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      發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

      2019-06-30 10:27:44陳志耀
      企業(yè)科技與發(fā)展 2019年9期

      陳志耀

      【摘 要】文章針對(duì)某緊湊型SUV整車可靠性路試及子系統(tǒng)耐久試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈處內(nèi)板焊點(diǎn)開裂問(wèn)題進(jìn)行實(shí)質(zhì)性分析,提出若干優(yōu)化方案,以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈處焊點(diǎn)應(yīng)力值,提高發(fā)動(dòng)機(jī)罩系統(tǒng)性能的目的。結(jié)合原發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)應(yīng)力的CAE分析、新方案的焊點(diǎn)應(yīng)力CAE分析、CAE分析驗(yàn)證等,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析總結(jié),避免了后續(xù)車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈處焊點(diǎn)應(yīng)力高而導(dǎo)致的開裂問(wèn)題,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的可靠性,總結(jié)了鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),縮短了汽車的開發(fā)時(shí)間。

      【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)罩;鉸鏈加強(qiáng)板;CAE;路試

      【中圖分類號(hào)】U464 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688(2019)09-0057-03

      0 引言

      隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,外資汽車企業(yè)及國(guó)產(chǎn)自主品牌汽車企業(yè)快速發(fā)展,汽車每年以上千萬(wàn)臺(tái)的數(shù)量充斥著中國(guó)的消費(fèi)市場(chǎng)。當(dāng)前,汽車已經(jīng)成為一種十分普遍的交通工具,為人們的生活帶來(lái)了便利,提升了人們的生活質(zhì)量。汽車作為一種提高生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量的交通工具,已經(jīng)快速地進(jìn)入城市、農(nóng)村的家庭中,成為人們生活中必不可少的交通工具。

      緊湊型SUV因?yàn)閮r(jià)格便宜、空間大、通過(guò)性好,能適應(yīng)不同工況,所以受到廣大消費(fèi)者的歡迎。但是在市場(chǎng)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn),在汽車行業(yè)中,因?yàn)槠団k金件焊點(diǎn)開裂故障而返回4S店修補(bǔ)的案例數(shù)不勝數(shù),所以我們?cè)陂_發(fā)新產(chǎn)品時(shí)不僅要注重開發(fā)周期及成本,而且要注重產(chǎn)品質(zhì)量及用戶需求,否則在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中必定無(wú)法長(zhǎng)期生存。對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的保障應(yīng)該更注重前期開發(fā),盡量把一些隱患扼殺于搖籃,將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做至最佳,避免后期“亡羊補(bǔ)牢”。

      發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板進(jìn)行焊接,為發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈提供安裝點(diǎn),同時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈提供強(qiáng)度。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)罩位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙處,工況環(huán)境較為惡劣,如果發(fā)動(dòng)機(jī)罩出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂,后期必定會(huì)出現(xiàn)銹蝕、漏水漏灰問(wèn)題。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈處應(yīng)力較大且集中,降低該處應(yīng)力值一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn),也是發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)研究?jī)?nèi)容。

      本文著重針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板在實(shí)車路試中遇到的鉸鏈處焊點(diǎn)開裂問(wèn)題,研究如何降低鉸鏈區(qū)域鈑金應(yīng)力值。通過(guò)對(duì)鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)及涂膠工藝進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力值、改善發(fā)動(dòng)機(jī)罩系統(tǒng)性能的目的。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中利用了CAE工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì),不僅可以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量,而且可以縮短設(shè)計(jì)周期,節(jié)省大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)費(fèi)用。

      1 工況及開裂原因分析

      某緊湊型SUV在海南進(jìn)行整車可靠性路試及在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)罩子系統(tǒng)耐久試驗(yàn),在未完成壞路試驗(yàn)里程(2.6萬(wàn)km)及耐久次數(shù)(3 500次)時(shí)均發(fā)現(xiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板處焊點(diǎn)出現(xiàn)開裂問(wèn)題,最長(zhǎng)一處裂紋達(dá)15 mm(如圖1所示)。

      通過(guò)實(shí)車觀察發(fā)現(xiàn),焊點(diǎn)開裂點(diǎn)基本一致,且開裂位置出現(xiàn)銹蝕、漏灰的問(wèn)題,因此對(duì)該零件設(shè)計(jì)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析(計(jì)算方法及加載約束均按GM標(biāo)準(zhǔn))。經(jīng)分析,結(jié)果如圖2所示。

