整體式熱成型門環(huán)技術(shù)在輕量化車身上的應用

劉江波，趙 震，張 羽，陳 晗

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230000）

隨著中國保險汽車安全指數(shù)（China-Insurance Automotive Safety Index, C-IASI）25%小偏置碰撞法規(guī)實施，汽車碰撞傳力路徑及能量分配發(fā)生了較大變化，車體的A柱、A柱上、A柱下、門檻等部位成為25%小偏置碰撞的主要傳力結(jié)構(gòu)，對A柱及A柱下相關(guān)部件性能和輕量化、成本的要求也越來越嚴格，傳統(tǒng)的車體結(jié)構(gòu)很難達到高碰撞評級與重量成本平衡。近年來，行業(yè)出現(xiàn)了整 體式熱成形門環(huán)技術(shù)，經(jīng)驗證整體式熱成形門環(huán)可解決當前高小偏置碰撞評級與重量成本相平衡問題，已成為汽車企業(yè)研究的熱點。

1 整體式熱成型門環(huán)技術(shù)應用背景

1.1 整體式熱成型門環(huán)技術(shù)介紹

熱成形門環(huán)技術(shù)起源是為應對25%小偏置碰撞法規(guī)，本田謳歌在其2014款MDX車型上率先應用熱成形門環(huán)，獲得美國公路安全保險協(xié)會（Insurance Institute for Highway Safety, IIHS） 25%小偏置碰撞G評級。整體式熱成形門環(huán)是將前門環(huán)上的A柱下、A柱上、B柱、門檻4大部分集成為1個件，并經(jīng)熱沖壓成形獲得的整體式門環(huán)零部件[1-2]，如圖1所示。

圖1 門環(huán)圖

整體式熱成形門環(huán)具有以下優(yōu)勢：1）1個零件代替4～6個零件，減少零件及焊點數(shù)量，降低工裝及焊接成本；2）省掉零件搭接邊，結(jié)合料厚優(yōu)化及補丁板設(shè)計，具有較大輕量化優(yōu)勢；3）熱 成形強度高，可有效提升車身碰撞性能；4）尺寸精度較高[3]。

1.2 整體式熱成型門環(huán)技術(shù)發(fā)展歷程

國外的主流汽車企業(yè)已逐步將整體式熱成形門環(huán)技術(shù)作為提升小偏執(zhí)碰撞性能并實現(xiàn)輕量化的重要選項[4]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，整體式熱成形門環(huán)技術(shù)在國外制造商中應用較早，其中本田謳歌MDX2014車型是全球首款應用整體式熱成形門環(huán)的車型，另外謳歌RDX2019、克萊斯勒Pacific、道奇RAM1500、本田車型也有應用，截至目前共有9款車型應用[5]。

國內(nèi)整體式熱成形門環(huán)應用研究處于起步階段，受限于其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法不成熟、成本控制等問題，暫未實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)應用。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，整體式熱成形門環(huán)技術(shù)在國內(nèi)主要有長城哈弗、廣汽埃安、東風嵐圖的車型中開始量產(chǎn)應用，江淮、比亞迪、東風、長安、吉利、理想、哪吒等已開始進行設(shè)計研究，如圖2所示。

圖2 整體式熱成型門環(huán)的車型應用示例

1.3 整體式熱成型門環(huán)技術(shù)路線

國外技術(shù)路線主要有兩種，一種是整體式等厚熱成型門環(huán)；一種是整體式不等厚熱成型門環(huán)，如圖3所示；兩種技術(shù)路線技術(shù)特點如表1所示。

表1 兩種技術(shù)路線技術(shù)特點

圖3 門環(huán)外形示意圖

1.4 整體式熱成型門環(huán)典型結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外應用以整體式不等厚熱成型單門環(huán)為主。國外于2019年開始應用雙門環(huán)結(jié)構(gòu)，國內(nèi)暫未應用雙門環(huán)方案，如圖4、圖5所示；其中單門環(huán)是將加強板對應的A柱下、A柱上、B柱、門檻4大部分集成設(shè)計為1個整體式不等厚熱成型門環(huán)（加強板）；雙門環(huán)是同時采用整體式不等厚 熱成型門環(huán)（加強板）和整體式不等厚熱成型門環(huán)（內(nèi)板）相結(jié)合的設(shè)計。

