客车侧围蒙皮冷张拉机设计*

马永杰，杨彩红，张义俊

(河南农业职业学院 机电工程学院，河南 郑州 451450)

0 引言

客车车身采用型材焊接而成，为了美观及结构需求，在车身骨架两侧焊接钢板蒙皮(或粘接铝蒙皮)。大型客车的左、右侧蒙皮长度大，一般需要对侧围蒙皮施加预应力，把侧围蒙皮按照工艺参数拉伸到需要的预定工艺尺寸，然后与车身骨架焊接成一个整体，此时侧围蒙皮保持了一定的拉伸应力残留。残留拉伸预应力的侧围蒙皮钢板表面平整美观，与侧围骨架焊接之后，行车中蒙皮没有鼓动、噪声低，并且可以明显提升车身骨架的刚性和强度。

根据侧围蒙皮内残余应力形成的机理不同，预应力侧蒙皮可以通过两种方法实现，一种为拉应力蒙皮，另一种为热应力蒙皮。拉应力蒙皮设备具有拉伸力大、敞开式布置、调整性和操作性好等优点，因此多数的客车生产企业通过拉力使蒙皮产生拉应力，来提升客车外观质量和降低行车中侧围蒙皮的鼓动噪声。

1 侧围蒙皮张拉机适用范围及需求的功能

根据国家对客车车身长、宽和高的标准可知，客车车身骨架长度范围为6 m～13.7 m、宽度范围为1.8 m～2.55 m，因此侧围蒙皮张拉机需要在长度和宽度方向具有调整功能，长度方向考虑到设备不能靠近车身骨架，而侧围蒙皮的长度又不包含前后围的长度，综合考虑设备夹具之间应满足8 m～14 m范围内X(车长)方向可调。侧围蒙皮张拉示意图如图1所示。

1，4-侧围张拉设备；2-车身骨架；3-侧围蒙皮

图2为客车车身骨架龙门截面图，研究发现不同的客车车身骨架龙门截面具有不同的弧度、不同的高度和不同的宽度，因此侧围张拉机需要具有车身宽度调整满足1.8 m～2.55 m要求，同时满足车身不同弧度的需求。通过对车身骨架和蒙皮尺寸的分析，最终确定的侧围蒙皮张拉设备工作参数如表1所示。

表1 通用侧围冷张拉机工作参数及适用范围

图2 客车龙门骨架截面图

2 侧蒙皮张拉焊接流程及蒙皮张拉关键动作

侧围蒙皮张拉焊接流程为：焊装生产输送线把车身骨架输送到蒙皮张拉工位—启动冷张拉设备—工人把客车侧围蒙皮放入张拉设备—张拉蒙皮—达到工艺要求的伸长率—在张拉状态下把产生预应力的张拉蒙皮与车身骨架贴合—根据工艺参数调整蒙皮在车身骨架上的位置—蒙皮两端与车身焊接—张拉设备复位。

通过对工作流程的分析可知，侧围蒙皮冷张拉机有以下几个关键动作：①夹持蒙皮的夹头要确保夹紧可靠；②夹头升降动作要平稳无冲击、安全且可靠；③蒙皮向车身推靠时具有无极调速且运行平稳；④张拉设备车长方向移动后锁紧可靠张拉时无移动；⑤夹头需要适应车身骨架弧度及高度的变化。

3 侧围蒙皮冷张拉机机械结构设计

侧围蒙皮冷张拉机的设计依据是表1中侧围蒙皮张拉机工作参数和适用范围。综合分析侧围蒙皮冷张拉机的工作过程，设备的整体结构采用分体式设计，设备机械结构具体由两部分组成：固定张拉端、移动张拉端。图3为侧围蒙皮张拉设备的整体布置，车身骨架右侧有乘客门，而乘客门是不需要覆盖蒙皮的，因此右侧蒙皮比左侧蒙皮短，在焊接应力蒙皮时，以车尾为基准定位，绝大多数的客车车身在整车焊装线上采用后退的方式(车尾朝向生产线流动方向)，因此侧围蒙皮张拉机的移动端安装在车头一侧，这样做可以解决右侧蒙皮短的问题，如果移动端安装在车尾一侧，则会造成蒙皮工艺长度增加，增加了蒙皮费用。

