車身及后背門耐久性問(wèn)題的分析與解決

胡 釗，陳艷華，謝德艷

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研發(fā)總院，安徽 蕪湖 241000)

為滿足客戶和市場(chǎng)需求，各大主機(jī)廠都會(huì)對(duì)一些車型進(jìn)行外觀、配置及性能等方面的升級(jí)改造，以便延長(zhǎng)車型的生命周期。在改款設(shè)計(jì)中，為縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，車身的主體結(jié)構(gòu)一般是不變的，但偶爾會(huì)出現(xiàn)一些沿用件與新開(kāi)發(fā)件在質(zhì)量及性能方面的不匹配情況，進(jìn)而影響整車的耐久性和可靠性[1]。本文將針對(duì)年型車改款開(kāi)發(fā)驗(yàn)證過(guò)程中，某運(yùn)動(dòng)型多功能汽車(Sports Utility Vehicle，SUV)出現(xiàn)的后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側(cè)后背門鉸鏈安裝點(diǎn)頂蓋鈑金開(kāi)裂問(wèn)題，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程(Compute Aided Engineering，CAE)分析的基礎(chǔ)上加以解決。

1 問(wèn)題排查

某SUV車型改款設(shè)計(jì)后，在進(jìn)行強(qiáng)化路試的時(shí)候出現(xiàn)了后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側(cè)后背門鉸鏈安裝點(diǎn)頂蓋鈑金開(kāi)裂的現(xiàn)象。其中，密封條異常磨損位置(圖1)集中在門洞兩側(cè)中間靠下端部位；頂蓋鈑金開(kāi)裂位置(圖2)在沿焊點(diǎn)延伸約5 mm處，且左右對(duì)稱。

圖1 密封條異常磨損位置

圖2 頂蓋鈑金開(kāi)裂位置

對(duì)故障模式整車的后背門、密封條及車身骨架進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鈑金開(kāi)裂處焊點(diǎn)平整，型面匹配良好；后背門內(nèi)板與后背門門洞止口邊間隙(內(nèi)間隙)穩(wěn)定，符合產(chǎn)品公差要求。經(jīng)材料分析，密封條材質(zhì)亦能滿足產(chǎn)品要求?？紤]到改款后后背門的質(zhì)量較原型車約大6 kg，可初步判斷后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側(cè)后背門鉸鏈安裝點(diǎn)鈑金開(kāi)裂問(wèn)題的原因?yàn)?，沿用的車身骨架主體結(jié)構(gòu)及后背門安裝點(diǎn)剛度不能滿足新后背門的功能要求[2]。

2 CAE分析

2.1 后背門安裝點(diǎn)強(qiáng)度分析

通過(guò)CAE分析，可得表1所示原后背門安裝點(diǎn)強(qiáng)度分析結(jié)果。

表1 原后背門安裝點(diǎn)強(qiáng)度分析結(jié)果

由表1可知，在顛簸、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)工況下，頂蓋外板、后頂橫梁內(nèi)板、后頂橫梁加強(qiáng)板的局部均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但僅略超出當(dāng)前材料的屈服強(qiáng)度極限。經(jīng)計(jì)算，簡(jiǎn)單調(diào)整周邊件材料型號(hào)、料厚和局部焊點(diǎn)數(shù)量，即可解決此處的強(qiáng)度問(wèn)題[3]。

2.2 車身骨架及后背門系統(tǒng)性能分析

參考設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)新開(kāi)發(fā)的后背門總成進(jìn)行CAE分析，可得表2所示車身骨架及后背門系統(tǒng)性能分析結(jié)果。

表2 車身骨架及后背門系統(tǒng)性能分析結(jié)果

由表2可知：后背門橫向剛度、鉸鏈固定剛度(后背門)和鎖扣固定剛度，均能滿足目標(biāo)值的要求，且達(dá)到了行業(yè)內(nèi)較高水平；主體基本沿用的車身骨架的整體剛度勉強(qiáng)合格。

從汽車行駛過(guò)程的車身變形模式(圖3)及密封條受力情況(圖4)，可較直觀地看出：當(dāng)車身整體剛度不夠強(qiáng)、后背門鉸鏈安裝點(diǎn)剛度偏弱且后背門上無(wú)特定限位裝置時(shí)，在汽車行駛過(guò)程中，尤其在轉(zhuǎn)向或強(qiáng)化顛簸路況下，后背門的擺動(dòng)幅度勢(shì)必增大，會(huì)加劇密封條的磨損及車身上頂蓋外板在鉸鏈安裝點(diǎn)附近的疲勞問(wèn)題[4]。

