某車(chē)型側(cè)門(mén)框開(kāi)裂問(wèn)題的研究和改進(jìn)

黃霞，羅寥，候路（東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院，武漢430057）

某車(chē)型側(cè)門(mén)框開(kāi)裂問(wèn)題的研究和改進(jìn)

黃霞，羅寥，候路
（東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院，武漢430057）

針對(duì)某車(chē)型側(cè)門(mén)框鈑金疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題，本文通過(guò)CAE仿真分析和應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，并結(jié)合車(chē)輛實(shí)際生產(chǎn)及使用情況，找出了門(mén)框鈑金開(kāi)裂的根本原因及解決方案，闡述了該問(wèn)題的研究思路和方法。改進(jìn)后的方案通過(guò)了道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

側(cè)門(mén)框； 開(kāi)裂；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在車(chē)身輕量化過(guò)程中，隨著功能設(shè)計(jì)向性能設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，很容易出現(xiàn)白車(chē)身強(qiáng)度不足的問(wèn)題。其中，車(chē)身開(kāi)裂嚴(yán)重的影響了車(chē)輛的壽命和使用舒適度。如果是外覆蓋件開(kāi)裂，還會(huì)影響車(chē)輛的品牌形象及用戶滿意度。造成白車(chē)身開(kāi)裂的原因很多，設(shè)計(jì)、成型工藝、焊接質(zhì)量、使用路況、氣候環(huán)境及用戶使用習(xí)慣等都有可能成為開(kāi)裂的因素之一。

由于白車(chē)身開(kāi)裂的隨機(jī)性，要找到開(kāi)裂的根本原因非常困難。本文所研究的車(chē)型，故障現(xiàn)象位于側(cè)門(mén)框上部前后角外板搭接處，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，多層鈑金配合，開(kāi)裂原因復(fù)雜，問(wèn)題比較典型。本文通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、分析、改進(jìn)到驗(yàn)證整個(gè)過(guò)程的研究，找出了門(mén)框鈑金開(kāi)裂的原因及解決方案，也為以后其它同類(lèi)問(wèn)題的研究提供了一個(gè)參考依據(jù)。

1　問(wèn)題描述

該開(kāi)裂問(wèn)題主要出現(xiàn)在某批營(yíng)運(yùn)客車(chē)上。車(chē)輛用于短途運(yùn)輸，行駛路面為國(guó)道，路況較好，初次市場(chǎng)故障里程約30000～40000km，開(kāi)裂位置為側(cè)門(mén)框上部前后角外板搭接處，其中后角部開(kāi)裂現(xiàn)象比前角部嚴(yán)重。具體故障模式見(jiàn)圖1：

2　原因分析

車(chē)身在動(dòng)態(tài)行駛過(guò)程中，需要承受多種載荷，這導(dǎo)致白車(chē)身的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，確定開(kāi)裂根源比較困難，很難總結(jié)出定性的規(guī)律。以下分別從設(shè)計(jì)、CAE分析、試驗(yàn)測(cè)試、生產(chǎn)現(xiàn)狀及車(chē)輛使用狀態(tài)幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)說(shuō)明

車(chē)身開(kāi)裂處位于側(cè)門(mén)框上方中外板與前、后外板搭接處，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)圖2：

2.2CAE分析

在HYPEMESH軟件中對(duì)車(chē)身數(shù)據(jù)模型按10x10mm的尺寸劃分網(wǎng)格單元，分析彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況下開(kāi)裂部位的強(qiáng)度。在彎曲工況下，前端約束前懸架安裝處，后端約束板簧安裝孔，對(duì)地板施加Z向均布載荷（座椅和人的重量）。在扭轉(zhuǎn)工況下，前端約束左、右前懸架安裝處中點(diǎn)，后端約束板簧安裝孔，對(duì)左、右前懸架安裝處中點(diǎn)施加繞X軸轉(zhuǎn)矩（1.03e+7 N.mm）進(jìn)行加載。所有約束點(diǎn)均約束X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)共6個(gè)自由度。設(shè)計(jì)狀態(tài)CAE分析結(jié)果見(jiàn)圖3：

