乘用車(chē)白車(chē)身金屬結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用

吳 強(qiáng)（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

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乘用車(chē)白車(chē)身金屬結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用

吳 強(qiáng)
（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章介紹了金屬結(jié)構(gòu)膠的特性，以及車(chē)身輕量化與靜剛度的關(guān)系，并以某車(chē)型為例，其車(chē)型開(kāi)發(fā)前期經(jīng)CAE分析部分目標(biāo)值不滿足要求，后期在車(chē)身上大量應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠，在不明顯增加車(chē)體重量的前提下提升車(chē)了身模態(tài)和剛度，滿足設(shè)定目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)膠；模態(tài)；扭轉(zhuǎn)剛度；輕量化系數(shù)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.080

CLC NO.: U465Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-237-03

1、金屬結(jié)構(gòu)膠簡(jiǎn)介

車(chē)身金屬結(jié)構(gòu)膠主要分剛性結(jié)構(gòu)膠與彈性結(jié)構(gòu)膠：剛性結(jié)構(gòu)膠用于白車(chē)身鋼板和鋼板粘接、鋼板與其他金屬粘接，彈性結(jié)構(gòu)膠主要用于金屬與塑料的連接。以前在國(guó)外品牌的車(chē)型中使用較多，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本控制，近年來(lái)國(guó)產(chǎn)品牌車(chē)型應(yīng)用的車(chē)型數(shù)量、單臺(tái)車(chē)用量均有較大增長(zhǎng)。

結(jié)構(gòu)膠具有以下幾大物理性能：

1、吸收基材表面油脂，油面附著性好；

2、環(huán)境溫度穩(wěn)定性和耐久性；

3、剛性連接；

4、高韌性；

5、彈性模量1500～6500Pa；

6、延展性≤3%；

7、耐涂裝液沖洗。

其中高韌性、穩(wěn)定和耐久性對(duì)白車(chē)身至關(guān)重要，直接影響到白車(chē)身性能。

如圖1所示，結(jié)構(gòu)膠連接明顯折彎吸能效果好，鈑金沒(méi)有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)膠的高韌性。良好的吸能效果，使鋼板厚度減小，實(shí)現(xiàn)輕量化。

通過(guò)試驗(yàn)可以得出，結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)性能受溫度影響變化小，如圖2所示。

圖3為結(jié)構(gòu)膠耐久性試驗(yàn)對(duì)比，紅色曲線是焊接+結(jié)構(gòu)膠，黑色是只有焊接的，對(duì)比曲線可知應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠后：1.提高抗疲勞壽命；2.更高承載能力。

綜上，可以得出結(jié)構(gòu)膠具有以下優(yōu)勢(shì)：

此外，由于結(jié)構(gòu)膠使鈑金間連續(xù)型連接，相對(duì)傳統(tǒng)的焊點(diǎn)連接，具有載荷分配均衡、防止折彎、抵抗瞬時(shí)形變、保持一定方向的支撐承載力等優(yōu)點(diǎn)。

金屬結(jié)構(gòu)膠優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，但其價(jià)格較高，使用成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的焊點(diǎn)連接，故不能盲目設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠，要考慮成本因素、按需使用。

2、白車(chē)身輕量化及NVH

車(chē)身剛度和NVH，特別是車(chē)身模態(tài)和靜剛度，是車(chē)身物理性能最重要的考量。它影響著車(chē)輛的承載性和舒適性。

車(chē)身輕量化系數(shù)，用來(lái)衡量車(chē)身的輕量化水平，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在歐美的車(chē)身設(shè)計(jì)當(dāng)中。

L：輕量化系數(shù)，越低越好；

mBIW：白車(chē)身重量；

CT：車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度；

A：投影面積=輪距×軸距

理論上，提高模態(tài)和剛度會(huì)增加白車(chē)身的重量。因此要在車(chē)身設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)車(chē)身機(jī)械性能和重量進(jìn)行平衡。從上述公式可以看出，為了在降低輕量化系數(shù)L，車(chē)身重量mBIW的同時(shí)必須保持或增大扭轉(zhuǎn)剛度CT。而結(jié)構(gòu)膠的使用通常能夠在不增加mBIW的情況下使CT增加10%～20%。

白車(chē)身靜剛度分為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，如圖5、圖6。數(shù)值大小主要取決于汽車(chē)部件的布置和車(chē)身結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)。

乘用車(chē)車(chē)身低階模態(tài)頻率大致在20～50Hz，汽車(chē)在輪胎上的振動(dòng)頻率及發(fā)動(dòng)機(jī)在其懸置上的頻率等激勵(lì)頻率，與車(chē)身低階模態(tài)頻率很接近。因此，車(chē)身設(shè)計(jì)要非常注重結(jié)構(gòu)低階模態(tài)頻率的設(shè)計(jì)，注意提高車(chē)身整體的剛度和部件剛度，通過(guò)修改結(jié)構(gòu)，使車(chē)身或部件的模態(tài)頻率避開(kāi)激勵(lì)頻率，通常設(shè)計(jì)車(chē)身低階模態(tài)頻率時(shí)要高于激勵(lì)頻率，以防止共振。

