基于密封條反彈力的汽車車門鈑金預彎設計分析

歐陽明，劉美麗，趙云聰，向學文（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于密封條反彈力的汽車車門鈑金預彎設計分析

歐陽明，劉美麗，趙云聰，向學文
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在汽車車門鈑金的結構設計中，需考慮車門上窗框在密封膠條反力作用下的變形量。在沖壓模具制造之前，設計窗框預彎曲以抵消或減小窗框變形量，或者在焊接夾具上設計矯形調節余量，以滿足車身外觀面差要求。文章據此詳細闡述了車門預彎設計的方法思路及某車型應用實例。

汽車車門；預彎設計；密封膠條；壓縮負荷；窗框變形

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.029

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-94-05

1、車門鈑金預彎設計行業背景及現狀

汽車在人們的日常生活中，已經扮演了舉足輕重的地位，而且汽車也由一種交通工具逐步演變為物質生活的必需品。隨著汽車工業的多樣化發展，消費者對于汽車的消費期望和產品期待也日益攀高，汽車舒適性和外觀感覺也是消費者關注的焦點，而車身總成的外觀感覺就是消費者最直接的感官因素。

車身總成中，車門同樣承擔著非常重要的關鍵要素。汽車車門在汽車白車身中是一個相對獨立的總成，是由車門鈑金和車門附件組成，車門總成是通過鉸鏈和限位器與側圍連接，并且與車身側圍及翼子板等周邊件需滿足車型自身標準要求的間隙和面差。為了保證防雨防塵、隔音降噪對密封的要求，在車門總成與車身之間布置一道或兩道密封膠條，形成密封空間，但密封膠條的壓縮會給車門反作用力，此作用力就是造成車門鈑金變形的首要原因。在整個車門系統中，一般上下鉸鏈和門鎖嚙合處是車門與側圍的三個固聯點，車門四周的膠條壓縮產生的反作用力是車門鈑金變形的主要作用力，由于三個固聯點均布置在窗框以下，且形成較穩定的三角形結構，所以車門鈑金變形的發生主要在上窗框部位，且成類似線性分布，由車門外板上止口邊附近至窗框上沿變形量依次增大（不同車型隨著 A、B、C柱截面系數的不同而變形趨勢各不相同）。

為了消除或減小實車狀態車門上窗框的這種反作用力變形量，目前各汽車制造廠主要有兩種處理方式：其一較常用的方法是在焊接夾具上進行矯形調整，操作較為直接，但不易控制，需多次調整并結合實車狀態進行反復修正，最終達到理想的狀態；其二是在數據狀態考慮預變形量，需在鈑金設計時進行反向的預變形，主要是基于CAE分析的窗框變形量為依托，對車門鈑金工藝數據進行預彎曲變形處理，以便在鈑金沖壓模具制作時進行變形量調整，達到實車狀態下更為滿足車型標準的外觀面差。

經過大量數據調研，總結出了各個車系品牌對于車門鈑金預彎設計的不同方法和思路：歐美系絕大部分車型采用了第二種方法，設計車門鈑金預彎數據；日韓系較大部分車型同樣采用了第二種方法；自主品牌車系幾乎全部車型都采用了第一種方法，采用焊接夾具矯形方案。具體參見表1（僅示例汽車品牌，具體車型不進行公開）。

表1　車門鈑金預彎現狀調研

此調研是對各品牌下不同車型大量采集數據對比分析，為表達清晰簡明扼要，表1中列取的是汽車品牌下某一款代表車型的數據，僅僅是大量數據中最具代表性的一組數據。

首先，從車門結構上來分析，分體式內板和整體式內板的車型預彎思路有所不同。整體式車門因門框難以調整，所以幾乎所有的整體式車門車型都采用了第二種方案，進行預彎數模的設計，在沖壓模具階段進行預彎處理；而分體式車門由于在焊接夾具上可以對窗框Y向做一定矯形調整，因此分體式車門設計的車型大部分都采用第一種方案，沒有設計預彎數模，也有少部分采用第二種方案。