1-固定端；2-行走轨道；3-移动端

3.1 固定张拉端设计

固定张拉端通过预埋地脚螺栓固定于地面上，如图4所示。固定张拉端主要由三个部分组成：固定端框架、提升机构和夹紧张拉推靠机构。主体框架要承受将近300 000 N的拉力，因此采用大号型材和钢板焊接，焊后时效，整体加工，以增强主体框架的强度和刚度。提升机构用来升降夹紧张拉推靠装置，以适应不同高度的侧围蒙皮张拉焊接，采用液压马达驱动链轮，通过链条带动夹紧张拉推靠装置上升和下降，液压马达升降具有同等功率下体积小、无级调速、驱动力大、制动能力强的特点。

1-固定端框架；2-提升机构；3-夹紧张拉推靠机构

固定端夹紧张拉推靠装置是侧围蒙皮张拉机的核心，其结构如图5所示。固定端夹紧张拉推靠机构包含三个部分：蒙皮夹紧机构、蒙皮张拉机构和蒙皮推靠机构。蒙皮夹紧机构的关键是满足300 mm～1 500 mm蒙皮宽度、0.8 mm～1.2 mm蒙皮厚度范围内所有蒙皮的可靠夹紧，因此设计了锯齿形的夹具，通过多组液压缸实现不同宽度蒙皮的夹紧，夹紧力可调，实现不同厚度蒙皮夹紧的需求，夹紧钳口锐角倒钝，否则蒙皮容易在夹紧时被钳口剪断，蒙皮夹紧机构如图6所示。蒙皮张拉机构是蒙皮张拉的动力，使用两条液压缸+导向柱的结构，双液压缸的设计使设备满足不同宽度蒙皮张拉时蒙皮受力的均衡，同时提供了大吨位的张拉力，导向柱起承载径向力的作用，避免液压缸活塞杆受到过大径向力时弯曲出现漏油。蒙皮推靠机构是把张拉后的蒙皮贴靠到车身骨架上，因此需要的输出力不大，但是由于客车车身骨架宽度变化范围较大(1.8 m～2.55 m)，考虑到设备和最大车身骨架间预留的安全距离，对于单侧的侧围张拉设备需要推出的距离大于0.5 m，悬臂较长，因此推靠机构采用单条液压缸推出，两个导向柱导向，通过导向柱抵抗蒙皮推出后机构承担的弯曲应力和变形。

1-蒙皮夹具；2-蒙皮张拉机构；3-蒙皮推靠机构

1-液压夹紧缸；2-夹紧钳口

3.2 移动张拉端设计

移动张拉端通过在轨道上行走改变和固定张拉端之间的距离来适应不同蒙皮长度张拉的需求，移动张拉端结构如图7所示。移动张拉端主要由7部分组成：移动端框架、提升机构、夹紧推靠机构、行走机构、锁紧机构、挂钩和行走轨道。从图7(a)中看到，主体框架和提升机构与固定张拉端结构形式相同，夹紧机构和推靠机构也与固定张拉端的结构相同，移动张拉端无蒙皮张拉机构，即蒙皮只在固定端张拉，移动端夹持固定。为了适应不同车身骨架弧度，在移动张拉端的夹紧推靠机构上增加旋转功能，实现对蒙皮设定范围内的旋转。

行走机构采用液压马达驱动链轮，通过链传动带动安装在主体框架上的驱动轮实现车身长度方向的移动，液压马达驱动力大，可以抱闸锁紧主体框架，行走速度无级可调。锁紧机构用来进一步把移动张拉端锁在行走轨道上，如图7(b)所示，包含两个机构，一是油缸提拉机构，把轨道夹紧钳提拉与轨道接触，另一个是手动丝杆压紧机构，通过对轨道的下拉和上压把移动端锁死，但是由于张拉尺寸大的蒙皮时拉力太高(接近300 000 N)，大于摩擦力，因此设置挂钩机构，挂钩一端安装于主体框架上，另一端挂在轨道之间的横梁上，通过拉力进一步确保移动张拉端在张拉中不发生位置移动。

