乘用車白車身金屬結構膠的應用

吳 強（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

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乘用車白車身金屬結構膠的應用

吳 強
（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章介紹了金屬結構膠的特性，以及車身輕量化與靜剛度的關系，并以某車型為例，其車型開發前期經CAE分析部分目標值不滿足要求，后期在車身上大量應用結構膠，在不明顯增加車體重量的前提下提升車了身模態和剛度，滿足設定目標。

結構膠；模態；扭轉剛度；輕量化系數

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.080

CLC NO.: U465Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-237-03

1、金屬結構膠簡介

車身金屬結構膠主要分剛性結構膠與彈性結構膠：剛性結構膠用于白車身鋼板和鋼板粘接、鋼板與其他金屬粘接，彈性結構膠主要用于金屬與塑料的連接。以前在國外品牌的車型中使用較多，隨著技術進步和成本控制，近年來國產品牌車型應用的車型數量、單臺車用量均有較大增長。

結構膠具有以下幾大物理性能：

1、吸收基材表面油脂，油面附著性好；

2、環境溫度穩定性和耐久性；

3、剛性連接；

4、高韌性；

5、彈性模量1500～6500Pa；

6、延展性≤3%；

7、耐涂裝液沖洗。

其中高韌性、穩定和耐久性對白車身至關重要，直接影響到白車身性能。

如圖1所示，結構膠連接明顯折彎吸能效果好，鈑金沒有出現撕裂現象，體現了結構膠的高韌性。良好的吸能效果，使鋼板厚度減小，實現輕量化。

通過試驗可以得出，結構膠的粘結性能受溫度影響變化小，如圖2所示。

圖3為結構膠耐久性試驗對比，紅色曲線是焊接+結構膠，黑色是只有焊接的，對比曲線可知應用結構膠后：1.提高抗疲勞壽命；2.更高承載能力。

綜上，可以得出結構膠具有以下優勢：

此外，由于結構膠使鈑金間連續型連接，相對傳統的焊點連接，具有載荷分配均衡、防止折彎、抵抗瞬時形變、保持一定方向的支撐承載力等優點。

金屬結構膠優點顯而易見，但其價格較高，使用成本遠高于傳統的焊點連接，故不能盲目設計應用結構膠，要考慮成本因素、按需使用。

2、白車身輕量化及NVH

車身剛度和NVH，特別是車身模態和靜剛度，是車身物理性能最重要的考量。它影響著車輛的承載性和舒適性。

車身輕量化系數，用來衡量車身的輕量化水平，已經被廣泛地應用在歐美的車身設計當中。

L：輕量化系數，越低越好；

mBIW：白車身重量；

CT：車身扭轉剛度；

A：投影面積=輪距×軸距

理論上，提高模態和剛度會增加白車身的重量。因此要在車身設計時，對車身機械性能和重量進行平衡。從上述公式可以看出，為了在降低輕量化系數L，車身重量mBIW的同時必須保持或增大扭轉剛度CT。而結構膠的使用通常能夠在不增加mBIW的情況下使CT增加10%～20%。

白車身靜剛度分為彎曲剛度和扭轉剛度，如圖5、圖6。數值大小主要取決于汽車部件的布置和車身結構剛度設計。

乘用車車身低階模態頻率大致在20～50Hz，汽車在輪胎上的振動頻率及發動機在其懸置上的頻率等激勵頻率，與車身低階模態頻率很接近。因此，車身設計要非常注重結構低階模態頻率的設計，注意提高車身整體的剛度和部件剛度，通過修改結構，使車身或部件的模態頻率避開激勵頻率，通常設計車身低階模態頻率時要高于激勵頻率，以防止共振。

低階模態分為：基頻、一階彎曲、一階扭轉。

3、某SUV金屬結構膠應用設計

某中型SUV車型，開發前期即進行了碰撞安全性、靜剛度和模態目標值的設定，制定依據是根據車型類型、尺寸、市場定位，并對比數據庫中相似車型指標后綜合確定。

在產品結構數據階段（招標數據），CAE碰撞分析結構滿足要求，但是靜剛度和模態結果不滿足設定要求。此后在產品工程設計階段（模具設計數據）進行了結構設計優化，CAE分析靜剛度和模態仍不滿足要求。

此時通過結構優化的方法來提高 NVH性能，將帶來白車身重量的增加，導致重量超出既定目標。此時，需考慮應用金屬結構膠來提高白車身NVH性能。

結構膠的使用位置和長度要根據CAE來分析，通常設計在對車體結構強度影響大的焊接區域。如前圍區域、前地板與上/下部框架搭接區域、后地板與上/下部框架搭接區域、后地板與后輪包搭接區域、側圍門洞區域等。

圖8為某SUV根據設計經驗，初步設計了結構膠方案，總長度約110米，CAE分析結構滿足目標值。

在此基礎上，對結構膠應用部位進行了優化以降低成本，通過CAE多輪驗算，結構膠用量由110米減少到70米，靜剛度和模態分析值略有下降但仍滿足要求。

削減結構膠的區域主要為：發動機艙前縱梁、前輪包、后輪包、頂蓋外板、尾門框等，如圖9。

CAE分析結果對比，見表1。

表1　結構膠效果對比

通過對比分析，金屬結構膠關鍵應用部位為前圍與A柱的連接、地板下部框架與地板的連接、A/B/C/D柱加強板與內板的連接、后輪包外板與內板的連接。

4、總結

本文僅以金屬結構膠提升NVH性能為例，簡要介紹其布置和驗證過程，總結出結構膠應用的關鍵部位。實際上結構膠還有代替焊點、提高耐久性、碰撞性能等作用，故要根據設計需求來綜合考慮結構膠的布置，同時考慮重量、性能、成本之間的平衡。

結構膠不能直接減重，而是通過性能的提升，優化加強結構、減少鈑金材料厚度，從而降低白車身的重量。

金屬結構膠的應用要以車體鈑金結構最優化為前提，其提高性能是相對的一個范圍，不能僅僅靠結構膠來提高性能，故設計前期不建議直接使用結構膠，將前期重點工作定為結合CAE分析在結構設計方面盡可能地優化。在開發中后期，若在性能、重量兩個方面需要進一步優化，再考慮金屬結構膠設計。

[1]成艾國,沈陽,姚佐平.汽車車身先進設計方法與流程[M].北京：機械工業出版社,2011

[2]陳濤,胡潔,聶昕,成艾國.汽車車身設計質量控制[M].北京：機械工業出版社，2013

[3]羅坤,陳超等.汽車輕量化技術的發展現狀及其實施途徑[J].科學與財富,2015年第21期；

[4]吳衛楓,唐程光等.車身輕量化過程方法介紹[J].汽車工藝與材料,2015年第4期.

Application of white body metal structure adhesives for passenger car

Wu Qiang
(Anhui Jianghuai Automobile co.,LTD.,Technical Center,Anhui Hefei 230601)

This article describes the characteristics of the metal structural adhesive,and the relationship between body lightweight and static stiffness.In this article we take one model for example,which can't fulfil the target due to the CAE analysis at the beginning.After using a large number of structural adhesive,the body modality and stiffness have been enhanced while the body weight doesn't increase significantly.

structural adhesives; modality; torsional stiffness; light weight coefficient

U465

A

1671-7988（2016）08-237-03

吳強（1982-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心。主要從事車身結構設計方面的工作。