某微客車架剛度提升及降成本的方法和實(shí)踐

楊回 曾蔚

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】車架是車身的重要部件之一，車架需要能提供很強(qiáng)的承載能力和抗扭剛度；同時(shí)，要具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來(lái)的沖擊，并保證整個(gè)車身的抗扭、抗彎程度，以及車輛乘員的安全。目前，國(guó)內(nèi)微客車普遍以低價(jià)格、高價(jià)值的特點(diǎn)獲得廣大民眾的青睞。鈑金車身重量占整車比例最大，因此在輕量化的同時(shí)如何獲得更好的車身性能和車身剛度，在鈑金零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零件連接質(zhì)量及車身剛度和車輛噪音方面需要充分優(yōu)化改進(jìn)。文章以某款微客的車架改進(jìn)與設(shè)計(jì)作為主題，探討同一系列車架剛度提升及成本降低的方法和實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】車架；成本；質(zhì)量；輕量化

【中圖分類號(hào)】U463.834 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）06-0095-04

1 以往車型的車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及問(wèn)題分析

汽車的車架類型基本分為承載式車架、非承載式車架及處于兩者之間的半承載式車架。目前，市面上銷量最廣的微車車架類型為半承載式車架，結(jié)構(gòu)與承載式車架相同，但是需要與地板、前隔板及側(cè)圍通過(guò)焊點(diǎn)連接為一體，共同承載整車重量和載物。這類車架有獨(dú)立的縱梁和橫梁焊接在一起，但又區(qū)別于承載式車架，它需要與前隔板、前后地板及側(cè)圍下部焊接，以組成一個(gè)白車身體。

該微客車架改進(jìn)前結(jié)構(gòu)如圖1所示。

A1：車架與前隔板連接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-蓋板A（如圖2所示）。

A：車架與側(cè)圍A柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架A柱下?lián)伟濉⑸w板B前端（如圖3所示）。

B：車架與側(cè)圍B柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架B柱下?lián)伟濉⑸w板B后端、中門(mén)下導(dǎo)軌前撐板（如圖4所示）。

C：車架與側(cè)圍C柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架C柱下?lián)伟澹ㄈ鐖D5所示）。

D：車架與側(cè)圍D柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架D柱下?lián)伟濉⑽捕肆海ㄈ鐖D6所示）。

從該款微客車架的各區(qū)域搭接結(jié)構(gòu)可以看出，在車架與前后地板、前隔板及側(cè)圍下部的焊接區(qū)域，具有很多不穩(wěn)定的單板、無(wú)加強(qiáng)筋、焊點(diǎn)少等細(xì)節(jié)問(wèn)題，如圖2～圖6所示。

圖2問(wèn)題點(diǎn)：前隔板與車架蓋板A焊接只能用二保焊一處焊接，由于二保焊目前都是人工操作焊接，焊點(diǎn)質(zhì)量一致性不好，加上零件邊緣受熱而使材質(zhì)特性變化，該處以往N系列車型都出現(xiàn)開(kāi)裂故障。

圖3問(wèn)題點(diǎn)：撐板本體結(jié)構(gòu)無(wú)加強(qiáng)筋；虛線紅圈處的擋泥板安裝支架為“幾”字形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差。路試曾經(jīng)出現(xiàn)涉水變形開(kāi)裂故障。

圖4問(wèn)題點(diǎn)：撐板本體結(jié)構(gòu)無(wú)加強(qiáng)筋；虛線紅圈處的擋泥板安裝支架為“幾”字形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差。路試曾經(jīng)出現(xiàn)涉水變形開(kāi)裂故障。

圖5問(wèn)題點(diǎn)：撐板本體為單板單翻邊結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，導(dǎo)致該處與下車體、側(cè)圍下部連接處的座椅框后板焊點(diǎn)出現(xiàn)開(kāi)裂故障。

圖6問(wèn)題點(diǎn)：撐板本體無(wú)加強(qiáng)筋；后大梁只與尾端梁焊點(diǎn)連接，與尾端梁外板隔空無(wú)連接。老款路試車的尾端梁外板均有焊點(diǎn)開(kāi)裂故障。

