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)

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）.