低階模態(tài)分為：基頻、一階彎曲、一階扭轉(zhuǎn)。

3、某SUV金屬結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用設(shè)計(jì)

某中型SUV車(chē)型，開(kāi)發(fā)前期即進(jìn)行了碰撞安全性、靜剛度和模態(tài)目標(biāo)值的設(shè)定，制定依據(jù)是根據(jù)車(chē)型類(lèi)型、尺寸、市場(chǎng)定位，并對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)中相似車(chē)型指標(biāo)后綜合確定。

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)階段（招標(biāo)數(shù)據(jù)），CAE碰撞分析結(jié)構(gòu)滿足要求，但是靜剛度和模態(tài)結(jié)果不滿足設(shè)定要求。此后在產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)階段（模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，CAE分析靜剛度和模態(tài)仍不滿足要求。

此時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法來(lái)提高 NVH性能，將帶來(lái)白車(chē)身重量的增加，導(dǎo)致重量超出既定目標(biāo)。此時(shí)，需考慮應(yīng)用金屬結(jié)構(gòu)膠來(lái)提高白車(chē)身NVH性能。

結(jié)構(gòu)膠的使用位置和長(zhǎng)度要根據(jù)CAE來(lái)分析，通常設(shè)計(jì)在對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響大的焊接區(qū)域。如前圍區(qū)域、前地板與上/下部框架搭接區(qū)域、后地板與上/下部框架搭接區(qū)域、后地板與后輪包搭接區(qū)域、側(cè)圍門(mén)洞區(qū)域等。

圖8為某SUV根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)膠方案，總長(zhǎng)度約110米，CAE分析結(jié)構(gòu)滿足目標(biāo)值。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用部位進(jìn)行了優(yōu)化以降低成本，通過(guò)CAE多輪驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)膠用量由110米減少到70米，靜剛度和模態(tài)分析值略有下降但仍滿足要求。

削減結(jié)構(gòu)膠的區(qū)域主要為：發(fā)動(dòng)機(jī)艙前縱梁、前輪包、后輪包、頂蓋外板、尾門(mén)框等，如圖9。

CAE分析結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1　結(jié)構(gòu)膠效果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析，金屬結(jié)構(gòu)膠關(guān)鍵應(yīng)用部位為前圍與A柱的連接、地板下部框架與地板的連接、A/B/C/D柱加強(qiáng)板與內(nèi)板的連接、后輪包外板與內(nèi)板的連接。

4、總結(jié)

本文僅以金屬結(jié)構(gòu)膠提升NVH性能為例，簡(jiǎn)要介紹其布置和驗(yàn)證過(guò)程，總結(jié)出結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用的關(guān)鍵部位。實(shí)際上結(jié)構(gòu)膠還有代替焊點(diǎn)、提高耐久性、碰撞性能等作用，故要根據(jù)設(shè)計(jì)需求來(lái)綜合考慮結(jié)構(gòu)膠的布置，同時(shí)考慮重量、性能、成本之間的平衡。

結(jié)構(gòu)膠不能直接減重，而是通過(guò)性能的提升，優(yōu)化加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、減少鈑金材料厚度，從而降低白車(chē)身的重量。

金屬結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用要以車(chē)體鈑金結(jié)構(gòu)最優(yōu)化為前提，其提高性能是相對(duì)的一個(gè)范圍，不能僅僅靠結(jié)構(gòu)膠來(lái)提高性能，故設(shè)計(jì)前期不建議直接使用結(jié)構(gòu)膠，將前期重點(diǎn)工作定為結(jié)合CAE分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面盡可能地優(yōu)化。在開(kāi)發(fā)中后期，若在性能、重量?jī)蓚€(gè)方面需要進(jìn)一步優(yōu)化，再考慮金屬結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)。

[1]成艾國(guó),沈陽(yáng),姚佐平.汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)方法與流程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011

[2]陳濤,胡潔,聶昕,成艾國(guó).汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)質(zhì)量控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013

[3]羅坤,陳超等.汽車(chē)輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實(shí)施途徑[J].科學(xué)與財(cái)富,2015年第21期；

[4]吳衛(wèi)楓,唐程光等.車(chē)身輕量化過(guò)程方法介紹[J].汽車(chē)工藝與材料,2015年第4期.

Application of white body metal structure adhesives for passenger car

Wu Qiang
(Anhui Jianghuai Automobile co.,LTD.,Technical Center,Anhui Hefei 230601)

This article describes the characteristics of the metal structural adhesive,and the relationship between body lightweight and static stiffness.In this article we take one model for example,which can't fulfil the target due to the CAE analysis at the beginning.After using a large number of structural adhesive,the body modality and stiffness have been enhanced while the body weight doesn't increase significantly.

structural adhesives; modality; torsional stiffness; light weight coefficient

U465

A

1671-7988（2016）08-237-03

吳強(qiáng)（1982-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心。主要從事車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。