新型異型材骨架在工程機械駕駛室中的應用與研究

楊 軍，張汝英，楊昌遠，葛 毅

（1.湖南工業職業技術學院，湖南長沙，410208；2.長沙華電云通電力技術有限公司，湖南長沙，410002）

新型異型材骨架在工程機械駕駛室中的應用與研究

楊 軍1，張汝英2，楊昌遠1，葛 毅1

（1.湖南工業職業技術學院，湖南長沙，410208；2.長沙華電云通電力技術有限公司，湖南長沙，410002）

工程機械駕駛室要求安全舒適、外形美觀。型材駕駛室采用異型管材搭焊骨架再覆蓋金屬薄板件的結構，在外觀新穎性、人機安全性、駕駛舒適性、高效率、低成本等方面均優于鈑金駕駛室，是工程機械駕駛室的重要發展方向。本文闡敘了型材駕駛室的各種優越性，分析了異型材骨架的結構特點，介紹了四種新型異型管材的截面形狀和尺寸，并說明了其應用特點和搭焊骨架的方式，對類似異型管材的設計開發具有參考和借鑒作用。

工程機械駕駛室；型材駕駛室；異型材骨架；異型管材；截面設計

1 前言

工程機械駕駛室是整機的重要組成部分，既是駕駛人員對設備進行操作完成各種作業的控制室，也是工程機械外觀質量的重要體現。早期的工程機械駕駛室主要是鈑金駕駛室，由各種規格不一的鈑金零件經手工焊接而成，零件數量較多，且大多數零件都是薄板件，焊接后很容易變形，焊縫較多，需要打磨、刮膩子，致使駕駛室做工粗糙，精細化難以滿足要求，稍微復雜一點的造型就很難通過薄板件焊接出來，外形線條是直線加棱角，結構簡單，造型生硬，強度和剛度低，防落物和防傾翻保護性能也不足，而且工人的勞動強度大，工作環境差。

隨著時代的變遷及科學技術的進步，人們對工程機械產品的安全性、操作舒適性和外觀提出了更高的的要求，工程機械駕駛室成為了技術創新的重點之一，包括卡特彼勒、利勃海爾、沃爾沃、三一重工等企業在內的許多工程機械制造廠家相繼推出了強度高、造型美觀、線條獨特新穎的型材駕駛室產品以取代鈑金駕駛室。所謂型材駕駛室，就是由異型管材搭接焊成堅實的骨架，再在外面覆蓋金屬薄板件，異型管材彎曲成形的圓弧框架結構，金屬薄板件壓延成形的曲面流線造型，給人以線條流暢、自然、美觀的感覺，同時賦予了駕駛室更好的整體強度和人性化的操作空間。與鈑金駕駛室比較，型材駕駛室減少了鈑金覆蓋件的使用，由此減少了模具的設計制造環節及費用，縮短了開發周期，降低了制造成本；駕駛室的骨架采用高強度的異型鋼管，蒙皮部分可采用厚度較大的鋼板，從而提高了駕駛室的強度，防傾覆及防落物性能更加優越；骨架型材可通用化、標準化，并由專業型材制造商制造成標準化的長度，駕駛室制造商拿來即可使用，減少了開發的中間環節，節省了開發成本。因此，型材駕駛室無疑是今后工程機械駕駛室的重要發展方向。

2 型材駕駛室異型材骨架結構特點

骨架是型材駕駛室的主體結構和主要受力體，由型材彎曲成的橫梁和立柱拼接而成，通常分為前圍、側圍、后圍、頂框、門框、底板等六大部件，這六大部件各具功能，同時又并非獨立存在，而是互相制約形成不可分割的一個整體。為了保證骨架的強度和剛度，同時兼顧輕量化要求，有些公司已經開始采用優質鋁合金異型管材。

傳統鈑金駕駛室在各處轉角部位均為拼焊結構，而型材駕駛室可以采用一根整體異型管材取代，形成圓弧過渡的造型，效果好，易于調控，并且大大節省了焊接、打磨、刮膩子等工序的工作量。型材駕駛室骨架設計的關鍵是異型管材的截面，需要考慮各部件之間的連接關系，以及部件內部異型材之間的搭接方式，還要考慮各種常用功能件如玻璃等的安裝固定，要預留涂膠及粘貼玻璃的空間，等等，要保證不同型材搭接后駕駛室的內外表面均勻協調、平緩過渡，尤其是外表面不能有突然的凸起和尖角。由于不同部件及其不同部位的功能和承載要求有所不同，因此其型材截面和厚度要求也有所區別，如組成后圍的立柱截面就比組成前圍的橫梁截面大、壁厚厚，組成側圍的中立柱截面則介于前圍和后圍之間。同時，還必須符合異型管材的錕壓工藝性和彎曲工藝性，如管材截面拐角處半徑一般取壁厚的1.5～2倍以滿足錕壓工藝的要求，異型管材最小彎曲半徑R一般取截面的最大長度的2～3倍，以滿足彎曲工藝性要求。

