè)載具，就稱(chēng)之為雪橇。目前，Q235及強(qiáng)度更高的Q345以其優(yōu)良的塑性、焊接性能、強(qiáng)度及高性?xún)r(jià)比，被廣泛應(yīng)用于雪橇的制造。

隨著我國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)迎來(lái)?yè)Q購(gòu)周期和消費(fèi)升級(jí)，大型轎車(chē)和大型SUV車(chē)型越來(lái)越走俏，各大整車(chē)廠(chǎng)也隨之加大在大型車(chē)上的開(kāi)發(fā)和制造。而在汽車(chē)制造過(guò)程中，大型車(chē)優(yōu)勢(shì)直接體現(xiàn)在整車(chē)尺寸和重量的大幅度提升。對(duì)于一些規(guī)劃較早的工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，在車(chē)間規(guī)劃時(shí)無(wú)法考慮到當(dāng)前越來(lái)越重的車(chē)身發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致大型車(chē)和雪橇的整體重量開(kāi)始超出生產(chǎn)線(xiàn)的載重能力。如果對(duì)工廠(chǎng)內(nèi)所有的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行載重能力的提升改造，費(fèi)用和時(shí)間無(wú)疑都是整車(chē)廠(chǎng)無(wú)法接受的。因此，如何在保證不對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行大規(guī)模改造的前提下，進(jìn)行雪橇重量的大幅度降低，以間接提高生產(chǎn)線(xiàn)可輸送車(chē)身的重量，成為了整車(chē)廠(chǎng)亟須解決的難題?？紤]到雪橇結(jié)構(gòu)已經(jīng)足夠簡(jiǎn)單，僅對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微小的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)雪橇重量大幅度降低的目的，因此，只有創(chuàng)新的引入輕量化的新材料，才有可能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不變基礎(chǔ)上，降低雪橇重量。

1 新材料選擇

從材料本身的角度考慮，在滿(mǎn)足強(qiáng)度的情況下，要求雪橇重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好；從使用的角度考慮，要求雪橇具有運(yùn)行過(guò)程中耐磨、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不變形等特點(diǎn)；最后從改造的角度，要求雪橇框架結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用、改造方便簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等。

在對(duì)市面上常用的材料進(jìn)行詳細(xì)梳理后發(fā)現(xiàn)，雪橇材料的選擇有兩個(gè)思路，一種是選取密度較低的常用工程材料，如鋁合金；另一種是選擇屈服強(qiáng)度更高的鋼材，如Q460。所以，以現(xiàn)在常用的雪橇材料Q345A作為基準(zhǔn)材料，對(duì)兩個(gè)方向的材料分別進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 目標(biāo)材料分析對(duì)比

通過(guò)材料本身的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相比于正在使用的碳素結(jié)構(gòu)鋼和更高牌號(hào)的高強(qiáng)度鋼，鋁合金并沒(méi)有任何明顯的優(yōu)勢(shì)。

在雪橇的搭建過(guò)程中，根據(jù)車(chē)間輸送線(xiàn)需求，需要長(zhǎng)120mm、寬50mm、厚5mm的材料制成矩形管材，作為雪橇的大梁。對(duì)于雪橇整體來(lái)說(shuō)，更需要考慮的是在相同截面的情況下，大梁的力學(xué)性能。所以，選取了市面上同樣截面尺寸的鋁型材，和同樣截面尺寸的矩形鋼梁進(jìn)行對(duì)比，并得出表2的結(jié)果。

表2 等截面、不同材料大梁力學(xué)性能

如上表2所示，用鋁合金6063-T6、6063-T5 和目前使用的Q345A材料以及Q460材料做成等截面（120*50*5mm）的矩形管，進(jìn)行力學(xué)分析可知：

（1）同樣材料（6063）的鋁型材，采用不同的截面結(jié)構(gòu)和熱處理方式（T5和T6表示不同的熱處理方式，慣性矩和抗彎截面系數(shù)可以顯示出兩者截面結(jié)構(gòu)不同），力學(xué)性能相差極大；

（2）雖然Q345的屈服強(qiáng)度要大于鋁合金材料，但是由于鋁合金截面較為復(fù)雜，具有很好的抗彎特性，所以仍能保持較為優(yōu)秀的強(qiáng)度安全系數(shù)；

（3）相較于Q345，相同截面的Q460矩形管僅能提高強(qiáng)度安全系數(shù)，但無(wú)法有效提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗彎能力。

經(jīng)過(guò)以上對(duì)新材料各個(gè)角度的分析，考慮雪橇輕量化的本質(zhì)需求可以得出以下結(jié)論：

（1）新的高強(qiáng)鋼Q460，對(duì)比當(dāng)前正在使用的Q345無(wú)法明顯提升整個(gè)雪橇的性能，也不能有效降低雪橇重量；

（2）鋁合金材料，密度僅2.70g/cm3，只有普通剛才的1/3，可以有效地降低雪橇重量。采用合適的截面結(jié)構(gòu)和熱處理后，還可以有效提升整體的抗彎能力，保持與當(dāng)前等同的強(qiáng)度安全系數(shù)，適合作為輕量化雪橇的優(yōu)秀替代材料。

2 新雪橇設(shè)計(jì)

2.1 鋁合金大梁截面設(shè)計(jì)

從材料選擇過(guò)程的分析可以看出，鋁合金截面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)大梁的力學(xué)性能，且市面上無(wú)法直接購(gòu)買(mǎi)到合適尺寸（120*50*5mm）的鋁型材，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

在對(duì)鋁合金截面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)需要考慮：

（1）實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)注意與輸送線(xiàn)直接接觸部分的壁厚設(shè)計(jì)，避免長(zhǎng)時(shí)間磨損后，雪橇被磨穿；