DX54D材料的抗拉強(qiáng)度≥270MPa，屈服強(qiáng)度為140 MPa 。CAE分析結(jié)果表明，按照原設(shè)計(jì)狀態(tài)，開(kāi)裂部位最大應(yīng)力發(fā)生在扭轉(zhuǎn)工況下，為48.3 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.3試驗(yàn)測(cè)試

為了分析開(kāi)裂產(chǎn)生的原因，了解開(kāi)裂部位的應(yīng)力水平，對(duì)車(chē)輛在石塊路、搓板路一、搓板路二及丙扭曲路四種工況下的應(yīng)力應(yīng)變值進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)［1］。試驗(yàn)采用單向應(yīng)變片，應(yīng)變片的粘貼方向由試驗(yàn)人員根據(jù)對(duì)車(chē)輛的主觀評(píng)價(jià)并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。應(yīng)變片的粘貼位置見(jiàn)圖4，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1：

從表1測(cè)試結(jié)果可以看出：

1）四種工況下前上角#1點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值均大于#2點(diǎn)；

2）四種工況下后上角#4點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值最大；

3）四種工況下后上角#3點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值均大于#5點(diǎn)；

4）#1點(diǎn)、#2點(diǎn)在石塊路和搓板路上應(yīng)力應(yīng)變值較大，#3點(diǎn)、#4點(diǎn)、#5點(diǎn)在搓板路和丙扭曲路上應(yīng)力應(yīng)變值較大；

5）都沒(méi)超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，說(shuō)明是疲勞造成的開(kāi)裂［2］ ［3］。

2.4生產(chǎn)現(xiàn)狀

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于焊接時(shí)工裝夾具及工人操作因素的影響，產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在一些差異，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1）側(cè)門(mén)前、后上角部在實(shí)際焊接時(shí)，由于夾緊機(jī)構(gòu)的影響，導(dǎo)致焊鉗空間不足，造成焊點(diǎn)數(shù)量與設(shè)計(jì)不符，具體見(jiàn)圖5。#1和#3位于曲面上，由于點(diǎn)焊后外表面熔坑太深，超過(guò)了料厚的20%，影響外觀質(zhì)量［4］，實(shí)際沒(méi)有焊。#5由于焊鉗操作空間不足，實(shí)際沒(méi)有焊。

表1　應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

2）側(cè)門(mén)前、后上角部加強(qiáng)板在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，沒(méi)有規(guī)范施涂結(jié)構(gòu)膠，導(dǎo)致加強(qiáng)板與外板間局部存在間隙，沒(méi)有有效連接。具體見(jiàn)圖6：

按照實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)側(cè)門(mén)框進(jìn)行CAE仿真分析，約束條件同前，具體分析結(jié)果見(jiàn)圖7：

CAE分析結(jié)果表明，門(mén)框后上角最大應(yīng)力發(fā)生在扭轉(zhuǎn)工況下，為117.2 MPa，已經(jīng)接近材料的屈服強(qiáng)度，存在疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。門(mén)框前上角的最大應(yīng)力為82.7 Mpa，發(fā)生在彎曲工況下，也存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

2.5實(shí)車(chē)狀態(tài)

通過(guò)對(duì)故障車(chē)輛實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛行駛路況較好，與其它未開(kāi)裂車(chē)輛主要差異在于側(cè)滑門(mén)使用過(guò)于頻繁，再加上側(cè)滑門(mén)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)自身的原因，車(chē)門(mén)開(kāi)啟不暢，開(kāi)關(guān)門(mén)力較大，尤其是車(chē)門(mén)完全開(kāi)啟的瞬間，對(duì)側(cè)門(mén)框后上角的沖擊較大，導(dǎo)致側(cè)門(mén)框上部鈑金疲勞損傷，加劇了開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生。

