基于某車型車頂癟塘問題的分析與解決

楊杰 代朝剛 李佳旭

摘 要：本文基于某車型行李架安裝導致的車頂癟塘問題，通過對車頂行李架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析建立了車頂變形量公式，提出了減小泡棉有效接觸面積和減小泡棉彈性模量兩種解決方案，并通過實車試驗和有限元仿真驗證了方案的有效性，最終解決了該車頂癟塘問題。

關(guān)鍵詞：行李架 車頂癟塘 泡棉 有限元仿真

Abstract：Based on the roof deformation problem after roof rack’s assembling， this paper analyzed the construction of roof rack system and built a formula of roof deformation. Two solutions were raised and verified through real car test and finite element model simulation. One solution is to reduce the contact area of roof rack foam. The other solution is to reduce the elastic modulus of foam. The proposed schemes have successfully solved the roof deformation problem.

Key words：roof rack， roof deformation， foam， finite element model simulation

1 引言

隨著SUV市場的逐漸擴大，自駕游和家用儲物需求也與日俱增，車頂行李架的運用不僅彌補了車后行李艙空間的不足，也給SUV車型增加了運動感和時尚感[1]，行李架變成了各大主機廠SUV車型的標準配置。在主機廠車間行李架安裝過程中，車頂癟塘已經(jīng)成為各大主機廠的普遍問題，癟塘現(xiàn)象為客戶可感知外觀缺陷，在車型預批量階段亟待解決。某主機廠某車型在預批量生產(chǎn)階段在未安裝行李架前車頂無癟塘現(xiàn)象，當使用擰緊槍安裝完行李架后，在固定點之間的區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯的車頂癟塘，且發(fā)生癟塘的概率為80%，針對這一常見問題，本文將系統(tǒng)分析車頂癟塘產(chǎn)生的原因并提出相應的解決方案。

2 車頂癟塘成因分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示為某車型車頂貼附式行李架，貼附式行李架即行李架底面與車頂完全貼合，圖2為該行李架的車身固定方案，行李架通過拉鉚螺母、車頂鈑金、車頂鈑金加強板、螺母固定到車身鈑金。在行李架底部設計了EPDM泡棉（見圖3），其作用為密封、防塵和外觀縫隙遮蔽等，其與車頂為過盈設計，有一定的預壓縮率，預壓縮率一般為30%-50%。

針對該車型行李架造型進行分析，導致車頂癟塘變形主要有兩個因素：一為螺母擰緊過程中對固定點區(qū)域的壓力;二為行李架安裝過程中和安裝后固定點之間泡棉與車頂鈑金過盈配合，泡棉對車頂產(chǎn)生的壓力，因此車頂癟塘發(fā)生區(qū)域有兩種，如圖4中的區(qū)域A和區(qū)域B。在固定點附近的區(qū)域A由于有車頂鈑金加強板（如圖2所示），車身強度較高，不易癟塘，但在非固定點區(qū)域B，車頂鈑金強度相對較弱，車頂容易產(chǎn)生變形，本文某車型癟塘即發(fā)生在區(qū)域B。

2.2 車頂癟塘公式

由行李架結(jié)構(gòu)分析可知，導致車頂癟塘抱怨的車頂變形量Δ與各因素之間的關(guān)系可以描述如下：

其中：

Δ：由行李架安裝導致的車頂變形量;

：密封泡棉的彈性模量，對于EPDM發(fā)泡材料來說，其彈性模量與壓縮時間及壓縮率相關(guān)，非恒定值;

：實際壓縮狀態(tài)泡棉與車頂?shù)挠行Ы佑|面積;

：泡棉實際壓縮率;

：車頂剛度;

：車頂變形系數(shù)，對某一特定車型而言該系數(shù)為恒定值;

：初始泡棉厚度;

：行李架安裝后泡棉厚度;

對于車頂剛度而言，預批量階段的車頂鈑金材料、厚度、油漆工藝方案和車身強度已確定，且與整車碰撞性能相關(guān)，一般在車輛預批量階段不宜做設計更改，本文則主要從車身鈑金以外的因素進行分析優(yōu)化來解決車頂癟塘問題。

泡棉壓縮率與泡棉的密封性能息息相關(guān)，大部分半閉孔和閉孔泡棉實現(xiàn)密封功能的壓縮率范圍為30%-50%。通過減少泡棉壓縮率為40%、30%、20%，實車安裝測量車頂變形量，發(fā)現(xiàn)該范圍的變化對車頂變形量的變化影響較小，壓縮率的更改無法解決本文某車型的癟塘問題，因此試驗數(shù)據(jù)不做贅述。

對于泡棉彈性模量而言，不同種類的泡棉彈性模量的性能差異較大，閉孔/半閉孔之間的差異也極大，為車頂變形量的關(guān)鍵因素，車型癟塘的解決方案則可從此因素著手，此項為一般考慮項。

