車身防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及應(yīng)用分析

俸萬存，宋 睿，唐東升，閆俊濤

車身防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及應(yīng)用分析

俸萬存，宋 睿，唐東升，閆俊濤

（威馬汽車科技集團有限公司，四川 成都 610100）

汽車車身的腐蝕問題已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的重點問題之一，因此，有必要對車身防腐性能進行提升。文章通過對汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計不當導致鈑金腐蝕的原因進行分析，從車身防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟、電泳、排水排液、濕區(qū)密封、車身防石擊等幾方面，對提高車身防腐性能的設(shè)計方法進行了闡述。從而使汽車工作者在車型設(shè)計之初就可以有效地保證車身整體防腐性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并且降低后期模具設(shè)變和工藝驗證成本。

車身結(jié)構(gòu)；防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計；腐蝕原因；設(shè)計方法；汽車車身；應(yīng)用分析

隨著人們對汽車的認知越來越高，對汽車性能的要求也越來越高，尤其是高質(zhì)量的涂裝外觀和持久的耐腐蝕能力。如果車身基體金屬發(fā)生腐蝕，可能會影響到車身的強度與剛度；間接或者直接降低車身安全性能，導致車輛在碰撞時候傷及司乘人員[1]。車身防腐是一個系統(tǒng)工程，貫穿汽車設(shè)計到生產(chǎn)使用的整個生命周期，以下重點從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度提高車身防腐性能進行簡要闡述。

1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計不當腐蝕的情況分析

車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計是產(chǎn)品防腐質(zhì)量的源頭，也是問題產(chǎn)生的根源。電泳涂裝在白車身表面及空腔結(jié)構(gòu)提供了最基礎(chǔ)的防腐措施，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是降低防腐能力引起車身腐蝕的主要原因之一，主要表現(xiàn)在以下幾種類型：

（1）沙石擊打區(qū)域存在裸漏鈑金，無防護，表面漆層受到外物機械作用（碎石、泥沙撞擊等）而劃傷受損，導致腐蝕的發(fā)生，主要集中在車輛的底面和側(cè)面；

（2）車身內(nèi)腔電泳結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，如涂裝材料流通的電泳孔、排氣孔、排液孔和間隙不合理，導致電泳泳透力差防護不良，降低防腐能力，主要集中在A、B、C柱下部及門檻區(qū)域；

（3）車身外部結(jié)構(gòu)設(shè)計不當，存在封閉的沉臺結(jié)構(gòu)，導致泥水和鹽積存而無法排出，造成車身腐蝕；

（4）未根據(jù)白車身排水的流向進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如前后流水槽的搭接結(jié)構(gòu)，在搭接面存在滲水而產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象；

（5）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，在干濕分區(qū)密封面有滲水，造成銹蝕；

（6）排水途徑區(qū)域結(jié)構(gòu)不合理，導致銹蝕或流黃水，外觀容易被用戶感知到。

2 車身防腐設(shè)計的流程及原則

2.1 車身防腐蝕設(shè)計步驟

圖1 車身防腐設(shè)計步驟

圖1為車身防腐設(shè)計步驟。

2.2 改善車身電泳性能的設(shè)計方法

（1）首先確定排氣排液的角度：根據(jù)電泳工藝車身在進槽、電泳、出槽過程的姿態(tài)及運轉(zhuǎn)軌跡，車身開閉件的固定角度，分析車身內(nèi)外部的電泳液和氣流的走向，確定排氣排液的可行角度；

（2）根據(jù)排氣排液角度，設(shè)計凸臺或凹臺拔模角，避免積氣或積液；

（3）腔體斷面設(shè)計時應(yīng)注意對間隙、電泳液的流動及排氣進行有效控制；

（4）內(nèi)腔結(jié)構(gòu)電泳孔大小、布置設(shè)計原則（見表1），根據(jù)層間距選擇開孔孔徑和間距；

表1 電泳孔設(shè)計原則

基本結(jié)構(gòu)圖示設(shè)計項目開孔尺寸/mm 二層結(jié)構(gòu)層間距離5～75～7 開孔間距100～200200～300 開孔孔徑10～2020～30 三層結(jié)構(gòu)層間距離5～75～7 開孔間距50～100100～200 開孔孔徑10～2020～30