2.6原因匯總

通過(guò)上述分析，不難看出，影響側(cè)門(mén)框上角開(kāi)裂的原因主要如下：

1）由于生產(chǎn)中#1、#3、#5點(diǎn)缺焊，導(dǎo)致側(cè)門(mén)框上方前后角強(qiáng)度不足，造成車(chē)體開(kāi)裂，這與表1試驗(yàn)測(cè)試中#1、#3點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值較大是吻合的。

2）由于后上角加強(qiáng)板尺寸較小，尤其是與后外板配合面積小，且涂膠不均勻，導(dǎo)致后上角強(qiáng)度不足，外板搭接處兩邊受力不均，后端應(yīng)力偏大。此外由于結(jié)構(gòu)膠為液狀，需要經(jīng)涂裝高溫固化后才能起作用，如果兩層板型面不貼合，存在間隙，即使涂了結(jié)構(gòu)膠，也不能起到完全結(jié)合的目的，導(dǎo)致連接強(qiáng)度不足。這與表1在試驗(yàn)測(cè)試中#4點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值急劇增大是吻合的。

3）由于側(cè)滑門(mén)開(kāi)關(guān)不暢，加劇了側(cè)門(mén)框開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生。由于側(cè)門(mén)全開(kāi)瞬間對(duì)車(chē)體的沖擊，后上角受到的外界沖擊力要大于前上角。

4）由于上述第2）、3）條的原因，導(dǎo)致后上角開(kāi)裂程度比前上角嚴(yán)重。

3　解決方案

根據(jù)上述分析，從多個(gè)方案中選擇了以下兩個(gè)改進(jìn)方案進(jìn)行重點(diǎn)分析，具體見(jiàn)表2：

3.1新方案CAE分析結(jié)果

按前面采用的約束條件對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行CAE仿真分析，分析結(jié)果分別見(jiàn)圖8、圖9和表3：

從表3可以看出，相對(duì)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，方案1后上角在扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力還有91.9 Mpa，改善不明顯。方案2則明顯優(yōu)于方案1，應(yīng)力值最少下降了46.1%，最多下降了85%，改進(jìn)后后上角開(kāi)裂處最大應(yīng)力只有17.6 Mpa，前上角開(kāi)裂處最大應(yīng)力只有22.6 Mpa，比原設(shè)計(jì)狀態(tài)應(yīng)力還要小，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度140 MPa。

3.2試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

按照上述改進(jìn)方案分別試制了2臺(tái)車(chē)，進(jìn)行了3000km凸凹不平壞路整車(chē)道路可靠性試驗(yàn)（其中石塊路1722km，搓板路124km，丙扭路37 km，長(zhǎng)波路124 km，連接路993 km），折合市場(chǎng)里程約51000km，超過(guò)了首次故障里程。試驗(yàn)后，方案1門(mén)框后上角應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，開(kāi)裂位置出現(xiàn)在搭接邊之后，且開(kāi)裂現(xiàn)象加重，方案2沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，具體見(jiàn)圖10。這說(shuō)明方案1后上角前部貼結(jié)構(gòu)膠帶局部得到了加強(qiáng)，而后部過(guò)于薄弱，兩邊受力不均，應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移；方案2由于后上角加強(qiáng)板尺寸變大，后部強(qiáng)度得到了加強(qiáng)，故沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。這與表1中原車(chē)側(cè)門(mén)框后上角沒(méi)有加強(qiáng)前#4點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值急劇變大也是吻合的。

表3　CAE分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)上述對(duì)比可見(jiàn)，方案2對(duì)于解決側(cè)門(mén)框上角部開(kāi)裂問(wèn)題是有效的。由于是搭載試驗(yàn)，只跑了3000 km壞路，這對(duì)于驗(yàn)證白車(chē)身的疲勞耐久是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要在后期繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4　結(jié)束語(yǔ)