型材駕駛室異型材骨架具有足夠的強度和剛度，避免了因強度不足引起的構件早期出現裂紋和疲勞斷裂，避免了因剛度不足引起的駕駛室門框及窗框變形、車門卡死、甚至在發動機低速運行時產生結構共振而發出聲響現象。

3 異型材截面設計

異型管材截面設計主要包括截面形狀的選擇和尺寸的確定，要求形狀與駕駛室整體外形協調，與異型材之間搭接自然，與功能件合理配置，截面尺寸尤其是壁厚要保證要求的強度和剛度。

通過對平地機、壓路機、集裝箱港口機械等產品駕駛室進行綜合分析總結，設計出四種標準截面尺寸的異型管材，可以供各類駕駛室共同使用。該四種異型管材分別是：帶弧空心型材、凸臺空心型材、異槽空心型材和L型空心型材。

如圖1所示為RSC45噸集裝箱正面吊運機駕駛室骨架斷面圖，從該圖中可以看到，上述四種異型管材在型材駕駛室中的搭接關系。

圖1 駕駛室骨架斷面圖

3.1 帶弧空心型材

型材截面形狀及尺寸如圖2（a）所示，最大外形尺寸為99mm×73.9mm，壁厚為4mm；大端寬度為73.9mm，小端寬度為40mm，分別設有25x15mm的臺階邊；圖示相互垂直的左、上兩個平面及其R15mm圓角弧面是型材裝配后的外露面，而R83.6mm大圓弧面則位于駕駛室內。該型材由于截面尺寸較大，壁厚較厚，可用于駕駛室的后立柱，作為駕駛室的主承重立柱。其內大圓弧面設計有諸多益處，首先利于增加型材的強度，改善駕駛室的美觀度；其次，圓弧面朝駕駛室內擺放，可增大駕駛室的內部空間，避免傳統的大直角設計造成的磕磕絆絆，使駕駛員活動更加方便自如，更加人性化；而且可以直接在圓弧面上焊接或者鉆孔攻絲安裝其它小零件，如滅火器支架等，相當于增加了一種附屬功能。型材大、小端的臺階邊用于安裝玻璃，先涂膠，之后將玻璃粘貼在膠層上，臺階面寬度取25mm，是為了保證有足夠空間在玻璃粘貼后四周與臺階仍能留有一定的縫隙，滿足玻璃的熱膨脹要求，兩臺階面分別保持與兩外露平面平行，以使玻璃安裝后能夠與型材表面平齊，小端臺階面也用于與門框密封條貼合并密封。

該型材一般采用Q235B鋼經冷拔或錕壓而成，如圖2（b）是型材的立體圖，圖2（c）是型材經彎曲成形后的彎曲件立體圖。

圖2 帶弧空心型材截面

3.2 異槽空心型材

型材截面形狀及尺寸如圖3（a）所示，最大外形尺寸為65.6mm×40mm，壁厚為2mm，圖示25X15mm的臺階邊用于涂膠粘貼玻璃，6mm寬的異型凹槽用于安裝門框密封條，型材壁厚較薄，主要用于門框部件，不屬于承重梁。其6mm寬異型凹槽是根據門框密封條的尺寸設計的，將密封條通過3M膠粘貼在30MM的直邊平面上并卡入6MM異型凹槽內，使密封條粘貼牢固，不容易被扯落。該型材的擺放位置如圖1所示，裝配后其外露表面須與相鄰型材保持齊平，以保證駕駛室外形的整體協調，當車門關閉鎖緊時，密封條受到擠壓，因而貼緊相鄰型材的臺階邊平面，達到較好的密封效果。

該型材可由Q235B材料冷拔或錕壓而成，圖3（b）是型材立體圖。由于壁厚較薄，故更易于按照門的形狀要求進行彎曲，不過需注意控制其最小彎曲半徑。

圖3 異槽空心型材截面

3.3 凸臺空心型材

型材截面形狀及尺寸如圖4（a）所示，最大外形尺寸為84.4mm×40mm，壁厚為4mm，有兩處對稱布置的25X15mm臺階邊。該型材截面尺寸較大，壁厚較厚，可作為支撐立柱用于駕駛室的中立柱。如圖1所示，其兩個25X15mm臺階邊，朝向駕駛室的外側，一處用來涂膠粘貼玻璃，另一處用來與門框密封條配合。裝配后，其34.4mm處外露平面必須與異槽空心型材對應外露平面平整對齊。