圖4 單門環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖5 雙門環(huán)結(jié)構(gòu)圖

其中，整體式不等厚熱成型門環(huán)結(jié)構(gòu)以4塊分塊、4條激光焊縫結(jié)構(gòu)為主，料厚區(qū)間為1.0～ 1.9 mm，材料以1.5 GPa的AlSi鍍層板為主[6]，具體典型應用如表2所示。

表2 典型應用調(diào)研

2 整體式熱成型門環(huán)技術(shù)應用實例

本文基于某款中高端新能源車型，通過應用整體式不等厚熱成型門環(huán)，實現(xiàn)25%小偏置碰撞性能提升和輕量化效果。

2.1 整體式不等厚熱成型門環(huán)設(shè)計方案

不等厚整體式熱成形門環(huán)方案主體結(jié)構(gòu)基本參考拼焊式門環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)采用A柱上-A柱下-B柱-門檻封閉式的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，整體剛度、抗變形強。不等厚整體式熱成形門環(huán)方案參考標桿車型的調(diào)研結(jié)果，整體采用4段式厚度分布，分塊基本參考拼焊式門環(huán)分件，分為A柱上、A柱下、門檻和B柱上，另外分塊需考慮激光焊縫長度和避開R角的原則（≥50 mm），分塊位置如圖6所示。厚度設(shè)計基于拼焊式門環(huán)結(jié)構(gòu)，其中A柱上直接影響25%小偏置碰性能，厚度初步設(shè)計為1.4 mm，比拼焊式門環(huán)略厚，以抵御A柱折斷；A柱下厚度1.2 mm，與拼焊式門環(huán)一致；門檻由于材質(zhì)采 用熱成形鋼代替拼焊式門環(huán)的高強鋼（1.4 mm厚度），性能提升，因此，厚度設(shè)計為1.2 mm；B柱上由于影響側(cè)碰和頂壓性能，同時集成拼焊式門環(huán)的B柱加強板和內(nèi)部加強板，故厚度設(shè)計為2.1 mm，材質(zhì)均采用B1500HS-AL。

圖6 門環(huán)方案圖示

不等厚整體式熱成形門環(huán)關(guān)鍵斷面均采用幾字型結(jié)構(gòu)，如圖7所示；斷面尺寸和拔模角度如表3所示。

圖7 關(guān)鍵斷面

表3 斷面設(shè)計參數(shù)信息

2.2 碰撞性能分析

整體式不等厚熱成形門環(huán)方案對應25%小偏置碰撞性能M，與拼焊式門環(huán)一致，A柱折彎位置在最前端，基本和拼焊式門環(huán)一致，滿足性能要求，如圖8所示。25%小偏置碰撞分析結(jié)果如表4所示。

表4 25%小偏置碰撞分析結(jié)果

圖8 25%小偏置碰撞結(jié)果圖

2.3 重量分析

通過對比分析原始拼焊式門環(huán)結(jié)構(gòu)和整體式不等厚熱成形門環(huán)結(jié)構(gòu)。在滿足相同25%小偏置碰撞性能的情況下，整體式不等厚熱成形門環(huán)輕量化效果明顯，降重約15%，重量性能對比如表5所示。

表5 重量性能對比表

3 結(jié)語

隨著C-IASI 25%小偏置碰撞法規(guī)實施，對A柱、B柱及A柱下相關(guān)部件的性能和輕量化、成本的要求也越來越嚴格，整體式熱成形門環(huán)技術(shù)作為可解決小偏置碰撞高評級與重量成本相平衡問題的一種有效路徑，已成為汽車企業(yè)研究的熱點。本文基于某款新能源車型，通過應用整體式不等厚熱成型門環(huán)，最終實現(xiàn)25%小偏置碰撞性能提升和明顯輕量化效果。相信隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，整體式熱成型門環(huán)技術(shù)在輕量化車身上的應用將有著更廣泛的前景。