（5）通過破檢電泳試驗車，優(yōu)化電泳孔設(shè)計。

2.3 車身濕區(qū)面的排水設(shè)計

考慮雨水在車身的流向，檢查濕區(qū)面設(shè)計結(jié)構(gòu)是否存在積水的凹坑和阻擋流水使水流不暢的角度。

2.4 車身干濕分區(qū)面的密封設(shè)計

在漏雨、漏氣、漏灰嚴重的部位應(yīng)采用焊縫內(nèi)、外雙重密封。

2.5 車身的防石擊區(qū)域劃分和設(shè)計方法

（1）車身外觀可視區(qū)域。側(cè)圍外板與門板下部是用戶直接可見區(qū)域，這類的防石擊設(shè)計需要通過石擊模擬仿真計算，設(shè)計成被石擊概率小的區(qū)域；

（2）綜合評估車身底護板防護盲區(qū)。因汽車在行駛過程中，底部會產(chǎn)生石擊，破壞電泳漆造成腐蝕。綜合考慮外飾底護板、塑料門檻對車身鈑金的防護，是否存在未防護到的盲區(qū)，對此區(qū)域設(shè)計抗石擊涂料，避免因石擊破壞電泳漆而引起的腐蝕；

（3）需考慮車輪飛濺引起的泥土與道路鹽沉積、錯誤搭接和縫隙無法覆蓋電泳涂層。

2.6 防止電化學腐蝕

鋼鋁混合車因不同金屬混合存在電位差，設(shè)計時與鋁匹配的鋼板建議采用鍍鋅鋼板，并采用帶鍍層的鉚釘。

3 車身防腐設(shè)計細節(jié)要求

3.1 白車身常見排水結(jié)構(gòu)方案

1.排水型面的要求

型面向下傾斜，考慮水的安息角（推薦≥4°），型面從高點到低點時，不許出現(xiàn)凹坑。

2.排液口處斷膠

焊縫密封膠在途徑排水口時需斷膠處理，避免堵塞電泳排液。

3.封閉沉臺結(jié)構(gòu)

對于封閉沉臺結(jié)構(gòu)需在最低位置開缺口進行排水（如圖2(a)所示），或采用圖2(b)所示結(jié)構(gòu)，避免泥水長時間積存。

圖2 封閉沉臺結(jié)構(gòu)

4.前后流水槽排水面搭接方式

前后流水槽排水面兩零件搭接方式應(yīng)避免水流沖擊，減少水與搭接面接觸的時間。后流水槽的搭接結(jié)構(gòu)，采用如圖3所示結(jié)構(gòu)，并且搭接分界面應(yīng)避免設(shè)計在平緩區(qū)。

5.車門的排水設(shè)計

車門屬于封閉腔體結(jié)構(gòu)，需在其底部設(shè)計排水孔。如圖4所示，在車門底部設(shè)計前中后三個排水孔。圖4(a)為車門內(nèi)板排水，當排水孔邊生銹時，由于排水口屬于外露可視，銹痕外觀可見，故車門內(nèi)板需要采用鍍鋅板防止生銹。圖4(b)為車門外板排水，當排水孔邊生銹時，由于排水孔有飾板保護，可以避免銹痕外觀可視，故在車門內(nèi)外板均為非鍍鋅板時優(yōu)先選擇該設(shè)計方案。