車架連接上車體及地板基本依靠上述接頭和焊點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而從接頭結(jié)構(gòu)上分析，上述五大接頭處的零件設(shè)計(jì)形狀簡(jiǎn)單，基本無(wú)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；由于接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以導(dǎo)致焊點(diǎn)布置數(shù)量少。要獲得較大的抗扭能力需要實(shí)現(xiàn)兩大點(diǎn)：一個(gè)是具有客觀的接頭截面尺寸，也就是接頭零件的截面尺寸要足夠大；另一個(gè)是在大的接頭截面上需要均勻分布足夠數(shù)量的焊點(diǎn)，只有結(jié)構(gòu)體和連接介質(zhì)（焊點(diǎn)）強(qiáng)健，才能充分發(fā)揮車架這個(gè)大結(jié)構(gòu)件的作用，從而能很好地吸收底盤(pán)傳遞的沖擊力，以及上車體傳來(lái)的彎矩、扭矩力。

綜合上述分析，該系列車型的車架結(jié)構(gòu)在上述的A1、A、B、C、D 5個(gè)區(qū)域需要具有較好的搭接結(jié)構(gòu)和連接能力，這樣才能很好地提高車身及整車的剛度和強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

2 優(yōu)化各搭接頭結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后車架細(xì)節(jié)部分

本文對(duì)某車型的車架進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，并且對(duì)剛度敏感的7個(gè)區(qū)域進(jìn)行剛度提升，如圖7所示。

A1區(qū)域：車架與前隔板連接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-蓋板A，改進(jìn)如圖8所示。

改進(jìn)后：設(shè)計(jì)L連接支架，新增兩焊點(diǎn)連接；蓋板A上新增兩焊點(diǎn)，新增1-M8連接螺母；設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。

A區(qū)域：車架與側(cè)圍A柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架A柱下?lián)伟濉⑸w板B前端，改進(jìn)如圖9所示。

改進(jìn)后：設(shè)計(jì)斜撐板構(gòu)成三角受力結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)橫向筋條，穩(wěn)定性好；擋泥板安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)在斜撐板上，穩(wěn)定性好；設(shè)計(jì)下翻邊及新增焊點(diǎn)布置。

B：車架與側(cè)圍B柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架B柱下?lián)伟濉⑸w板B后端、中門(mén)下導(dǎo)軌前撐板，改進(jìn)如圖10所示。

改進(jìn)后：設(shè)計(jì)斜撐板與座椅框側(cè)壁構(gòu)成三角受力結(jié)構(gòu)，新增連接焊點(diǎn)；設(shè)計(jì)“U”形撐板，與門(mén)檻內(nèi)板及座椅框板構(gòu)成腔體接頭，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高。

C區(qū)域：車架與側(cè)圍C柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架C柱下?lián)伟濉⒓訌?qiáng)板，改進(jìn)如圖11所示。

改進(jìn)后：設(shè)計(jì)撐板與側(cè)圍連接，新增連接焊點(diǎn)；設(shè)計(jì)“U”形撐板，與C柱下內(nèi)板構(gòu)成腔體接頭，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高。

D區(qū)域：車架與側(cè)圍D柱下部搭接區(qū)域，車架關(guān)鍵零件-車架D柱下?lián)伟濉⑽捕肆骸⒋罅貉由旒倪M(jìn)如圖12所示。

改進(jìn)后：新型低截面尾端梁設(shè)計(jì)，外板特征圓滑過(guò)渡，降低成本，同時(shí)減少應(yīng)力集中；設(shè)計(jì)后大梁延伸梁，貫穿尾端梁內(nèi)部與尾端梁內(nèi)板、外板分別焊接構(gòu)成腔體接頭，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高；撐板設(shè)計(jì)梯形走向，設(shè)計(jì)筋條及減重孔，提高強(qiáng)度，同時(shí)降低成本。

G1區(qū)域：橫梁A區(qū)域、橫梁A截面優(yōu)化與改進(jìn)如圖13所示。

改進(jìn)后：設(shè)計(jì)輕型內(nèi)空的矩形截面梁，重量更輕，但強(qiáng)度大大提高；橫梁A與大梁分別3面焊接，形成腔體連接，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高。

G2區(qū)域：后地板橫梁五截面優(yōu)化與改進(jìn)如圖14所示。

改進(jìn)后：設(shè)計(jì)輕型內(nèi)空的圓截面梁，比N300車型重量輕，但強(qiáng)度大大提高；后排座椅安全帶螺母板直接焊接在剛性強(qiáng)的后地板橫梁五上；后地板橫梁五與大梁分別為兩圈二保焊，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高。

3 車架輕量化改進(jìn)