其次，從車系區別上來看，歐美系和日韓系方案較為統一，自主車系與之不同。歐美系和日韓系車型，不論分體式車門還是整體式車門，絕大部分采用第二種方案，設計預彎3D數模，但其中本田某車型因密封膠條反作用力較小，對鈑金的擠壓變形也很小，所以沒有采取任何預彎處理；自主車系車型大多是分體式車門，且均采取第一種方案措施，進行焊接夾具的矯形調整，這種情況可能跟自主廠家大多沒有掌握車門3D數模預彎的設計方法有關。

2、必要性與優點

從此次調研結果來看：對于整體式車門，由于面差調試困難，強烈建議設計預彎3D數模；對于分體式車門，如果密封條作用力很小，設計上可以不做預彎數模，如果密封條作用力大，窗框變形量大于 1mm的，為避免矯形帶來尺寸的不穩定，也需要設計預彎3D數模。總而言之，預彎3D數模的設計主要是為了抵消由于密封條反作用力對窗框的擠壓變形，同時避免了繁瑣的焊接夾具矯形調整。

為了能夠直觀了解密封膠條對于車門鈑金擠壓變形的影響程度，結合某款雙道密封的上市車型，如圖1所示進行了如下一項試驗，間隔200-300mm測量除門檻位置的32個選點的面差數據：

首先拆除車門頭道密封條和側圍門框密封條，并測量前后車門周圈與側圍的面差，每間隔200-300mm共選取32個點進行測量并記錄，標記為A組數據，詳細見表2(前后門分開測量，即測量前門時后門需安裝兩道密封條，測量后門時前門需安裝兩道密封條)。

表2　拆除兩道密封條測量面差值

其次安裝上車門頭道密封條，并測量前后車門周圈與側圍的面差，每間隔200-300mm共選取32個點進行測量并記錄，標記為B組數據，詳細見表3(前后門分開測量，即測量前門時后門需安裝兩道密封條，測量后門時前門需安裝兩道密封條)。

表3　僅安裝車門頭道密封條測量面差值

然后再安裝側圍門框密封條，并測量前后車門周圈與側圍的面差，每間隔200-300mm共選取32個點進行測量并記錄，標記為C組數據，詳細見表4(前后門分開測量，即測量前門時后門需安裝兩道密封條，測量后門時前門需安裝兩道密封條)。

表4　安裝兩道密封條測量面差值

對以上三組測量數據進行整理總結，可以得到單獨頭道膠條對車門鈑金擠壓變形的影響量以及兩道密封條共同作用對車門鈑金擠壓變形的影響量，詳細見表5。

表5　密封條對車門鈑金擠壓變形影響量

通過表5數據，可以直觀的看到該車型密封膠條作用力對車門鈑金的擠壓變形程度及主要變形區域。數據顯示該車型密封條擠壓前門鈑金變形量主要分布在0.3mm至1.7mm范圍內，后門鈑金變形量主要分布在0.1mm至1.3mm范圍內，前門鈑金變形量較大；前門頭道膠條作用力影響變形程度大于門框膠條約占70%，后門頭道膠條作用力影響變形程度與門框膠條相當均占50%；超過1.0mm的變形量主要分布在前后門上窗框部分，靠近門鎖嚙合點及鉸鏈部位變形量最小。

實車狀態下，超過1mm的變形量已經是肉眼可以分辨的范圍內了，1mm外觀面差的偏差也已經達到影響車輛外觀品質體驗的程度，所以在CAE分析密封膠條擠壓作用時，通常我們將車門鈑金超過 1mm變形量作為需要進行鈑金變形處理的基準。鈑金變形處理的思路方法前文也進行了粗略介紹，主要是焊接夾具矯形調整方案和3D數模預彎處理方案，或者兩種方案結合實施也是比較明智的選擇，同時兩種方案的優缺點也是顯而易見的。

第一種方案采用焊接夾具矯形調整的弊端較多，穩定性不是很好，需要配合返修來解決面差的問題，而且矯形量與收益是不對等的，矯形1mm才能獲得0.5mm的收益，矯形量越大效果越不穩定，而第二種方案設計預彎3D數模有利于減少甚至消除車門焊接夾具矯形調整量,避免由于調整量太大引起不穩定，所以車門鈑金設計預彎數模才是車門設計發展趨勢，特別是自主車系的汽車廠家迫切需求掌握這門設計方法。