圖4 車門的排水孔

3.2 白車身干濕分區(qū)的密封設(shè)計

1.白車身結(jié)合面的密封形式

白車身的焊接結(jié)合面間的密封通常分為內(nèi)密封和外密封兩種形式，點焊縫隙內(nèi)的密封屬內(nèi)密封，點焊部位的邊緣密封屬外密封。如圖5所示，常用的密封組合有內(nèi)外密封結(jié)合、雙重外密封和內(nèi)密封與雙重外密封結(jié)合等三種形式。

圖5 常見的密封形式[2]

對于地板與前圍、后圍的連接部位，地板與側(cè)圍的連接部位，側(cè)圍與頂蓋的連接部位，前后地板搭接部位，前圍與前風窗的連接部位等重點對象，應(yīng)確保密封部位不漏水、不漏氣及不漏塵，一般采用內(nèi)密封和外密封雙重密封，并且設(shè)計承膠面。對于側(cè)圍內(nèi)外輪罩密封設(shè)計，要考慮工況的惡劣性，應(yīng)采取內(nèi)密封與雙重外密封相結(jié)合。

2.焊縫密封膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖6所示，為了保證涂裝焊縫密封膠的涂覆性，需要對白車身的鈑金搭接間隙進行控制，通常不宜大于3 mm，同時對焊縫密封膠設(shè)計承膠面。原則上各大總成或鈑金搭接處焊縫越小越好，依據(jù)該部位的涂覆工藝、質(zhì)量要求，對鈑金搭接間隙適當縮小，如尾燈尖角、曲面搭接部位[3]。

圖6 焊縫密封膠承膠面

3.3 焊接貼合面的防腐性能提升

3.3.1焊接貼合面腐蝕的原理

焊接貼合面因其結(jié)構(gòu)的限制，導致電泳漆無法有效覆蓋，同時因受焊接工藝影響，焊點兩端會呈現(xiàn)“X”型縫隙，存在局部不貼合現(xiàn)象，故在車身濕區(qū)，縫隙容易發(fā)生腐蝕。

結(jié)合車身干濕區(qū)的分布及焊縫腐蝕的原理，對車身焊接貼合面容易產(chǎn)生腐蝕的部位梳理如圖7所示：車體與側(cè)圍焊接貼合面、門蓋內(nèi)板焊接貼合面、車身底部焊接貼合面和后圍板焊接及安裝貼合面。車身外露的焊接邊可通過刷PVC密封膠保護，而濕區(qū)腔體內(nèi)焊接貼合面由于無法刷PVC膠，則需要在焊接過程增加點焊密封膠。

圖7 典型接縫腐蝕區(qū)域

3.3.2濕區(qū)的腔體防腐設(shè)計

某車型的門檻結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示，門檻結(jié)構(gòu)處于濕區(qū)，受碰撞性能強度要求，前后段搭接存在多角度匹配面且重疊區(qū)域較大的貼合面。如圖8(a)所示，陰影線區(qū)域為門檻前后段重疊區(qū)域，因尺寸匹配問題及非焊點面局部拱起產(chǎn)生間隙，在海南強化防腐試驗中，發(fā)生了較為嚴重的腐蝕，腐蝕等級7級，腐蝕后減薄率達43%，如圖8(b)所示。

基于上述原因，從提升貼合面密封質(zhì)量和加大非貼合面間隙兩個方向進行優(yōu)化。如圖8(c)斷面設(shè)計所示，通過焊接貼合面增加點焊密封膠，以此填充和保護焊接面，同時在非焊接面分離開3 mm間隙，獲得電泳漆有效覆蓋。對搭載了優(yōu)化方案的強化腐蝕試驗車輛進行破解車身分析，腐蝕等級為2級，有效提升防腐性能。

圖8 門檻貼合面銹蝕及設(shè)計解決示意

3.3.3排水區(qū)的腔體防腐設(shè)計

車門內(nèi)板焊接面屬于內(nèi)腔濕區(qū)，實際工況中水從車窗水切流入，沿著車門內(nèi)壁向下排水，如圖9(a)所示，途徑焊接面處造成焊接貼合面生銹，如圖9(b)所示，銹水外流至排水孔處造成外觀可見。