      經(jīng)以上CAE分析,得到發(fā)動(dòng)機(jī)罩開裂的原因有以下幾個(gè)方面。{1}發(fā)動(dòng)機(jī)罩加強(qiáng)板厚度為1.2 mm,加強(qiáng)板上并未多做加強(qiáng)筋等特征分散應(yīng)力,且焊點(diǎn)較少,應(yīng)力集中于焊點(diǎn)上。{2}發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板及發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板的材料為BLD-FB-D,材料屈服極限為155 MPa,而焊點(diǎn)3的應(yīng)力最大時(shí)可達(dá)到147.8 MPa,與材料屈服極限應(yīng)力接近。焊點(diǎn)應(yīng)力越大,越容易產(chǎn)生疲勞開裂,焊點(diǎn)3存在較大開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此可以判斷,在可靠性路試耐久及發(fā)動(dòng)機(jī)罩子系統(tǒng)耐久過(guò)程中,焊點(diǎn)由于長(zhǎng)期應(yīng)力集中而疲勞開裂。設(shè)計(jì)狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)罩加強(qiáng)板焊點(diǎn)應(yīng)力如圖3所示。

      2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)開裂優(yōu)化方案

      2.1 方案一

      從CAE分析結(jié)果可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)3應(yīng)力較大,接近材料屈服極限,而其他幾個(gè)焊點(diǎn)的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料屈服極限。因此判斷,由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板區(qū)域的剛度較差,應(yīng)力無(wú)法分散,導(dǎo)致只有一個(gè)焊點(diǎn)應(yīng)力較大。當(dāng)零件材料厚度較厚時(shí),零件的剛度會(huì)比較好。因此,考慮增加發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板的厚度來(lái)提升零件周邊的剛度,將加強(qiáng)板的厚度由1.2 mm增至1.5 mm。圖4為增厚加強(qiáng)板后的CAE分析結(jié)果。

      從分析結(jié)果可以看出,加厚加強(qiáng)板后,各焊點(diǎn)應(yīng)力均有下降,焊點(diǎn)3的焊點(diǎn)應(yīng)力下降了6%,最大應(yīng)力由147.6 MPa變?yōu)?38.1 MPa。證明加厚加強(qiáng)板、提升剛度對(duì)該區(qū)域的應(yīng)力有改善。

      2.2 方案二

      從上面的分析結(jié)果可以得知,鉸鏈加強(qiáng)板應(yīng)力大是由于該區(qū)域應(yīng)力較大,應(yīng)力無(wú)法分散導(dǎo)致局部應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂。對(duì)此,考慮將加強(qiáng)板加長(zhǎng),增加加強(qiáng)筋,提高該區(qū)域的剛度,同時(shí)通過(guò)增加焊點(diǎn)的方式分散高應(yīng)力焊點(diǎn)的應(yīng)力,以起到降低焊點(diǎn)3應(yīng)力的作用(如圖5所示)。圖6是加長(zhǎng)加強(qiáng)板、增加加強(qiáng)筋、增加焊點(diǎn)后的CAE分析結(jié)果。

      從分析結(jié)果得知,最大焊點(diǎn)處(焊點(diǎn)3)應(yīng)力由147.6 MPa變?yōu)?23.1 MPa,應(yīng)力下降了16.5%。說(shuō)明提高零件剛度、做加強(qiáng)筋、增加焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)力有改善。

      2.3 方案三

      綜合方案一及方案二,兩種方案均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板處的焊點(diǎn)應(yīng)力分散有幫助,但是應(yīng)力下降幅度有限,仍然解決不了焊點(diǎn)疲勞開裂問(wèn)題。因此,考慮將兩種方案結(jié)合實(shí)施,再分析是否可以更好地解決焊點(diǎn)開裂問(wèn)題。將加強(qiáng)板按照方案二加長(zhǎng),增加加強(qiáng)筋及焊點(diǎn)后,再將厚度增厚至1.5 mm。CAE分析結(jié)果如圖7所示。

      從分析結(jié)果得知,方案一與方案二同時(shí)實(shí)施的確能夠更好地解決問(wèn)題,焊點(diǎn)應(yīng)力由147.6 MPa變?yōu)?18.7 MPa,下降幅度達(dá)19.6%,但是仍無(wú)法完全解決焊點(diǎn)開裂問(wèn)題。