3、車門鈑金預彎設計的方法介紹

車門鈑金3D預彎數模的設計方法一直是大部分自主車系汽車廠家未知的領域，所以相關技術知識是各大自主車企努力探索的方向。事實上，車門鈑金預彎設計的方法雖然比較復雜繁瑣，但卻也是條理清晰的，它是完全依托CAE分析結果進行的一種逆向思維的計算方法，主要包括以下幾個階段。

3.1車門鈑金數據擠壓變形CAE分析

一款車型的車門鈑金[1]是否需要進行預彎曲變形處理，首要的決定因素就是車門鈑金變形CAE分析結果。首先，需要提供給CAE分析部門車門鈑金及側圍原始3D數據、分析方法關鍵要素和相對應的約束條件。原始數據主要包括車門鈑金焊接總成、車門上下鉸鏈、車門鎖體及鎖扣總成、車門頭道密封條總成、門框密封條總成、側圍鈑金焊接總成以及相應的連接件和焊點信息。關鍵要素主要包括鉸鏈軸線、密封條壓縮負荷及壓縮方向。約束條件主要是上下鉸鏈安裝點和門鎖嚙合點三處固聯點。

如圖2所示，CAE分析中將上鉸鏈安裝點、下鉸鏈安裝點及門鎖嚙合點三處固聯點固定，在頭道密封條和門框密封條密封壓縮區域（或上鉸鏈以上至門鎖之間區域）對車門鈑金施加均布載荷，載荷大小同膠條壓縮載荷相當。通過CAE分析軟件，計算出車門鈑金各個點的位移量圖，并用不同顏色表示位移大小區間，如圖3。

3.2制作預彎曲數據

預彎數據制作過程是最為復雜的一個步驟，是根據鈑金變形量的CAE分析結果逐步調整修改，最終擬合出與位移后數據偏差最小的預彎3D數據。

首先，從CAE分析[2]結果中找出車門X向前后側最接近0mm位移變形的兩點連線、位移變形最大的點以及玻璃大面的旋轉軸線，通過最小位移連線來確定預彎曲的分界線，一般在外劈水條安裝止口以下附近區域。如圖4所示，紅色直線是最小位移變形連線，綠色曲線是玻璃大面旋轉軸線。

其次通過此玻璃曲面旋轉軸線，在保證玻璃大面的雙向曲率不變的前提下微調旋轉軸線，重復多次此步驟，逐漸擬合出與CAE分析結果最貼合的玻璃大面A1。如圖5所示，黃色曲線是微調后的玻璃大面旋轉軸線，綠色曲面是原玻璃大面，藍色曲面是擬合調整后的玻璃大面。

然后再將玻璃大面A與玻璃大面A1，通過最接近0mm位移的兩點連線附近位置進行相切橋接連接，得到連接面A和面A1的過渡面B，三個面結合在一起得到的新面AB就是作為制作預彎數據基準的新玻璃面。如圖6所示，綠色曲面是原玻璃大面，藍色曲面是擬合調整后的玻璃大面，黃色曲面是連接兩曲面的過渡曲面。

最后，用新得到的玻璃面替換車門鈑金（主要是上窗框區域）制作過程的老玻璃面，并更新制作出預彎后的鈑金數據，此過程不做詳細描述。

3.3工藝檢查分析

更新制作出的預彎3D數據，首先需要下發沖壓工藝檢查確認。在工藝CAE分析確認沖壓過程無開裂、起皺、滑移線等工藝缺陷，或經過數據修改后確認工藝實施可行性通過后，即可下發此版預彎3D數據進行沖壓模具制作。

3.4根據預彎曲數據進行沖壓模具設計

在預彎數據下發后，經過模具廠家選點、模具制作工藝分析評審、預彎數據修改最終確定工藝數據，并開始模具設計。模具設計制作完成后，開始試模打件，然后經過多輪模具調整，最終生產出滿足標準的車門鈑金總成。

3.5實物車門裝車確認

車門鈑金各零部件在確認滿足尺寸要求之后，經過焊接和涂裝工藝，拼接成整體的車門總成。車門總成需經過檢具確認或三坐標打點測量滿足設計要求之后，即可進行實車裝車確認，驗證預彎數據制作的效果與作用。

