側(cè)面碰撞工況下車門封板抗壓能力試驗研究

鄭波 郭文浩 朱曉怡 傅啟晟

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 前言

側(cè)面碰撞工況是整車安全性評價中的重要工況，統(tǒng)計結(jié)果顯示，汽車碰撞交通事故中，約30%為側(cè)面碰撞事故[1-2]。車門外板受外力撞擊時瞬間產(chǎn)生變形[3]，內(nèi)外板間腔體急劇潰縮，使車門內(nèi)腔氣壓快速上升，氣壓傳感器實時監(jiān)測車門內(nèi)腔相對壓力，壓力達到目標值是側(cè)氣囊點爆的重要前提之一。

為滿足搖窗機導(dǎo)軌裝配條件，傳統(tǒng)車門設(shè)計過程中會在門內(nèi)板上預(yù)留搖窗機安裝孔，搖窗機安裝完成后用車門封板卡接封堵該安裝孔。側(cè)面碰撞工況下車門內(nèi)腔氣壓升高時，封板受到較大沖擊，若封板抗壓能力弱，會導(dǎo)致內(nèi)腔氣壓未上升到目標值時搖窗機安裝孔處封板彈出，內(nèi)腔氣壓無法繼續(xù)上升，進而影響側(cè)氣囊彈出。

為了在整車產(chǎn)品開發(fā)前期快速驗證車門封板抗壓能力，本文采用氣壓試驗臺架在單個車門上對封板進行抗壓能力測試。通過正交試驗對車門封板進行系統(tǒng)分析并優(yōu)化參數(shù)和結(jié)構(gòu)。

2 試驗裝置及工作原理

氣壓試驗臺架主要由氣源、控制臺架、溫箱和車門4 個部分組成，如圖1 所示。試驗前將車門置于溫箱內(nèi)，門內(nèi)鈑上開孔與氣源間通過特制管道連接。試驗開始時，由控制臺架控制泄壓閥，使車門內(nèi)腔產(chǎn)生氣體沖擊，由車門封板上的氣壓傳感器監(jiān)測并記錄門內(nèi)腔氣壓變化情況，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)反饋到控制臺架。

圖1 氣壓試驗臺架示意

門內(nèi)腔氣壓隨時間的變化情況如圖2 所示，曲線記錄了車門內(nèi)腔相對氣壓由升高到降低的過程，該過程時間一般小于1 s，峰值為車門封板的極限抗壓能力。

圖2 車門內(nèi)腔氣壓隨時間變化情況

3 不同環(huán)境溫度下封板氣壓試驗研究

車輛在不同地區(qū)使用時面臨的極端環(huán)境溫度不同，為了滿足不同地區(qū)的使用需求，同時使試驗更貼合實際情況，進行了多地實際考察，其中新疆吐魯番地區(qū)夏季車內(nèi)最高溫度可達70 ℃，黑龍江黑河市冬季車內(nèi)最低溫度可達-40 ℃，是我國具有代表性的極端溫度。本文以某車型為例，研究環(huán)境溫度對車門封板抗壓能力的影響，取1 扇車門并準備同批次封板零件若干，設(shè)置了6 組環(huán)境溫度，分別是-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、23 ℃、50 ℃和80 ℃，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下封板的抗壓能力

試驗結(jié)果表明，環(huán)境溫度越低，封板抗壓能力越強，搖窗機安裝孔封板能承受的門內(nèi)腔氣壓越高。在80 ℃時該封板卡接安裝只能承受5 060 Pa的相對壓差，未達到抗壓能力的要求（＞7 500 Pa），存在安全隱患。

4 車門封板硬度及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了解決該車門封板在高溫工況下抗壓能力弱的問題，本文從封板結(jié)構(gòu)和材料硬度2 個方面進行優(yōu)化。

4.1 封板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

封板材料在高溫工況下存在一定軟化，當車門內(nèi)腔氣壓急劇升高時，封板主體表面受壓力作用會發(fā)生變形，進而從內(nèi)鈑安裝孔脫開。因此，需要提高封板自身的抗變形能力。在封板主體背面增加結(jié)構(gòu)筋可提高車門封板主體表面剛性，如圖3所示。

圖3 車門封板背面加強筋優(yōu)化前、后對比

將車門封板背面加強筋優(yōu)化后的零件在6組不同溫度下進行氣壓試驗，試驗結(jié)果如表2所示，封板增加背板筋后整體安裝手感有所下降，但仍為可接受狀態(tài)。封板在模擬側(cè)面碰撞工況的氣壓試驗中抗壓能力存在一定程度提高，低溫條件下封板抗壓能力提升明顯。在80 ℃時，加強筋優(yōu)化后封板抗壓能力達到6 040 Pa，仍未滿足要求，還需繼續(xù)優(yōu)化。

表2 加背板筋后封板的抗壓能力

4.2 封板材料硬度優(yōu)化

通常，此類零件材料硬度越高，則剛性越好，能承受的氣壓沖擊越高。采用不加筋狀態(tài)模具，取6組不同硬度的原材料進行試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同硬度封板的抗壓能力

由表3可知，同一套模具下，車門封板的抗壓能力隨材料硬度提高呈先上升后下降的趨勢，當材料硬度達到邵氏硬度D/15：57 時，封板的抗壓能力達到最佳狀態(tài)。在低于50 ℃的溫度工況下，6 組不同硬度的封板零件抗壓能力均大于7 500 Pa，滿足要求，而硬度分別為邵氏硬度D/15：47、邵氏硬度D/15：49、邵氏硬度D/15：65的零件在80 ℃工況下未能滿足最低抗壓能力要求，在一定范圍內(nèi)適當提升零件硬度有利于提高封板抗壓能力，但并非硬度越高抗壓能力越好。當硬度過高時，封板主體表面的抗變形能力較強，但其邊緣的倒鉤與門內(nèi)鈑翻邊之間的卡接力受自身斷面結(jié)構(gòu)的影響，在主體表面幾乎不變形的情況下，倒鉤會在瞬時承受極大的壓力而脫出。6 組零件中硬度為邵氏硬度D/15：53、邵氏硬度D/15：57、邵氏硬度D/15：61的零件滿足封板的抗壓能力要求，但封板硬度越高，其安裝手感越差。最終選擇硬度為邵氏硬度D/15：53 的零件，既無需修改模具，又兼顧了安裝手感。

5 結(jié)束語

本文參考整車側(cè)面碰撞工況的特點，使用自主設(shè)計的氣壓試驗裝置對單個車門進行封板抗壓能力的試驗研究。通過設(shè)計正交試驗，探究了不同溫度工況、材料硬度、背板筋結(jié)構(gòu)對車門封板極限抗壓能力的影響。可以得到以下主要結(jié)論：

a.封板的極限抗壓能力與環(huán)境溫度呈負相關(guān)，在-40～80 ℃區(qū)間內(nèi)，溫度越低，車門封板的極限抗壓能力越強。

b.封板主體增加背板筋數(shù)量后，受氣壓沖擊時極限抗壓能力有所提高，但高溫工況下提升幅度較小。

c.封板極限抗壓能力隨材料硬度提高先上升后下降。過高的材料硬度雖會使零件主體抗變形能力增強，但其邊緣倒鉤受斷面結(jié)構(gòu)所限更容易脫出安裝孔。

d.零件安裝手感與材料硬度呈負相關(guān)，材料硬度越高，零件安裝手感越差。