某車型前風(fēng)窗立柱脫落問題對策研究

樊友嗣 段小草 楊偉民 張超 晏臨風(fēng)

樊友嗣

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于神龍汽車有限公司技術(shù)中心車身內(nèi)部裝備室，任中級工程師，主要研究方向：座艙域內(nèi)部裝備件產(chǎn)品開發(fā)，已授權(quán)2份發(fā)明專利和13份實用新型，并發(fā)表11篇行業(yè)論文和4份企業(yè)標準的編制。

摘要：某車型前風(fēng)窗立柱護板高溫暴曬后出現(xiàn)脫落的質(zhì)量故障，在售后市場的質(zhì)量抱怨一度非常高，嚴重影響了正常使用，損壞了公司品牌形象。基于前風(fēng)窗立柱區(qū)域功能設(shè)計原理和有限元建模分析，分析故障產(chǎn)生的根本原因，提出相應(yīng)的改進措施，并給出了經(jīng)濟便捷的售后故障維修方法。同時，將相關(guān)零件的技術(shù)要求納入產(chǎn)品設(shè)計指南中，用于指導(dǎo)后續(xù)車型的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：感知質(zhì)量;ANSYS分析;前風(fēng)窗內(nèi)護板;頂棚;氣簾

中圖分類號：U465 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2021） 06-0012-05

Countermeasures On AVehicle's A-pillar Shedding Problem

FAN You-si， DUAN Xiao-cao， YANG Wei-min， ZHANG Chao， YAN Lin-feng

（ Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD，

Wuhan 430056， China）

Abstract： After high temperature exposure，a quality problem has occurred in one vehiclesuch as A pillar is prone to fall off. It seriously affected the customers' normal use， got a lot ofquality complaints in the aftermarket， and damaged the company's brand image. Based on thedesign principles and finite element modeling， the paper analyzes the root causes of thefailure， proposes the corresponding improvement measures， and gives the economical andconvenient fault maintenance methods. At the same time， the technical requirements ofrelated parts are incorporated into the product design guidelines to guide the design ofsubsequent vehicles.

Key Words： Perceived Quality; ANSYS; A-pillar; Roof; CAB

前言

隨著時代的發(fā)展，市場對汽車安全性和側(cè)面碰撞得分的要求不斷提高。為此，某主機廠為前風(fēng)窗立柱內(nèi)護板（下文簡稱A柱上護板）設(shè)計了全新的斷面，并在全球項目中進行推廣。新的設(shè)計，滿足了電器擴展的需要（護板內(nèi)部空間充裕），同時兼顧了安全性能（側(cè)氣簾展開）和用戶感知質(zhì)量（密封條不再可見）的要求。但是，同時也帶來前風(fēng)窗立柱高溫暴曬后，密封條容易脫出的質(zhì)量缺陷。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能要求

1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

前風(fēng)窗立柱護板是座艙立柱護板系統(tǒng)的重要組成部分，通常布置在前風(fēng)窗左右兩側(cè)，可以增加乘客的舒適度，提供優(yōu)雅的內(nèi)飾外觀。立柱護板對鈑金、車身零件、電子線束和側(cè)撞塊等提供傳輸和裝接結(jié)構(gòu)。某主機廠采用固定卡扣上置于前風(fēng)擋玻璃區(qū)域的布置方式，以便于給氣簾、線束、天窗水管避讓出更多的布置空間。同時，也便于利用氣簾展開時，通過氣袋表面所產(chǎn)生的張力來推開內(nèi)護板，從而達到側(cè)氣簾展開時，氣簾拉帶也能同步拉出的功能要求。

1.2功能要求

根據(jù)某主機廠的最新技術(shù)要求，A柱上護板需使用P/E-MDIO材料，以滿足在-35℃條件下不能被CAB擊碎。同時，A柱上護板需要在CAB展開過程中，具有繞X軸方向旋轉(zhuǎn)的自由度，以保證CAB拉帶順利脫出護板，實現(xiàn)CAB的充分展開，達到保護乘員頭部的目的。

2 質(zhì)量現(xiàn)狀

2.1故障照片

據(jù)售后部門故障反饋，用戶車輛在高溫暴曬后，批量性出現(xiàn)前風(fēng)窗立柱護板密封條脫出的質(zhì)量問題。產(chǎn)品售后不良率達到3%，導(dǎo)致售后車輛維修成本增加。

3 原因分析

3.1結(jié)構(gòu)分析

前風(fēng)窗立柱護板卡扣布置在一條直線上，采用偏上的布置方式。從設(shè)計角度無法滿足產(chǎn)品定位的同位法則，導(dǎo)致護板存在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)險;同時由于和密封條配合區(qū)域沒有設(shè)計有效的固定結(jié)構(gòu)，前風(fēng)窗立柱護板受熱變形后，密封條容易產(chǎn)生分離。此外，護板還需要兼顧氣簾低溫點爆性能，護板的選擇需要保證產(chǎn)品具備足夠的柔韌性，進而導(dǎo)致提升產(chǎn)品整體剛性的空間受到一定的限制。