圖3 汽車行駛過(guò)程的車身變形模式

圖4 汽車行駛過(guò)程的密封條受力情況

分析可知，對(duì)車身骨架及后背門系統(tǒng)存在的耐久性問(wèn)題，需要從安裝點(diǎn)強(qiáng)度、系統(tǒng)剛度以及后背門限位方式三方面進(jìn)行綜合考慮。

3 確定解決方案

3.1 車身骨架安裝點(diǎn)強(qiáng)度及剛度的提升

只要對(duì)后頂橫梁及其加強(qiáng)板、C柱(車后門玻璃與后擋風(fēng)玻璃之間的柱子)、內(nèi)板連接板等件的材料型號(hào)和料厚進(jìn)行優(yōu)化，即可有效解決頂蓋外板處的開(kāi)裂問(wèn)題，但這對(duì)整車扭轉(zhuǎn)及后背門鉸鏈安裝點(diǎn)剛度的改善無(wú)明顯作用，且出于增強(qiáng)目的的材質(zhì)變化勢(shì)必引起單車成本和質(zhì)量的增大，因此需結(jié)合CAE分析尋求更優(yōu)的解決方案。

通過(guò)計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，后背門鉸鏈安裝點(diǎn)剛度與鉸鏈位置、框架連續(xù)性、截面形狀、加強(qiáng)筋布置、工藝孔尺寸及料厚均有一定的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，鉸鏈安裝點(diǎn)越靠近側(cè)圍端，其剛度則越大；力的傳遞途徑越連續(xù)、框架結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，其剛度亦越大，同時(shí)整車剛度亦越高；減小工藝孔尺寸、增大加強(qiáng)筋規(guī)格，對(duì)于改善局部強(qiáng)度和剛度均有較明顯的作用，但料厚變化的影響則不大[5]。

本文從保證后背門的截面連續(xù)性出發(fā)，對(duì)后頂橫梁內(nèi)板的局部型面進(jìn)行更改，并參考文獻(xiàn)[6]增設(shè)了后背門鉸鏈加強(qiáng)板。圖5所示為改進(jìn)前后的后背門截面現(xiàn)狀。對(duì)改進(jìn)后后背門安裝點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行CAE分析，得到的結(jié)果如表3所示。改進(jìn)后，后背門安裝點(diǎn)強(qiáng)度滿足了要求；同時(shí)，車身骨架上鉸鏈固定剛度從原來(lái)的620 N/mm提升至1 019.7 N/mm，白車身扭轉(zhuǎn)剛度也從原來(lái)的14 614 N·m/(°)小幅提升至14 800 N·m/(°)。

(a) 改進(jìn)前

表3 改進(jìn)后后背門安裝點(diǎn)強(qiáng)度的CAE分析結(jié)果

3.2 后背門限位方式的改進(jìn)

對(duì)于車身及后背門上無(wú)特定機(jī)構(gòu)保證Y向(即車身的左右方向)限位的情況，為保證裝配準(zhǔn)確性，一般的預(yù)留公差為±(1.0～1.5)mm，顯然汽車在行駛過(guò)程中可擺動(dòng)的幅度會(huì)比較大。根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]增設(shè)圖6所示后背門限位機(jī)構(gòu)后，可將Y向理論間隙減小至0 mm，明顯改善密封條的Y向磨擦滑動(dòng)。

圖6 后背門限位機(jī)構(gòu)

4 路試驗(yàn)證

本文所用30 000 km綜合路試路段包括一號(hào)綜合路、二號(hào)綜合路、比利時(shí)路、性能路、高速環(huán)道、二號(hào)環(huán)道及標(biāo)準(zhǔn)坡道。按照整體循環(huán)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，最終未出現(xiàn)后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側(cè)后背門鉸鏈安裝點(diǎn)頂蓋鈑金開(kāi)裂的現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

車身及后背門處發(fā)生的耐久性問(wèn)題，通常都有多個(gè)誘因，而且各誘因間相互關(guān)聯(lián)。出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)通過(guò)CAE分析并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行多維度排查，確定成本更低、更有效且能更快捷實(shí)施的方案，以成功解決后背門區(qū)域的密封條異常磨損和頂蓋鈑金開(kāi)裂問(wèn)題。