為避免內(nèi)腔銹水流出，造成外觀可視，首先識別出流水路徑，避免流水路徑上面有搭接件焊接，在不可避免的情況下，從設(shè)計流水通道及焊接貼合面保護兩方面考慮設(shè)計，提升防腐性能。如圖9(c)、圖9(d)所示，焊接面中間設(shè)計流水通道，避免積水，同時，焊接貼合面增加點焊密封膠，這樣有效避免了車門流黃水現(xiàn)象。

3.4 防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.4.1焊接搭接結(jié)構(gòu)設(shè)計

焊接搭接結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮對焊縫的防護。車輪飛濺會對搭接面帶來撞擊，應(yīng)重視搭接的方向，盡量減少水和泥土的滯留。依照汽車行進方向和水飛濺方向，設(shè)計合理的搭接順序，避免車輪飛濺的水和泥土正對焊縫，如圖10所示，圖10(a)為錯誤結(jié)構(gòu)，圖10(b)為正確結(jié)構(gòu)。

圖10 典型接縫設(shè)計示意

在前地板和后地板的搭接設(shè)計中，如圖11所示，焊縫避免朝向防濺方向。

圖11 地板搭接方式

3.4.2門檻區(qū)域防石擊設(shè)計方法

門檻區(qū)域如圖12所示，設(shè)計有門檻外裝飾板來保護鈑金，避免路面石擊破壞鈑金電泳膜。一般門檻外裝飾板設(shè)計如圖13所示，其高出車門鈑金3 mm左右。石子飛行軌跡首先與門檻外裝飾板接觸，避免直接擊打車門或者側(cè)圍外板鈑金。

圖12 側(cè)圍外板外有門檻外裝飾板

圖13 斷面D-D示意圖

門檻區(qū)域在沒有門檻外裝飾板防護情況如圖14所示，側(cè)圍外板直接延伸至車身底部，則需要在側(cè)圍外板底部噴涂防石擊涂層。

圖14 側(cè)圍外板外無門檻外裝飾板

3.4.3后輪罩側(cè)面防石擊設(shè)計方法

后輪罩側(cè)面防石擊的方法一般是在輪眉上設(shè)計一個如圖15所示的防石擊特征。其一般高出側(cè)圍外板鈑金和后保外表面，防止石子擊打外表面面漆。

圖15 后輪罩側(cè)面防石擊特征

3.4.4車身底部零件規(guī)避風險結(jié)構(gòu)設(shè)計

底部零件避免急劇凸起的特征和小圓角設(shè)計,因為電泳液易從此類凸峰特征流失，電泳防腐效果差，防石擊涂料在這些小圓角和凸峰上附著力差，影響防護效果。

3.4.5電動汽車車身底部防護布置

如圖16所示，為電動汽車底部防護布置，1為車身重點保護區(qū)，主要通過防石擊涂料或塑料件防護，2為電池包，起到保護車身底部作用，3為底部塑料護板。

圖16 電動汽車底部防護布置

車身底部除了大件的覆蓋防護，還要排查防護缺口，門檻飾板針對車身在總裝滑撬位置、整車舉升位置做了避讓缺口，車身在這些避讓缺口下沒有了防護，圖17為門檻飾板避讓滑撬工裝舉升缺口，鈑金缺少了飾板的保護，需要局部設(shè)計增加防石擊涂料。

圖17 門檻飾板局部工裝避讓孔

3.5 內(nèi)腔電泳孔的設(shè)計

由于側(cè)圍外板與門檻間隙小，一般為5～7 mm，當鈑金間隙小于10 mm時電泳泳透力變差，所以門檻的電泳開孔直接影響外板的電泳效果。

門檻內(nèi)板開電泳孔會與車內(nèi)相通，需要增加堵蓋，同時有密封失效風險。為降低涉水后漏水風險，需將電泳孔設(shè)計在地板面以下的門檻區(qū)域，如圖18所示，電泳孔為?25 mm，孔距為200 mm。