前車架橫梁A由沖壓焊合件更改為矩形鋼，重量減重約0.36 kg，老款設(shè)計(jì)如圖15所示。

（1）優(yōu)化思路：零件本身與車架焊接面為單板結(jié)構(gòu)，對(duì)車架扭轉(zhuǎn)抗彎作用貢獻(xiàn)小。

缺點(diǎn)：左右端與大梁焊接搭接處為單板結(jié)構(gòu)

（2）優(yōu)化措施：橫梁A本體替換為質(zhì)量更輕的矩形截面型鋼，與大梁本體左右各有3面焊縫焊接，如圖16所示。

改進(jìn)后，左右端與大梁焊接搭接處為各為雙面壁三焊縫設(shè)計(jì)，增大抗扭抗彎能力。

尾端梁截面縮小，型面平滑過(guò)渡改進(jìn)，與大梁搭接方式優(yōu)化，優(yōu)化后重量由12.79 kg減輕到9.41 kg，減重約3.38 kg。

（1）優(yōu)化思路：在保證尾端梁安裝尾門(mén)鎖扣功能滿足的前提下，降低截面尺寸，同時(shí)更改尾端梁與大梁的搭接方式。

（2）優(yōu)化措施如圖17、圖18所示。

新的車架后部大梁延伸件連接后大梁，后端橫梁內(nèi)、外板，采用鑲?cè)胧酱罱咏Y(jié)構(gòu)使車架與側(cè)圍D柱搭接；新的車架后部的后端橫梁外板型面設(shè)計(jì)平緩；新的車架后部采用隔斷式加強(qiáng)板2個(gè)，連接后端橫梁內(nèi)板的前側(cè)面、底面和后端橫梁外板的后側(cè)面——3面焊接；新的尾門(mén)鎖扣安裝加強(qiáng)板，與后端橫梁內(nèi)、外板連接形成腔體結(jié)構(gòu)焊接，形成封閉的腔體，從而達(dá)到降低成本的目的。

（3）左右端頭改進(jìn)如圖19、圖20所示。

（4）內(nèi)隔板加強(qiáng)板改進(jìn)如圖21、圖22所示。

優(yōu)化前：“幾”字形加強(qiáng)板僅2面焊接；僅與后端橫梁外板連接的尾門(mén)鎖扣加強(qiáng)板。

優(yōu)化后：新結(jié)構(gòu)的隔斷式加強(qiáng)板2個(gè)，3面焊接；與后端橫梁內(nèi)、外板連接形成腔體機(jī)構(gòu)的尾門(mén)鎖扣加強(qiáng)板。

（5）外板型面圓滑過(guò)渡及連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖23、圖24所示。

4 車架剛度提升及降成本方法的實(shí)踐成果

（1）車架總成對(duì)比原車型總減重2.5 kg。

（2）車架剛度提升；白車身在減重基礎(chǔ)上，模態(tài)對(duì)比老車型提升4.21 Hz（由老車型的24.02 Hz提升到28.23 Hz），大大改善了新設(shè)計(jì)車身的NVH性能，提升了整車乘坐舒適性。

（3）經(jīng)過(guò)路試驗(yàn)證，順利解決了同系列車型有關(guān)下車體前隔板與蓋板A焊點(diǎn)開(kāi)裂、座椅框后板與大梁焊點(diǎn)開(kāi)裂、C柱下部地板與車架焊點(diǎn)開(kāi)裂、后排座椅安裝腳處地板焊點(diǎn)開(kāi)裂、尾端梁外板焊點(diǎn)開(kāi)裂等多個(gè)疑難TIR問(wèn)題關(guān)閉。

5 小結(jié)

車架作為車身重要的關(guān)鍵大部件，其質(zhì)量和成本很大程度上影響了白車身的性能和產(chǎn)品生命。車架作為受力結(jié)構(gòu)類零件，設(shè)計(jì)人員具有良好的力學(xué)基礎(chǔ)和思路，則能很好地把握好零件設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提升和輕量化產(chǎn)品改進(jìn)都具有舉足輕重的作用。本文簡(jiǎn)單探討了微車某車型車架開(kāi)發(fā)過(guò)程的思路和有限的問(wèn)題解決方法，主要是希望產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師能以低成本、高價(jià)值的理念去設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品，達(dá)到成本、質(zhì)量、開(kāi)發(fā)周期的平衡。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡(jiǎn)介】楊回，男，廣西岑溪人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，從事汽車車身設(shè)計(jì)工作；曾蔚，男，江西尋烏人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，從事汽車車身設(shè)計(jì)工作。