泡棉與車頂?shù)挠行Ы佑|面積為另外一個影響車頂癟塘變形的重要因素，在解決癟塘問題時以泡棉的密封性要求及外觀要求為前提，保證必要的有效接觸面積，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)泡棉的彈性模量/壓縮率設法較小泡棉的面積。

綜上所述，針對由行李架引起的車頂癟塘問題，主要的解決途徑有兩個：一是減小泡棉的彈性模量;二是減小泡棉的有效接觸面積。本文將以某車型為例，從實驗和仿真兩方面進行兩種途徑的詳細分析和驗證。

3 解決方案

上一章節(jié)我們分析了車頂癟塘的具體原因，并找到了主要解決途徑，具體解決方案主要有如下兩種。

3.1 減小泡棉的有效接觸面積

如圖3所示，為本文某車型行李架的泡棉，與車頂?shù)挠行Ы佑|面積為459cm2，根據(jù)公式（1），我們可以通過減小泡棉與車頂?shù)挠行Ы佑|面積來減小車頂?shù)淖冃瘟?，解決方案為將泡棉切割，切割后的有效接觸面積為240 cm2，如圖5所示，在壓縮量不變的情況下壓縮應力可降低47.8%。由此推測，車頂變形量也可相應降低47.8%。

接下來將通過實車驗證該方案對車頂癟塘的有效解決。

3.2 減小泡棉的彈性

本文癟塘問題車型采用的泡棉為Interep 75-0閉孔泡棉，在40%壓縮率下壓縮應力為33kPa，根據(jù)公式（1），我們在不改變該車型壓縮時間與壓縮率的前提下，減小泡棉自身的彈性模量，即減小泡棉的硬度，采用硬度相對較小的Nitto EE-1010泡棉，在40%壓縮率下壓縮應力為8kPa，其參數(shù)對比見表1，在壓縮量不變的情況下理論壓縮應力可降低75.6%，由此推測，車頂變形量也可相應降低75.6%。

后文將進行實車裝車試驗來驗證該解決方案的有效性。

4 試驗驗證

本章將依據(jù)上述理論分析方案進行試驗驗證。因為行李架鋁桿本身的剛度遠大于車頂，其在安裝過程中因泡棉擠壓而產(chǎn)生的變形與車頂變形量相比可忽略不計，所以這里直接通過測量行李架與車頂之間的縫間隙來評估車頂變形量。為排除初始車頂偏差及零件尺寸偏差，以一組無泡棉行李架安裝后的間隙值作為基準點，通過式（2）間隙變化值來量化評價不同措施方案對減小車頂癟塘的效果。

其中

：不同方案行李架與車頂之間的間隙值;

：無泡棉行李架與車頂之間的間隙值;

：間隙變化值;

具體實施如上圖6，在行李架固定點1-2，2-3，3-4之間均勻選取測量點15個，分別測試四種方案行李架安裝后的間隙值，評價不同方案對車頂癟塘的優(yōu)化效果。五組測量結(jié)果為：A）無泡棉間隙，即基準間隙值;B）75-0，即硬泡棉間隙值;C）75-0切割后間隙值;D）E1010，即軟泡棉的間隙值;E）75-0 24h后，即硬泡棉安裝24小時后間隙值。試驗結(jié)果見表2和圖7。

4.1 減小泡棉有效接觸面積的實車驗證結(jié)果

從圖7中可以看出，原始狀態(tài)泡棉安裝后，泡棉擠壓導致車頂?shù)淖畲笞冃瘟?.3mm在8號點，如使用切割泡棉，測量點8變形量減少到0.65mm，變形量減小約50%，與2.1節(jié)的推測結(jié)論一致，車頂癟塘明顯改善，但0.65mm的變形量導致的車頂癟塘依然被明顯感知。

4.2 減小泡棉彈性的實車驗證結(jié)果

若采用半閉孔軟泡棉，從圖7中可以看出，測量點8變形量降至0.2mm，變形量減小約85%，與2.2節(jié)的推測結(jié)論一致，且0.2mm的變形量較小，視覺無法感知，車頂癟塘問題有效解決。

綜上，最終采取方案二，有效解決了車頂癟塘問題。

4.3 壓縮應力下泡棉彈性變化對癟塘問題的影響

需要指出的是，在解決實際工程問題過程中，還需要考慮泡棉固有特性，即其在承受持續(xù)的壓應力作用下，模量會隨時間逐漸變小。

此特性表現(xiàn)為行李架安裝一段時間后所受到的泡棉擠壓力將逐漸減少，車頂癟塘現(xiàn)象將得到改善。從實車驗證結(jié)果圖8可知，閉孔泡棉75-0在安裝24小時后測量點8變形量從1.3mm減至0.6mm，減小約53.8%。實際工程應用中，當出現(xiàn)輕微的癟塘現(xiàn)象時，可以放置24小時之后再進行評價，其癟塘現(xiàn)象通常會消失。