圖18 門檻內(nèi)板電泳孔

由于門檻內(nèi)板開孔影響密封性，開孔數(shù)量受限。為了保證側(cè)圍外板電泳效果，把電泳孔重點布置在門檻外板上。為了解決密閉腔體內(nèi)電磁屏蔽問題，一般電泳孔設(shè)計間距較?。ā?50 mm），孔徑為?25 mm。某車型電泳孔布置如圖19所示，上端面1—2區(qū)域及底面5—6區(qū)域呈“一”字均布，3—4區(qū)域呈“W”型布置電泳孔。在經(jīng)過工程設(shè)計中的計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）電泳模擬分析，如圖19(c)所示，側(cè)圍外板門檻處膜厚均達標，在后續(xù)的電泳破解車門檻濕區(qū)膜厚測量驗證，側(cè)圍外板及門檻膜厚≥8 μm，說明該電泳孔設(shè)計方案達到了電泳要求。

為了保證涂裝電泳效果，一般門檻加強板與側(cè)圍外板開孔的設(shè)計原則如表2所示。

表2 門檻電泳孔的設(shè)計原則

序號板件類型開孔直徑/mm孔間距/mm 1門檻內(nèi)板25≤200 2門檻外板25≤150

3.6 車身排氣孔的設(shè)計

3.6.1排氣孔設(shè)計原則

排氣孔要根據(jù)車身在電泳槽內(nèi)的行進姿態(tài)來設(shè)計，一般布置在空腔的頂部，主要針對車身頂蓋、前后蓋、頂梁、B 柱上部、車門窗框、前后輪罩等容易出現(xiàn)排氣不暢的區(qū)域。腔體內(nèi)若殘留有空氣的話，會產(chǎn)生氣泡，導致電泳漆無法附著在鈑金上。

3.6.2車身前后蓋排氣孔設(shè)計

根據(jù)涂裝前后蓋的進槽姿態(tài)，對內(nèi)板設(shè)計排氣凸筋或排氣孔，電泳后用焊縫密封膠對該凸筋進行密封或孔貼對排氣孔進行封堵，如圖20所示。

圖20 內(nèi)板排氣筋和排氣孔

3.6.3倒扣密閉結(jié)構(gòu)的排氣設(shè)計

圖21 輪罩內(nèi)外板搭接處排氣筋

側(cè)圍內(nèi)外內(nèi)罩上端形成氣袋無法排氣，如果車身在電泳槽內(nèi)不是翻轉(zhuǎn)式，則需要在上端增加排氣通道，如圖21所示。

3.7 外觀銹蝕的控制設(shè)計

對于外觀高度可視區(qū)域，需要杜絕銹蝕或規(guī)避銹蝕外露。銹蝕問題一般出現(xiàn)在排水區(qū)域。

3.7.1焊縫溢銹水風險控制

在某款車型做強化防腐試驗后，車門鎖扣及兒童鎖開關(guān)處流出黃水。在試驗車破解時發(fā)現(xiàn)，由于車門內(nèi)板支架焊接面產(chǎn)生少量銹蝕，從玻璃水切流下的水順著內(nèi)板將銹水帶到開口處，如圖22所示，打開車門就能看到孔邊出現(xiàn)了銹蝕痕跡。

圖22 車門鎖扣處開口區(qū)域流銹水

因此，在設(shè)計外觀開口區(qū)域時，需要規(guī)避濕區(qū)內(nèi)腔銹水流出的風險，如門蓋的排水孔、安裝孔及其他開口處焊接邊均有可能滲出銹水，對此類結(jié)構(gòu)需進行引流設(shè)計。如圖23所示，為了避免車門鎖扣、兒童鎖開關(guān)處出現(xiàn)銹水的風險，識別出排水路徑，并在開口上方增加密封膠，改變了水流方向，杜絕水流從焊縫中滲透到可視區(qū)。