白車(chē)身總成作為整車(chē)關(guān)鍵總成，強(qiáng)度指標(biāo)一直是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性能。本文在研究過(guò)程中，驗(yàn)證手段為CAE分析和道路試驗(yàn)驗(yàn)證，但是對(duì)于商用車(chē)來(lái)說(shuō)，道路試驗(yàn)不能全部反應(yīng)白車(chē)身應(yīng)該具有的疲勞壽命［4］，而現(xiàn)階段CAE分析結(jié)果與實(shí)際情況還存在一定差距。CAE分析結(jié)果不能說(shuō)明開(kāi)裂對(duì)策一定有效，只能作為改善前后的對(duì)比依據(jù)。因此該課題還需要在后期繼續(xù)驗(yàn)證并跟蹤了解市場(chǎng)反饋情況。通過(guò)上述對(duì)側(cè)門(mén)框上方前后角開(kāi)裂問(wèn)題的分析改進(jìn)，可以得出以下結(jié)論：

1）生產(chǎn)中焊點(diǎn)數(shù)量、位置及涂膠情況與設(shè)計(jì)不符，是造成鈑金開(kāi)裂的重要原因。

2）后上角加強(qiáng)板設(shè)計(jì)尺寸過(guò)小，是造成后上角后部應(yīng)力應(yīng)變急劇變化的重要因素。

3）側(cè)門(mén)開(kāi)啟不暢，開(kāi)閉力過(guò)大加劇了側(cè)門(mén)框上方鈑金疲勞開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生。

4）通過(guò)對(duì)焊接工藝受限的位置采用液體及帶狀結(jié)構(gòu)膠連接，加大加強(qiáng)板尺寸，增加鈑金搭接處的受力面積可以降低應(yīng)力集中，提高局部連接強(qiáng)度，有利于解決側(cè)門(mén)框上角部鈑金疲勞開(kāi)裂問(wèn)題。

［1］ 梁會(huì)仁.某商用車(chē)駕駛室地板開(kāi)裂問(wèn)題分析研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］ 刑志偉.基于振動(dòng)疲勞的車(chē)身疲勞分析方法研究［D］. 河南工業(yè)大學(xué)，2014.

［3］ 許冰.某微型客車(chē)車(chē)身門(mén)框疲勞耐久分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.吉林大學(xué)，2011.

［4］ 柏鐵彬.商用車(chē)白車(chē)身開(kāi)裂問(wèn)題的研究和改進(jìn)［D］.吉林大學(xué)，2013.

［5］ 吳振宇.基于真實(shí)路況的車(chē)身結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究［D］.湖南大學(xué)，2014.

專家推薦

秦信武：

本為針對(duì)客車(chē)門(mén)框開(kāi)裂問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)、制造、受力進(jìn)行了較全面的分析，采用車(chē)身扭轉(zhuǎn)工況分析了開(kāi)裂部位的應(yīng)力水平，確認(rèn)為疲勞開(kāi)裂。通過(guò)兩個(gè)改善方案的白車(chē)身扭轉(zhuǎn)工況的受力對(duì)比分析以及實(shí)車(chē)驗(yàn)證，確定了最終的改善措施。該方法盡管不能安全模擬實(shí)車(chē)工況，但對(duì)用于設(shè)計(jì)改進(jìn)的對(duì)比分析比較快和有效。

The Cracking Research and Improvement for Side Door Frame of A Certain Vihicle

HUANG Xia, LUO Liao, HOU Lu
（ Commercial Product R&D Institute, Dongfeng Automobile Co., Ltd., Wuhan 430057, China ）

To solve the problem of a certain vehicle's side door frame fatigue cracking, related CAE simulation analysis, stress and strain test and the vehicles' practical manufacturing and operation situation are studied. This article locates the real reasons and solutions to solve the problem, then explains the research processes and methods of this problem. Improved solutions has been verified by road tests.

side door frame； cracking； structure optimization

U463.82

A

1005-2550（2016）03-0092-06