5 有限元仿真驗證

使用有限元計算的方法對實際問題進行仿真，并將潛在措施在虛擬環(huán)境下進行驗證，通?？梢杂行Ч?jié)約試驗資源，大幅提高問題解決效率[2]。在解決車頂癟塘問題過程中，也引入了有限元仿真方法，如圖9為車頂行李架系統(tǒng)癟塘有限元仿真模型。

對車頂鈑金、行李架主桿、行李架泡棉劃分網(wǎng)格[3]。在車頂鈑金周邊焊接處及行李架加強板處設置約束，在行李架主桿與泡棉、泡棉與車頂之間設置接觸。在建模前處理過程中將行李架沿Z向移動+3mm，并在計算過程中將Z向-3mm位移載荷加載至行李架，以此準確模擬行李架安裝過程中泡棉對車頂?shù)臄D壓作用。

使用該模型計算車頂鈑金受泡棉擠壓的變形量，復現(xiàn)初始75-0泡棉車頂癟塘的問題，并驗證E1010和切割的75-0泡棉兩個方案的改善效果。為便于比較，選取行李架邊緣處的車頂變形量并作曲線評估。

此外需要指出，有限元模型基于零公差的理想狀態(tài)建立，無法模擬實際生產(chǎn)過程中的諸多因素。鑒于車頂變形量僅約1mm，相對車頂整體尺寸（約2000mm）非常小，且車身制造存在公差，試驗測量也存在誤差，因此仿真得出的車頂變形量與試驗測得的車頂變形量在數(shù)值上直接對比的意義不大，相比之下同為仿真環(huán)境下的多工況對比則更有參考意義。

除用于解決實車車頂癟塘問題外，在前期開發(fā)過程中，應用該模型將新項目與過往項目進行對比，可以對新項目方案在預批量階段發(fā)生車頂癟塘問題的風險進行評估，從而為行李架系統(tǒng)開發(fā)提供有益指導。

5.1 減小泡棉接觸面積

圖10對比了75-0泡棉切割前后的車頂變形情況。對行李架中心位置觀察，對應試驗測量點8。未切割泡棉的行李架在測量點8引起的車頂變形為0.51mm，切割泡棉的行李架引起的車頂變形為0.31mm，變形量減小39.2%，與2.1節(jié)分析得出的結(jié)論47.8%和3.1節(jié)實車試驗的結(jié)果50%較為一致，車頂癟塘得到有效改善。

相比試驗中15個離散的測量點，有限元模型可以得到連續(xù)的車頂變形情況。在圖10切割后的75-0泡棉工況中，測量點8處的車頂變形量相較前后的測量點有明顯增加（約0.05mm），這是由于此處位于第二、三段泡棉的連接處（圖11），無法被切割，而測量點8位于行李架中心位置，為車頂癟塘問題最為嚴重的區(qū)域。即切割泡棉的方案本身具有一定局限性，限制了它的實際改善效果。

通過以上分析可以得出，通過切割泡棉來減小車頂變形時，除了切割面積的大小外，還需要考慮切割區(qū)域的分布情況，未被切割的區(qū)域依舊會引起較大的車頂變形。

5.2 減小泡棉彈性

圖12對比了兩種不同彈性模量泡棉引起的車頂變形情況。原始75-0泡棉行李架在測量點8引起的車頂變形為0.51mm，彈性較小的E1010泡棉行李架在測量點8引起的車頂變形為0.16mm，變形量減小68.6%，與2.2節(jié)分析得出的結(jié)論75.6%和3.2節(jié)實車試驗的結(jié)果80%較為一致，車頂癟塘明顯改善，問題得到解決。

根據(jù)仿真結(jié)果進一步分析泡棉彈性對車頂變形的影響規(guī)律。除了測量點8為癟塘最嚴重的區(qū)域外，選擇行李架第一、二固定點和第三、四固定點之間的車頂變形量進行比較，分別對應試驗測量點3和13。測量點3處75-0和E1010引起的車頂變形量分別為0.36mm和0.12mm;測量點13處75-0和E1010引起的車頂變形量分別為0.51mm和0.15mm。即測量點3、8、13處的車頂變形量通過降低泡棉彈性分別減小了66.7%、68.6%、70.6%，十分接近。結(jié)合圖12中75-0與E1010兩條曲線趨勢基本一致，不難看出E1010近似為75-0等比例降低。

通過以上分析可以得出，泡棉彈性模量與車頂變形量存在近似線性關(guān)系，降低泡棉彈性模量對解決車頂癟塘問題具有顯著效果。

6 結(jié)論

依據(jù)本文提出的車頂癟塘公式及試驗驗證得知，解決行李架導致的車頂癟塘問題，可以考慮減小泡棉的有效接觸面積或采用低彈性模量的泡棉，后者效果更佳。另外，本文建立了一種行李架車頂癟塘有限元仿真模型，相較試驗可以獲得更細致的結(jié)果，在解決實車問題時可以評估措施的有效性，也可以在項目前期開發(fā)過程中預判發(fā)生車頂癟塘風險。

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