1-移动端框架；2-提升机构；3-夹紧推靠机构；4-锁紧机构；5-挂钩；6-行走轨道；7-行走机构

行走轨道是移动张拉端的行走基础，是张拉力传导过程中重要的部分，在整套设备中相当重要。轨道采用50#重轨，通过预埋的方式安装在基础上，轨道上按照一定距离设置挂钩机构的销孔，用来使移动端和轨道形成可靠的连接，并传递力。

4 侧蒙皮冷张拉机液压系统设计

从侧围蒙皮张拉设备的机械结构设计中可以看出，整套设备的动作全部使用液压作为动力来实现，因此液压系统至关重要。分析设备的操作过程，可以看出设备需要具备的功能主要有以下几点：①固定张拉端和移动张拉端的提升机构升降和推靠机构速度可以双向调节，到达使用位置时短时间保压；②固定端和张拉端的蒙皮夹紧机构需要快速夹紧长时间保压，并且保压可靠；③固定端的张拉机构需要具有双向速度可调、两条张拉油缸速度同步，达到预定压力值时泵卸荷，但是回路需要长时间保压；④移动端锁紧机构需要具备到位后快速锁紧，长时间可靠保压；⑤行走机构具备双向行走速度可调功能，为了避免泵频繁启停，整套液压系统只有执行元件工作时泵才输出高压油，没有执行元件工作时，泵卸荷，降低设备的能量损耗。为了提升整套设备中液压元件的使用寿命，液压回路设计进油和回油的双向过滤。为了有效降低液压油温度，液压站上安装回油散热风扇。侧围蒙皮张拉机液压原理图如图8所示。

图8 侧围蒙皮张拉机液压原理图

5 侧蒙皮张拉机电气控制设计

侧围蒙皮张拉设备主控电路包含电机的启/停按钮、油泵指示灯、电源指示灯、油泵电机的急停按钮以及常用的保护电路。设备按下启动按钮后，电机在工作时间内不再停机，主要通过控制电路实现，不停机时通过液压泵卸荷减少能量消耗。移动端分控柜电气原理图如图9所示。图9中，L3为分控柜电源指示灯、SB3为夹紧/松开旋钮、SB4为顶升/降落旋钮、SB5为上升/下降旋钮、SB6为推靠/返回旋钮、SB7为前进/后退旋钮、SL1为上限位开关、SL2为下限位开关。

图9 移动端分控柜电气原理图

为了降低工人操作难度，每处分控柜操作面板均采用旋钮控制实现阀线圈的通与断，采用旋钮操作面板简洁，节省按钮，同时无需在继电器回路中增加同一个阀两个线圈间的互锁，简化了控制电路。通过对液压原理分析，电磁溢流阀是在线圈通电状态下工作，因此电磁溢流阀的线圈需要与所有线圈并联，即无论哪个线圈通电，电磁溢流阀的线圈都需要通电，让系统建E:work李冉SXJX202006SXJX202006SXJX202006立压力，给执行元件供油，这样的设计有利于系统在不工作时卸荷，降低能量损耗。

6 结语

本文主要研究了侧围蒙皮张拉设备的功能和使用范围，并进行了结构、液压原理和电气控制设计，完整地展现了侧围蒙皮张拉设备。本设计中的侧围蒙皮张拉设备具有通用化，基本实现了所有车型蒙皮张拉的全覆盖，适应性好、通用性高。设备虽然具有很多优点，但是还可以进一步完善其功能，比如后续可以考虑对整套设备进行智能化升级设计，增加PLC控制和设备参数的配方功能;同时取消现有的人工辅助，比如移动端的挂钩，在挂钩处增加自动翻转功能。设备智能化升级后可以直接对接工厂的MES系统，实现订单生产的信息跟踪。