側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

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

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

為了在整車產品開發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分析并優化參數和結構。

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，門內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，使車門內腔產生氣體沖擊，由車門封板上的氣壓傳感器監測并記錄門內腔氣壓變化情況，數據由數據采集系統反饋到控制臺架。

圖1 氣壓試驗臺架示意

門內腔氣壓隨時間的變化情況如圖2 所示，曲線記錄了車門內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 車門內腔氣壓隨時間變化情況

3 不同環境溫度下封板氣壓試驗研究

車輛在不同地區使用時面臨的極端環境溫度不同，為了滿足不同地區的使用需求，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夏季車內最高溫度可達70 ℃，黑龍江黑河市冬季車內最低溫度可達-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，設置了6 組環境溫度，分別是-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、23 ℃、50 ℃和80 ℃，試驗結果如表1所示。

表1 不同溫度下封板的抗壓能力

試驗結果表明，環境溫度越低，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 車門封板硬度及結構優化

為了解決該車門封板在高溫工況下抗壓能力弱的問題，本文從封板結構和材料硬度2 個方面進行優化。

4.1 封板結構優化

封板材料在高溫工況下存在一定軟化，當車門內腔氣壓急劇升高時，封板主體表面受壓力作用會發生變形，進而從內鈑安裝孔脫開。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構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化前、后對比

將車門封板背面加強筋優化后的零件在6組不同溫度下進行氣壓試驗，試驗結果如表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。封板在模擬側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，加強筋優化后封板抗壓能力達到6 040 Pa，仍未滿足要求，還需繼續優化。

表2 加背板筋后封板的抗壓能力

4.2 封板材料硬度優化

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。采用不加筋狀態模具，取6組不同硬度的原材料進行試驗，試驗結果如表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。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鈑翻邊之間的卡接力受自身斷面結構的影響，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 結束語

本文參考整車側面碰撞工況的特點，使用自主設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。通過設計正交試驗，探究了不同溫度工況、材料硬度、背板筋結構對車門封板極限抗壓能力的影響。可以得到以下主要結論：

a.封板的極限抗壓能力與環境溫度呈負相關，在-40～80 ℃區間內，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構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，材料硬度越高，零件安裝手感越差。