該型材可由Q235B材料冷拔或錕壓而成，圖4（b）是型材立體圖。

圖4 凸臺空心型材截面

3.4 L型空心型材

型材截面形狀及尺寸如圖5（a）所示，最大外形尺寸為59.3mm×40mm，壁厚為3mm，設置有一處25X15mm的臺階邊，用于涂膠粘貼玻璃。該型材截面尺寸較小，壁厚稍薄，因此不適用于承重梁，而是主要用作駕駛室的前圍橫梁和后圍橫梁，起到框架搭接作用，其擺放位置如圖1所示。

該型材亦可由Q235B冷拔或錕壓而成，圖5（b）是型材立體圖。可以根據駕駛室整體造型及其它型材的銜接需要，對型材進行彎曲成形。

圖5 L型空心型材截面

4 異型材骨架在型材駕駛室中的應用

如圖 6所示為上述四種異型管材骨架在STR130-5H雙鋼輪壓路機駕駛室中的實際應用。該款型材駕駛室造型設計精致，充分發揮了異型材骨架的特點，外形美觀大方，操作安全可靠，圓弧形的前窗自然流暢，再加上通透的左右窗和后窗，使駕駛員具有開闊的視野，內部空間寬敞又不失精細，滿足人機舒適性要求，而且在保證整體強度和剛度的同時，大大提高了輕量化水平。

圖6 異型管材骨架在型材駕駛室的應用

5 結語

工程機械駕駛室造型與結構設計的基本要求是安全、舒適、外形美觀、結構合理、操作方便，符合人機工程學原理。型材駕駛室采用異型管材搭焊骨架再覆蓋金屬薄板件的結構，在外觀新穎性、人機安全性、駕駛舒適性、高效率、低成本等方面均優于鈑金駕駛室，是工程機械駕駛室的重要發展方向。骨架結構組成是型材駕駛室的基體，用于形成駕駛室骨架的新型異型管材又是關鍵所在，如何合理設計異型管材骨架搭接方式及異型管材截面形狀，對于充分發揮型材駕駛室的特點至關重要。

新型異型管材的開發設計，以及現代彎管技術的成熟進步，無疑會使型材駕駛室具有更加廣闊的發展前景。現代數控彎管機及數控滾彎機配合相應模具可以對不同截面形狀的異型管材完成不同曲率半徑的彎曲加工，這項技術裝備目前已經在許多工程機械制造企業推廣使用，因此，異型管材有望在工程機械駕駛室生產中獲得規模化應用。未來的發展趨勢將是異型材制造商根據不同工程機械企業的各種特殊需求，進行融合歸納，優化設計，最終生產出通用化、標準化的異型管材，以供工程機械駕駛室生產企業擇需選用。

[1]李瑋.現代彎管工藝在工程機械駕駛室制造中的應用現狀及發展趨勢[J].工程機械，2011（6）：42-46.

[2]張瑞.工程機械駕駛室新材料與新工藝的應用[J].工程機械，2012（4）：58-62.

[3]張瑞.異型管材在工程機械行業中的應用[J].建筑機械，2015（3）：57-66.

[4]張華清.異型管材在工程機械駕駛室制造中的應用現狀及發展趨勢[J].建筑工程技術與設計，2015（9）：06-42.

[5]劉南才.漫談裝載機駕駛室的設計發展方向[J].工程機械，2014（10）：36-42.

[6]王繼新.工程機械駕駛室設計與安全技術[M].北京：化學工業出版社，2010：28-39.

Application and Research of a New Type of Special Shaped Material Skeleton in the Cab of Construction Machinery

YANG Jun1，ZHANG Ru-ying2，YANG Chang-yuan1，GE Yi1
（1.Hunan Industry Polytechnic，Changsha410208,Hunan；2.Changsha Huadian Yuntong Electric Power Technology Co.,LTD,Changsha410002,Hunan）

Construction machinery cab requires safe,comfortable and beautiful shape.The structure profile cab uses profiled pipe lap welding skeleton covered with sheet metal.The appearance of novelty,human safety,driving comfort,high efficiency,low cost and other aspects are better than the metal cab,which is an important development direction of construction machinery cab.This paper describes the various advantages of the profile cab,analyzes the structure characteristics of the profile skeleton,introduces four new profiled pipe cross-sectional shape and size,and illustrates its application features and lap skeleton way,which can be used as a reference for the design and development of similar shaped pipe.

construction machinery cab;the profile cab;the profile skeleton;profiled pipe;the section design

TU60

A

1671-5004（2017）01-0007-04

2016-10-29

湖南工業職業技術學院院級課題新型異型材骨架在工程機械駕駛室中的應用與研究（項目編號：GYKYZ2014003）。

楊軍（1964-），男，湖南長沙人，湖南工業職業技術學院副教授、高級工程師，研究方向：模具設計制造，模具CAD/CAM，材料成型技術。