      2.4 方案四

      上述方案均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板處焊點(diǎn)開裂問(wèn)題有幫助,但應(yīng)力下降幅度有限,無(wú)法完全解決焊點(diǎn)開裂問(wèn)題,因此我們必須考慮一些更好的方案。通過(guò)對(duì)標(biāo)車的拆車研究發(fā)現(xiàn),很多車型在鉸鏈加強(qiáng)板上增加了結(jié)構(gòu)膠。結(jié)構(gòu)膠在涂裝車間烘烤后會(huì)變硬,把加強(qiáng)板和內(nèi)板連接起來(lái),作用與焊點(diǎn)類似。即將加強(qiáng)板與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板由焊點(diǎn)連接變?yōu)槊媾c面連接,應(yīng)力由原來(lái)作用于焊點(diǎn)上變?yōu)樽饔糜诿嫔?。而且在加?qiáng)板與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板上涂上結(jié)構(gòu)膠后,不僅有利于提高剛度與強(qiáng)度,也有利于防腐。在市場(chǎng)的車型中,我們經(jīng)常見到結(jié)構(gòu)膠的身影(如圖8所示)。

      因此,我們考慮在原方案的基礎(chǔ)上,增加涂結(jié)構(gòu)膠(如圖9所示)。

      在原方案上涂結(jié)構(gòu)膠后,經(jīng)CAE分析,焊點(diǎn)應(yīng)力由147.6 MPa變?yōu)?7.5 MPa,遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力155 MPa,應(yīng)力下降幅度達(dá)74.5%,證明涂結(jié)構(gòu)膠對(duì)解決焊點(diǎn)開裂問(wèn)題有重大幫助。CAE分析結(jié)果如圖10所示。

      2.5 方案五

      從方案一至方案四的結(jié)果來(lái)看,方案二與方案四對(duì)降低鉸鏈加強(qiáng)板的應(yīng)力幫助較大。因此,考慮在方案二的基礎(chǔ)上,實(shí)施方案四,增加結(jié)構(gòu)膠(如圖11所示)。

      經(jīng)CAE分析,焊點(diǎn)3應(yīng)力大幅度下降,由147.6 MPa降低至21.2 MPa,遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力155 MPa,下降幅度為85.6%,應(yīng)力下降效果較方案四更佳。證明方案五對(duì)降低應(yīng)力幫助最大。CAE分析結(jié)果如圖12所示。

      3 方案對(duì)比及選擇

      各個(gè)方案的焊點(diǎn)3(開裂焊點(diǎn))應(yīng)力對(duì)比見表1。

      從表1中的數(shù)據(jù)可知,各個(gè)方案相對(duì)于原方案均有優(yōu)化,尤其是方案四及方案五,應(yīng)力下降幅度均非常大。因此可以判斷,方案四與方案五為最優(yōu)方案。方案四為在原方案基礎(chǔ)上增加結(jié)構(gòu)膠,方案五為更改加強(qiáng)板,增加加強(qiáng)筋,然后再涂結(jié)構(gòu)膠。如果按照方案五進(jìn)行修改,需要修改發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板的成型模、落料模及切邊模,更改量非常大,不僅需要昂貴的修模費(fèi)用,還需要一段時(shí)間調(diào)試模具及優(yōu)化工藝。

      在保證零件性能的情況下,我們選擇修改最小、產(chǎn)生費(fèi)用最低、耗時(shí)最少的方案,因此從方案一至方案五中選擇,方案四的可行性最大。

      4 方案驗(yàn)證

      我們采用方案四制造了4臺(tái)車,2臺(tái)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩子系統(tǒng)耐久,2臺(tái)用于整車常規(guī)耐久路試。完成了3 500次(子系統(tǒng)耐久)發(fā)動(dòng)機(jī)罩開關(guān)試驗(yàn)、4.5萬(wàn)km里程后,發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板應(yīng)力未發(fā)現(xiàn)有焊點(diǎn)開裂的跡象。因此,推薦方案四為實(shí)施方案。

      5 總結(jié)

      針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板處焊點(diǎn)開裂問(wèn)題,通過(guò)以上的問(wèn)題分析、CAE分析、方案驗(yàn)證等,我們可以知道方案五為降低應(yīng)力的最優(yōu)方案。而從方案一、方案三可以看出,單純?cè)黾硬牧虾穸葘?duì)降低焊點(diǎn)應(yīng)力效果不明顯。從方案二與方案四可以看出,增加結(jié)構(gòu)膠與優(yōu)化加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)對(duì)降低焊點(diǎn)應(yīng)力效果較佳。這些結(jié)論可以為我們后續(xù)車型前期設(shè)計(jì)作指引,在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板時(shí),可以朝著方案二與方案四的方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

      參 考 文 獻(xiàn)

      [1]庫(kù)才旗,謝新生.舉升門鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2013(13).

      [2]鄧代玉,高君杰,趙福全.某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈?zhǔn)Ы鉀Q措施[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2012(7).

      [3]曲思明,束萍萍,趙福全.某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)開裂解決措施[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2012(11).

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