某緊湊型SUV前門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)開裂分析

張杰林 李乃鵬 覃豐寧

【摘 要】文章對某緊湊型SUV前門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)在顧客大力甩門的工況下出現(xiàn)開裂進(jìn)行了分析，分析內(nèi)容包括汽車車門的使用工況，車門內(nèi)板在極限使用工況下故障模式，車門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)在極限工況下受力標(biāo)定，原車門結(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)過系統(tǒng)的分析總結(jié)，避免了后續(xù)車型車門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)的開裂問題，提高了車門的可靠性，縮短了汽車的開發(fā)時間。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)板;限位器處焊點(diǎn);開裂;CAE分析;結(jié)構(gòu)膠

【中圖分類號】U463.834 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0102-03

當(dāng)前，我國汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，汽車已經(jīng)成為一種非常重要的代步工具，汽車在我國的鄉(xiāng)鎮(zhèn)甚至農(nóng)村已快速普及。緊湊型SUV因?yàn)閮r格便宜、空間大、通過性好、能適應(yīng)不同工況，受到廣大消費(fèi)者的歡迎。而汽車前門由于在使用汽車過程中開關(guān)次數(shù)多，顧客在開門時經(jīng)常出現(xiàn)把門開到最大開度的過開現(xiàn)象，受力工況惡劣，因此會出現(xiàn)前門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)開裂的情況。本文結(jié)合某款緊湊型SUV車的開發(fā)，對前門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)開裂進(jìn)行分析。

1 汽車車門的使用工況

顧客在開門下車時，由于用力過猛，或者當(dāng)車停在斜坡上開門時，車門會被大力甩開。當(dāng)門以一個很大的速度開啟到最大后，由于限位器的限位作用，門內(nèi)板在限位器處會受到一個很大的沖擊力。而汽車的使用壽命一般在10年以上，在整個壽命過程中，門內(nèi)板在限位器處需承受很多次這樣的沖擊力。

2 前門內(nèi)板在極限使用工況下故障模式

門內(nèi)板在限位器處一般會焊接一塊t=1.4 mm左右的加強(qiáng)板，以提高門內(nèi)板在限位器處的剛度，增強(qiáng)門內(nèi)板的限位作用。但售后反饋，顧客在使用車子一段時間后，前門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)出現(xiàn)開裂的故障（如圖1所示），從而產(chǎn)生異響，并存在生銹的風(fēng)險(xiǎn)。

3 前門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)在極限工況下受力模擬

我們要找出顧客在大力甩門使用工況下門的受力情況，以便開展接下來的CAE分析工作。把車放置在水平路面上，在無風(fēng)的氣候條件下，把門大力甩開。當(dāng)門開啟到最大位置時標(biāo)定一個位置，換不同的人，每人開啟5次，找到出現(xiàn)次數(shù)最多的位置。接著，搭臺架用氣缸在門內(nèi)板的鎖位置處施加一個力F，緩慢勻速加力，當(dāng)把門開啟到標(biāo)定的位置時，記錄下F的數(shù)值。經(jīng)試驗(yàn)及換算，此種工況相當(dāng)于在門鎖處施加F=235 N的力（如圖2所示）?？紤]到車輛10年的使用壽命、平均每天的使用次數(shù)、前門受到此種惡劣工況的概率，我們要求當(dāng)門開啟到最大后，在門鎖處施加25 500次F=235 N往外的力，門內(nèi)板限位器處焊點(diǎn)不能開裂。

4 原方案CAE分析

我們進(jìn)行CAE分析，以便確認(rèn)門總成在F受力工況下的應(yīng)力值。

4.1 約束工況

任何物體在受約束前有6個方向的自由度，同樣的汽車門門總成在受約束前也有6個方向的自由度，門開啟到最大后，由于鉸鏈和限位器的約束，只剩下一個繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)的自由度。因此，我們在進(jìn)行CAE分析時，參考門的實(shí)際工況，把上下鉸鏈和限位器支架的6個自由度都約束了，門鈑金只剩下繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)的一個自由度（如圖3所示）。

4.2 加載工況

在門內(nèi)板鎖處施加力值F（F=235 N），F(xiàn)方向與X軸呈102°。

4.3 應(yīng)力情況

圖4為門內(nèi)板限位器安裝區(qū)域焊點(diǎn)分布圖，圖5為焊點(diǎn)應(yīng)力值。

內(nèi)板材料為BUSD，抗拉強(qiáng)度σ≥260 MPa，屈服強(qiáng)度為屈服點(diǎn)σs=120～210 MPa，CAE分析焊點(diǎn)最大應(yīng)力為161.7 MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，焊點(diǎn)應(yīng)力越大，越容易產(chǎn)生疲勞開裂。在試驗(yàn)進(jìn)行到19 000次時，疲勞開裂，因此必須把焊點(diǎn)處的應(yīng)力盡量降低到材料抗拉強(qiáng)度的一半左右。以下為為降低焊點(diǎn)應(yīng)力所做的一些方案。