（2）在搭建雪橇整體結(jié)構(gòu)時(shí)，各鋁型材相互連接的方式，盡量避免傳統(tǒng)鋁型材存在安裝槽多的情況；

（3）整個(gè)雪橇結(jié)構(gòu)，盡可能使用相同截面尺寸規(guī)格的鋁型材。

在對(duì)所需功能的分析和整合后，設(shè)計(jì)了如圖1所示的鋁合金雪橇大梁截面。具體參數(shù)如下：

圖1 鋁合金雪橇大梁截面設(shè)計(jì)

圖2 鋁合金雪橇整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）鋁材牌號(hào)：6060 T6，抗拉強(qiáng)度σb(MPa)：≥470，條件屈服強(qiáng)度σ0.2(MPa)：≥420，伸長(zhǎng)率δ5(%)：≥6；

（2）截面面積：S=3088.97mm2；

（3）慣性矩：Ix=445.108cm4；

（4）抗彎截面系數(shù)：Wx=77.37cm3；

（5）彈性模量：E=69000N/mm2。

經(jīng)計(jì)算對(duì)比，鋁材抗彎截面系數(shù)遠(yuǎn)大于當(dāng)前使用的同截面的鋼材的系數(shù)，可以有效提升整體的抗彎能力；強(qiáng)度安全系數(shù)>3.9倍，遠(yuǎn)大于當(dāng)前使用Q345搭建的雪橇結(jié)構(gòu)。

2.2 鋁合金雪橇整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為有效對(duì)比與當(dāng)前雪橇的差異，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)鋁型材作為主要材料的輕量化雪橇。其中，底部大梁按照上述截面設(shè)計(jì)后，專(zhuān)門(mén)開(kāi)模制作，其他桿件為標(biāo)準(zhǔn)的80*40和40*40鋁型材，并使用鋁型材標(biāo)準(zhǔn)連接件進(jìn)行螺接；為保證雪橇在輸送過(guò)程中與輸送滾床碰撞時(shí)不會(huì)被破壞，雪橇大梁的兩端設(shè)計(jì)成尼龍導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，并與鋁合金的大梁螺接；與車(chē)體接觸的定位銷(xiāo)部分，仍采用45#鋼，并與鋁型材螺接。

同時(shí)，假設(shè)雪橇承載600kg車(chē)身時(shí)，對(duì)雪橇模型進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖3所示。CAE結(jié)果顯示，裝配完成的雪橇結(jié)構(gòu)從變形量和應(yīng)力角度，都能滿(mǎn)足車(chē)間的實(shí)際使用需求。

圖3 鋁合金雪橇CAE分析結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 鋁合金雪橇和試驗(yàn)線(xiàn)搭建

理論分析和CAE建模僅能分析出鋁合金輕量化雪橇的力學(xué)性能，對(duì)于實(shí)際使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的磨損、變形、螺接穩(wěn)定性，必須要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證才能確定。所以，根據(jù)設(shè)計(jì)模型，專(zhuān)門(mén)制造了2臺(tái)鋁合金輕量化雪橇，并搭建典型的車(chē)身輸送路徑，對(duì)鋁合金雪橇進(jìn)行實(shí)際的運(yùn)行驗(yàn)證。

經(jīng)測(cè)量，實(shí)際制造的鋁合金輕量化雪橇總重量較之當(dāng)前正在使用的鋼雪橇減重約50%，達(dá)到了雪橇輕量化的目的。

在雪橇試驗(yàn)線(xiàn)搭建時(shí)，考慮到鋁合金材料本身的不耐磨特性，所以用尼龍包膠輥?zhàn)犹鎿Q傳統(tǒng)的鋼輥?zhàn)?，并使用三種典型機(jī)運(yùn)設(shè)備——滾床、轉(zhuǎn)臺(tái)、橫移機(jī)——組成一條完整的試驗(yàn)線(xiàn)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

將特制的2個(gè)鋁合金雪橇置于試驗(yàn)線(xiàn)中，并帶載600kg，模擬車(chē)間雪橇帶車(chē)輸送過(guò)程，以每天24h不間斷運(yùn)行模式進(jìn)行雪橇循環(huán)輸送。使用游標(biāo)卡尺，每周對(duì)雪橇與輸送線(xiàn)接觸的底面、側(cè)面進(jìn)行尺寸測(cè)量，確定磨損量；每周定時(shí)觀察結(jié)構(gòu)變形情況，并將雪橇下線(xiàn)，放置到標(biāo)準(zhǔn)基臺(tái)上進(jìn)行變形量測(cè)量；通過(guò)抽檢的方式，對(duì)鋁材連接螺栓的松動(dòng)情況進(jìn)行檢查，以確定連接形式的穩(wěn)定性。最終得出鋁合金輕量化雪橇的可行性報(bào)告。

截至目前，鋁合金雪橇已有效帶載輸送840萬(wàn)m，運(yùn)行狀態(tài)良好。其中，底面最大磨損量0.5mm，側(cè)面最大磨損量0.64mm，在標(biāo)準(zhǔn)基臺(tái)上檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變形，連接螺栓無(wú)松動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)基于新材料的車(chē)身輸送輕量化雪橇的材料選擇、關(guān)鍵截面設(shè)計(jì)，再到整個(gè)輕量化雪橇的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)分析了將雪橇進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的完整研究過(guò)程。該鋁合金輕量化雪橇的使用，可以大大提高車(chē)間生產(chǎn)車(chē)型的重量，但想要順利取代當(dāng)前普遍使用的鋼結(jié)構(gòu)雪橇，還需要從車(chē)間小批量替換使用開(kāi)始，逐步進(jìn)行推廣，經(jīng)受更多生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的檢驗(yàn)。