圖23 車門開口處的密封處理

3.7.2外漏鈑金搭接部位的優(yōu)化設(shè)計

在車身外觀面的鈑金搭接部位設(shè)計時要考慮到鈑金的搭接方式及部位，設(shè)計上避免存在比較尖銳的角和邊[4]。因為在電泳涂裝過程中，樹脂陽離子在銳邊結(jié)構(gòu)上的沉積速度慢，導致漆膜較薄，且附著力和機械強度差。因此，在進行產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)盡量避免外觀可視區(qū)存在銳邊結(jié)構(gòu)。

如圖24所示，某車型后流水槽部位在強化腐蝕試驗后，鈑金接頭焊接面處發(fā)生銳邊銹蝕并出現(xiàn)流痕，用戶在開啟后背門時容易被感知到，屬于外觀高度可視區(qū)。結(jié)合前述的原因分析，該流水槽的上下段分界位置設(shè)計不合理。

圖24 某車型后流水槽搭接設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計后，如圖25所示，將流水槽的上下段分界在坡度較大的位置上，避免水滯留，同時將分界隱藏到尾燈的飾板下，零件銳邊不可見，可將大量水分流，起到遮蔽和保護銳邊的作用。

圖25 后流水槽的設(shè)計改進

4 結(jié)束語

車身防腐是一項復雜的多學科配合，不是涂裝一項能保證的，而是貫穿了車身設(shè)計、同步工程分析、鋼板選材、焊接控制等各個方面，而要達到車身防腐性能的要求，先前就必須從設(shè)計角度出發(fā)，把產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計相結(jié)合，避免風險結(jié)構(gòu)，有利于涂裝工藝進行防腐措施的實施。通過電泳車身及強化腐蝕試驗車破解分析，對問題糾正不合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，不斷完善防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

[1] 孫卓,蔡元平.整車腐蝕試驗的車輛拆解與評價分析[J].環(huán)境技術(shù),2017,35(2):19-23.

[2] 中國汽車工程學會汽車防腐蝕老化分會.乘用車白車身防腐排水及密封設(shè)計指南:T/CSAE 131—2020 [S].北京:中國標準出版社,2020.

[3] 中國汽車工程學會汽車防腐蝕老化分會.普通乘用車白車身防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計指導規(guī)范:T/CSAE 92—2018 [S].北京:中國標準出版社,2018.

[4] 厲承龍.乘用車強化腐蝕試驗及防腐措施[J].汽車工程師,2015(2):18-20.

Analysis on Design Method and Application of Anti-corrosion Structure of Automobile Body

FENG Wancun, SONG Rui, TANG Dongsheng, YAN Juntao

( Weltmeister Motor Technology Company Limited, Chengdu 610100, China )

The corrosion of automobile body has become one of the key problems that people pay more and more attention to, so it is necessary to improve the anti-corrosion performance of automobile body. Based on the analysis of the causes of sheet metal corrosion caused by improper automobile structure design, this paper expounded the design methods to improve the anti-corrosion performance of automobile body from the aspects of body anti-corrosion structure design steps, electrophoresis, drainage, wet area sealing, body anti-stone impact and so on. Thus, automobile workers can effectively ensure the overall anti-corrosion performance of the vehicle body at the beginning of vehicle model design, improve product quality, and reduce the cost of later mold design change and process verification.

Body structure; Anti-corrosion structure of design; Causes of sheet metal corrosion;Design methods;Automobile body;Application analysis

U491.6; U463

A

1671-7988(2022)21-73-08

U491.6；U463

A

1671-7988(2022)21-73-08

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.014

俸萬存（1980—），男，高級工程師，研究方向為車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，E-mail:fengwc2001@163.com。