3.2材料分析

選定的P/E-MDIO材料（參數(shù)見表1）具有較高的缺口沖擊強度，可以滿足在-35℃條件下不被CAB擊碎;該材料的彎曲模量1300MPa，滿足護板在CAB展開過程中抗變形要求。然而，其熱變形溫度（Heat Deflection Temperature，HDT）僅為1000C，無法滿足7BF循環(huán)的要求（耐老化試驗，每周期25h，循環(huán)7次，最高溫100 0C）。

3.3性能管理

前風(fēng)窗立柱設(shè)計時，既要滿足零件自身和整車暴曬試驗要求，又要滿足整車系統(tǒng)安全性能要求。為確保前風(fēng)窗立柱內(nèi)護板和密封條之間的可靠性，需要在前風(fēng)窗立柱內(nèi)護板上增加同密封條掛鉤，以防止密封條脫落。同時，這個掛鉤設(shè)計應(yīng)不影響側(cè)氣簾點爆時的正常展開，保證氣簾能覆蓋到所有乘駕人員的頭部空間，能實現(xiàn)拉帶完全拉開的功能。

3.4尺寸管理

護板的Y向定位，部分依賴于護板與密封條的裝配關(guān)系。在實際生產(chǎn)中，由于護板與密封條裝配的一致性受人為因素、環(huán)境件等影響，無法保證裝配質(zhì)量的穩(wěn)定。按照統(tǒng)計學(xué)方法進行公差計算分析，此處的尺寸鏈環(huán)組成如表2所示。

基于產(chǎn)品定義進行分析，A柱上護板與密封條的搭接量為7.5mm，通過計算得出，此處公差帶寬約3.5mm，即極限狀態(tài)下，理論最小搭接量約為5.75mm（7.5mm-1.75mm）左右，足以保證密封條的搭接量，不會出現(xiàn)A柱上護板脫出缺陷。然而，由于尺寸鏈過長，影響因素過多，理論值僅可參考。

舉例而言：假定護板、密封條、鈑金的尺寸不合格（即超過公差帶范圍）零件占比為1%，至少存在一項超差的整車數(shù)量占比將達到3%，考慮到左右件相互獨立，該值將達到6%。若設(shè)計的搭接量對于尺寸超差的冗余不足，工業(yè)化階段將呈現(xiàn)出高頻次缺陷的狀態(tài)。以上，尚未將密封條裝配公差納入考慮。

3.5分析結(jié)論

綜上所述，造成前風(fēng)窗立柱內(nèi)護板高溫后脫出密封條的因素較多，需要從材料、結(jié)構(gòu)、性能、裝配性等多個維度進行綜合性管理。但是關(guān)鍵性因素可以歸納為以下兩項：

（1）護板的材料選擇，在滿足氣簾氣溫沖擊性能的情況下，可以研究使用彈性模量和耐高溫性能更高的材質(zhì)，以便于提升產(chǎn)品的耐候性和剛性指標。

（2）護板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究在密封條區(qū)域增加掛鉤的技術(shù)可能性，以加護板和密封條裝配后的固定強度，增加護板旋轉(zhuǎn)過程中的阻力。

4 改進對策

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

護板下端增加掛鉤結(jié)構(gòu)與密封條相配合，避免在常溫和高溫使用過程中密封條從護板中脫出。同時，側(cè)氣簾延伸至前風(fēng)窗內(nèi)護板內(nèi)lOOmm，并且增加氣簾充氣體積，增加氣簾氣袋展開時推開護板的表面應(yīng)力。

4.2材料優(yōu)化

從斷面分析，該主機廠設(shè)計的護板與密封條之間的裝配方式，依賴于護板C形開口形狀成型后的內(nèi)縮在被密封條撐開過程中形成的內(nèi)應(yīng)力O。開口越?。ㄊ芄に?、材料收縮率影響），撐開后的變形量越大，內(nèi)應(yīng)力O越集中，則卡接越牢固。然而，護板長期處于變形狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力將隨時間推移而逐漸釋放（高溫高濕環(huán)境將加速這一過程），最終內(nèi)壓，護板將呈現(xiàn)應(yīng)力松弛狀態(tài)，夾緊力（即密封條支撐力F）大幅降低，阻尼掛鉤效果隨之大幅衰減，A柱上護板脫出密封條的缺陷也由此產(chǎn)生。