4、基于某車型的車門鈑金預彎設計應用實例

通過上文所介紹的車門鈑金3D數據預彎設計過程，基于某上市車型進行了車門鈑金預彎設計的實車應用，該車為一款MPV車型，簡稱M車。在設計初期SE數據制作階段，CAE分析車門鈑金受力變形量較大，隨之進行了3D數模的預彎曲變形處理，最終實車驗證通過了成果驗收。

CAE分析中，M車密封膠條相關參數輸入如圖7、圖8，主包括前后車門門框膠條和頭道膠條的周圈長度、膠條各段在不同壓縮量下的壓縮負荷、重點關注區域等等。

M車車門鈑金數據經過CAE模擬分析，結果如圖9、圖10，前門Y向偏移變形量最大約1.8mm，后門Y向偏移變形量最大約1.6mm，偏移量均超過1mm且分布區域較大，所以CAE分析結論是M車強烈建議進行3D數模預彎處理。

根據CAE[3]分析結果，按照車門鈑金3D預彎數據的制作方法，制作出了M車前后門的預彎數據，此數據同CAE分結果中的偏移變形量相對較吻合，各采集點偏差量不超過0.05mm，詳見圖11、圖12，綠色為原始數據，藍色為預彎后數據。

M車預彎曲變形車門鈑金數據初版制作完成后，經過工藝與CAE再確認分析后，再次進行了多輪數據評審和微調修改，最終下發車門預彎終版數據。然后經過鈑金沖壓模具設計加工及沖壓試件，預彎鈑金合格零部件逐步完成制造，再通過焊裝與涂裝工藝，M車預彎曲變形車門鈑金終于組裝完畢，等待裝配車身總成檢驗效果。在周邊附件（包括密封膠條）確認安裝齊全后，M車四門預彎曲鈑金開始進行白車身合裝。經過簡單便捷的直接性車門合裝后，無需對車門外觀間隙面差進行手工調整，隨即測量四門周圈面差數值，得出以下數據，見表6。

表6　安裝兩道密封條的預彎處理車門測量面差偏差值

測量方法及選點同圖1所述，由表6測量數據結果可以非常直觀的判斷出，預彎曲處理后的M車車門鈑金雖然未經過夾具矯形及面差調整，但實車測量面差值偏差較小，已經完全滿足M車設計標準要求，節省了調整和矯形的步驟，大大降低了車門制造過程中的工時和人力，也證明了車門數據預彎曲處理的有效性。

5、結論

在汽車車身總成中，無論車門結構是整體式還是分體式，也無論車門密封系統是單道密封還是雙道密封，密封膠條的壓縮總會對車門鈑金造成作用力擠壓變形。通過CAE的結構分析，對于車門上窗框變形量達到或超過 1mm的實例，進行車門鈑金預彎曲3D數據制作，使之在沖壓模具上進行預彎曲處理，可以取消焊接夾具矯形或者輔助夾具矯形，從而達到更穩定、更準確的車門鈑金外觀面差效果。本文對此種車門鈑金預彎處理方法進行了詳細的闡述和實例應用介紹，旨在探討由于密封條反彈力導致的汽車車門彎曲變形更簡潔的解決思路和方法，也對自主車企在汽車正向設計中起到一定參考和啟發作用。

[1]林程，王文偉，陳瀟凱.汽車車身結構與設計[J].機械工業出版社.2014.01.

[2]成艾國，沈陽，姚佐平.汽車車身先進設計方法與流程[J].機械工業出版社.2011.05.

[3]劉宏新，郭麗峰，徐高偉，周向榮.CATIA工程結構分析[J].機械工業出版社.2015.09.

The analysis of the pre-bending design on the Door Panel based on the rebound force of the weather strip

Ou Yangming,Liu Meili,Zhao Yuncong,Xiang Xuewen
(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601)

In the structure design of door panel,the frame should be considered in deformation under the reaction of weather strip.Before making stamping die,we should design the pre-bending on the frame to offset or reduce the deformation,or design corrective adjustment in the welding jig,to meet the requirements of the body exterior surface offset.This paper expounds on the method of pre-bending design on the door panel and application at the model of practical examples.

automobile door; the pre-bending design; weather strip; compression load; frame deformation

U463

A

1671-7988（2016）08-94-05

歐陽明（1989-），男，助理工程師，畢業與吉林大學，材料科學與工程學院2011屆，2011年開始工作于江淮汽車技術中心車身設計研究院，從事轎車車門系統設計工作。