5 新方案CAE分析

5.1 方案一

由原方案的焊點(diǎn)應(yīng)力分布值我們看到，有些焊點(diǎn)應(yīng)力很大，達(dá)到161.7 MPa，而附近不遠(yuǎn)的地方焊點(diǎn)應(yīng)力只有113.5 MPa，由此判斷由于加強(qiáng)板限位器區(qū)域的剛度較差，造成只有一小部分焊點(diǎn)受力工況較惡劣，應(yīng)力分散不出來，因此可以在限位器安裝區(qū)域增加一條筋條（如圖6所示），提高此區(qū)域的剛度，實(shí)施此方案后，最大應(yīng)力變?yōu)?48.6 MPa（如圖7所示），下降8%;提高限位器區(qū)域的加強(qiáng)板剛度對應(yīng)力有所改善。

5.2 方案二

根據(jù)方案一的應(yīng)力值圖，應(yīng)力雖有下降，但下降幅度有限，仍然解決不了焊點(diǎn)疲勞開裂問題。因此，我們在原來的高應(yīng)力點(diǎn)附近增加焊點(diǎn)，分擔(dān)原來高應(yīng)力焊點(diǎn)的應(yīng)力。在方案一基礎(chǔ)上增加兩個焊點(diǎn)（如圖8所示），經(jīng)CAE分析，最大應(yīng)力變?yōu)?39.4 MPa（如圖9所示），下降6%。

在原來高應(yīng)力點(diǎn)附近增加兩個焊點(diǎn)，最大應(yīng)力依然是原來的焊點(diǎn)，且應(yīng)力下降不大，說明原來的焊點(diǎn)應(yīng)力沒有分散出去。

5.3 方案三

我們想驗(yàn)證繼續(xù)增加焊點(diǎn)是否還有效，因此在方案二基礎(chǔ)上又增加兩個焊點(diǎn)（如圖10所示），最大應(yīng)力下降為135.4 MPa（如圖11所示），下降2.8%。

由此可知，繼續(xù)增加焊點(diǎn)，最大應(yīng)力焊點(diǎn)沒有變化，且應(yīng)力下降不明顯，只靠增加焊點(diǎn)沒辦法把高應(yīng)力焊點(diǎn)的應(yīng)力分散出來。

5.4 方案四

通過方案一我們知道，增加限位器區(qū)域鈑金的剛度對改善應(yīng)力有效，因此我們又想其他的方法盡量提高加強(qiáng)板的剛度。除了加筋條對提高剛度有效外，增加翻邊也可提高零件的剛度。因此，在方案一的基礎(chǔ)上增加翻邊（如圖12所示），以驗(yàn)證對應(yīng)力是否有改善作用。經(jīng)分析，方案四的最大應(yīng)力為138.3 MPa（如圖13所示），下降14.4%。

增加翻邊提高了限位器區(qū)域的剛度，應(yīng)力有比較大的改善，說明提高剛度可以把高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力分散出去。

5.5 方案五

加筋條方案、加翻邊方案、加焊點(diǎn)方案雖然都可以降低焊點(diǎn)應(yīng)力，但是都無法大幅度地降低應(yīng)力，在多次的大力甩門后焊點(diǎn)仍有開裂風(fēng)險(xiǎn)。于是我們必須考慮一些創(chuàng)新方案，根據(jù)我們對參考車的研究，并通過拆車進(jìn)行了對比，我們發(fā)現(xiàn)“大眾途安L”在此處使用了結(jié)構(gòu)膠（如圖14所示）。結(jié)構(gòu)膠在涂裝車間烘烤后會變硬，把加強(qiáng)板和內(nèi)板連接起來，加強(qiáng)板和內(nèi)板原來通過幾個點(diǎn)進(jìn)行連接變成了加強(qiáng)板與內(nèi)板大面的連接，目前一些新上市的車都能見到結(jié)構(gòu)膠的身影。

在方案一基礎(chǔ)上，取消原來加強(qiáng)板與內(nèi)板貼合的一個焊點(diǎn)，增加結(jié)構(gòu)膠（如圖15所示），經(jīng)CAE分析，焊點(diǎn)最大應(yīng)力變?yōu)?1.9 MPa（如圖16所示），應(yīng)力下降43%，只相當(dāng)于內(nèi)板材料BUFD抗拉強(qiáng)度的35.3%。

增加結(jié)構(gòu)膠，使得原來靠點(diǎn)來受力變成靠面來受力，可大大降低焊點(diǎn)應(yīng)力。

6 更改方案

方案五的應(yīng)力下降43%，從數(shù)值上分析，方案比較有效，但是最終是否有效，還需造車進(jìn)行驗(yàn)證。

我們采用此方案造了一臺車，然后進(jìn)行過載試驗(yàn)，完成22 500次，焊點(diǎn)沒有開裂，長期方案按此實(shí)施。

7 總結(jié)

在車輛使用過程中，車門是經(jīng)常使用到的系統(tǒng)，考慮到不同人的使用工況，應(yīng)該盡量減小焊點(diǎn)的應(yīng)力到材料抗拉強(qiáng)度的一半以下，以保證系統(tǒng)的可靠性。通過方案一的加筋條及方案四的加翻邊，說明提高鈑金局部區(qū)域的剛度，對應(yīng)力減小有改善作用;通過方案五，結(jié)構(gòu)膠相對于焊點(diǎn)，結(jié)構(gòu)膠使得鈑金的點(diǎn)連接變成面連接，受力區(qū)域大，對應(yīng)力減小也有很大的改善作用。在以后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高焊點(diǎn)附近的剛度，同時可使用結(jié)構(gòu)膠改善應(yīng)力。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]