由此，從材料和結(jié)構(gòu)兩個角度考慮，在模具已經(jīng)加工完成的境況下，可以給出以下優(yōu)化路線：

（1）減小材料的收縮率，降低零件成型后的開口收縮量，進而減小零件長期受力下的永久變形量，降低應(yīng)力的集中程度，延緩應(yīng)力松弛的過程。

（2）提高材料的彎曲模量，增強零件的抗變形能力，以更小的零件變形量提供必要的夾緊力，提高應(yīng)力松弛后的剩余應(yīng)力，延長零件壽命。

（3）提高材料的熱變形溫度，提升零件抗高溫老化能力。

（4）加大掛鉤搭接量，提高應(yīng)力松弛后零件脫出的阻尼閾值。

其中，根據(jù)第四條優(yōu)化路線，在不影響滑塊出模的前提下，盡可能增加阻尼掛鉤搭接量。

而根據(jù)前三條優(yōu)化路線，可以選擇一款P/E-MD20的材料作為替代，其與現(xiàn)用P/E-MDIO材料物性對比見表3。

顯然，新選擇的某款P/E-MD20材料具備更小的收縮率（意味著更小的變形量），更高的彎曲模量（意味著更長的應(yīng)力松弛過程），更高的HDT（意味著更強的抗老化能力）以及相對偏低的常溫缺口沖擊強度（意味著相對較差的韌性，一35℃條件下有被CAB擊碎的風(fēng)險）。

由此可見，新材料在滿足美學(xué)功能方面，其性能全面占優(yōu)，僅低溫條件下的CAB擊碎風(fēng)險，有待實驗驗證。表3某款P/E-MDlO與某款P/E-MD20關(guān)鍵物性對比

4.3有限元計算

從ANSYS分析結(jié)果可以看到，在相同負載的情況下，紅色區(qū)域最大位移從4.7mm降低到了3.2mm，即實現(xiàn)了在相同的夾緊力條件下，新材料零件只需要原材料零件68%的變形量即可。

從CAB實驗驗證結(jié)果可見，新材料零件既滿足了-35℃條件下不被CAB擊碎的需求，也滿足了23℃條件下CAB拉帶完全脫出的需求;而A柱上護板經(jīng)夏季暴曬后脫出密封條缺陷的缺陷率，由改進前的大于50%，大幅降低至1%（由尺寸鏈累積帶來，受限于工藝水平，無法避免，需在車輛出庫前進行人工篩查）。至此，成功實現(xiàn)了安全性能和美學(xué)功能的平衡統(tǒng)一。

5 改進效果

本項目通過采用更換護板材料、增加密封條掛鉤、縮小產(chǎn)品開口尺寸以及優(yōu)化裝配工藝等措施，有效降低了該款車型前風(fēng)窗立柱護板高溫暴曬后密封條出現(xiàn)脫落的質(zhì)量故障。降低了售后車輛的維修成本，提升了整車及部件的質(zhì)量水平。

5.1經(jīng)濟效益

5.1.1計算公式

成本收益=單車維修成本×產(chǎn)品缺陷率×車輛銷售數(shù)量。

5.1.2參數(shù)評估

以往項目，如P8/C4，發(fā)生A柱脫出密封條故障后，只能進行返修，如A柱沒有發(fā)生變形，則需要增加蘑菇搭扣，將A柱護板與密封條緊固。如A柱發(fā)生變形，則需要重新更換A柱并增加蘑菇搭扣，以防止后續(xù)變形。

單車維修成本包含更換零件和維修工具包兩部分。更換零件：單車按照360RMB/車（包括零件成本130RMB/件，維修工具包10RMB/套及維修工費90）。

5.2實際效益

僅按照增加維修包，不更換A柱內(nèi)護板的方案測算。目前P24/R83開始采用這種新的解決方案，度銷量按照4000臺計算，則每年的節(jié)約成本：4000×12×55=26.4WRMB/年。

5.3潛在收益

后續(xù)量產(chǎn)車型E43、P54等按照神龍公司2022年銷量15萬來評估。預(yù)計每年潛在降低成本收益：15×55=825WRMB/年。

6 結(jié)束語

相同的斷面已經(jīng)并將繼續(xù)在該主機廠多款車型上應(yīng)用。因此，本文對A柱上護板脫出密封條的失效模式分析，對于該主機廠未來的質(zhì)量提升具有深遠意義。

本文借助魚刺圖對產(chǎn)品失效模式進行綜合分析，并借助ANSYS軟件，對A柱上護板的失效模式做了定量刻畫，打破了以往單純“依賴經(jīng)驗直覺，反復(fù)試錯”的低效工作模式，直接點明了問題的核心在于結(jié)構(gòu)和材料本身，尤以材料為甚。最終，在理論分析和仿真計算的雙重輔助下，找到了理想的材料，平衡了安全性能和美學(xué)功能要求，為以后車型解決類似缺陷提供了新思路和新方法。

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專家推薦語

康明

東風(fēng)商用車技術(shù)中心工藝研究所所長

材料科學(xué)與工程 研究員級高級工程師

本文屬現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量改善范疇的文章，作者通過對某車型前風(fēng)窗立柱護板經(jīng)高溫爆哂后密封條出現(xiàn)脫落的質(zhì)量故障，從結(jié)構(gòu)、材料等方面分析了故障產(chǎn)生的原因，提出了相應(yīng)的改進措施，并給出了經(jīng)濟便捷的售后故障維修方法。同時，將相關(guān)零件的技術(shù)要求納入到了產(chǎn)品設(shè)計指南中，用于指導(dǎo)后續(xù)車型的設(shè)計。本文尚有新意，數(shù)據(jù)可靠，具有一定的實用性。