韋逢義 謝業(yè)遠(yuǎn) 周福榮 施華灘

【摘 要】針對(duì)全工裝樣件階段臺(tái)架耐久試驗(yàn)車上出現(xiàn)的前側(cè)門在限位器安裝位置焊點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題，文章對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊點(diǎn)布置進(jìn)行理論分析及實(shí)際驗(yàn)證，以降低限位器安裝面處的應(yīng)力，解決焊點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題。文章通過(guò)對(duì)比各種方案，尋求零件輕量化與性能指標(biāo)的平衡，應(yīng)用CAE軟件進(jìn)行強(qiáng)度及應(yīng)力的分析計(jì)算，總結(jié)了限位器加強(qiáng)板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

【關(guān)鍵詞】限位器加強(qiáng)板；臺(tái)架試驗(yàn)；側(cè)門內(nèi)板

【中圖分類號(hào)】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）12-0065-03

0 背景

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)與環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，國(guó)家制定了嚴(yán)格的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)。節(jié)能減排已是目前全球汽車行業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn)，進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的匹配性、加快發(fā)展替代能源和新能源汽車、大力開(kāi)展汽車輕量化工程等，都是非常有效的措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，乘用車的整車重量每減輕10%（100～200 kg），可節(jié)油6%～8%，排放降低4%左右。減重可能會(huì)引起零件結(jié)構(gòu)性能的減弱，從而影響整車的性能，犧牲性能指標(biāo)來(lái)達(dá)到減重目的的做法是不可取的。研究如何通過(guò)零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及合理的焊點(diǎn)布置，使零件性能與輕量化之間達(dá)到平衡，這是非常重要與有意義的課題。

在車輛的使用中，通過(guò)門鉸鏈旋轉(zhuǎn)對(duì)車門進(jìn)行開(kāi)啟與關(guān)閉，通過(guò)限位器進(jìn)行車門限位。限位器是指與側(cè)門和車身相連接，能夠隨側(cè)門一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可限制側(cè)門停在某一角度位置的部件總成。當(dāng)某種特殊情況下，車門會(huì)被暴力開(kāi)啟，門到達(dá)最大開(kāi)啟位置時(shí)，限位器與門鉸鏈同時(shí)受力，對(duì)車門上的內(nèi)板及加強(qiáng)板零件有較大的作用力，容易出現(xiàn)零件開(kāi)裂或焊點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)此種門過(guò)開(kāi)情況，進(jìn)行CAE受力分析，以此來(lái)指導(dǎo)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊點(diǎn)布置。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際的臺(tái)架耐久試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，零件與焊點(diǎn)均未出現(xiàn)開(kāi)裂才能滿足要求。如若前期未能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效校核，試驗(yàn)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)各種開(kāi)裂現(xiàn)象。這樣就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)零件的更改，即增加了零件開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)也影響了整車的開(kāi)發(fā)周期。本文針對(duì)某車輛在全工裝樣件階段臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的焊點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題，研究限位器加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊點(diǎn)布置對(duì)性能指標(biāo)的影響，并提出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1 側(cè)門限位器加強(qiáng)板焊點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題描述及原因分析

1.1 問(wèn)題描述

某乘用車在進(jìn)行臺(tái)架耐久子系統(tǒng)試驗(yàn)，對(duì)車輛進(jìn)行常規(guī)檢查，左前側(cè)門開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)到3 800次，右前側(cè)門開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)到5 500次時(shí)，發(fā)現(xiàn)限位器加強(qiáng)板與內(nèi)板在限位器安裝面處的連接焊點(diǎn)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象（如圖1所示），不滿足零件性能要求。

1.2 原因分析

（1）限位器處的焊點(diǎn)質(zhì)量不符合要求。根據(jù)電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)要求，對(duì)加強(qiáng)板與內(nèi)板進(jìn)行剝離，測(cè)量其焊接熔合大小，焊接熔合大小<4 mm為不合格，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，開(kāi)裂處焊點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)要求，排除該因素對(duì)焊點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題的影響。

（2）焊點(diǎn)開(kāi)裂處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。CAE分析結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果顯示該車型開(kāi)裂處的焊點(diǎn)存在應(yīng)力集中，不滿足設(shè)計(jì)要求，且應(yīng)力大于某量產(chǎn)車型，該車型在試驗(yàn)中未出現(xiàn)焊點(diǎn)開(kāi)裂情況。

理論上，車門總成過(guò)開(kāi)，限位器對(duì)內(nèi)板和限位器加強(qiáng)板施加一個(gè)力，在力的作用下，內(nèi)板與加強(qiáng)板會(huì)出現(xiàn)變形。由于受零件的材料、厚度及受力分布的影響，2個(gè)零件的變形趨勢(shì)及變形量有所不同，會(huì)對(duì)連接內(nèi)板與加強(qiáng)板的焊點(diǎn)再形成拉力與剪切力。2個(gè)連接零件的相對(duì)變形量越大，其對(duì)焊點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力越大，超過(guò)零件屈服值時(shí)，焊點(diǎn)容易出現(xiàn)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。從表2中可以看出，焊點(diǎn)1和焊點(diǎn)2的應(yīng)力大小超過(guò)了門內(nèi)板與限位器加強(qiáng)板的材料屈服強(qiáng)度最小值120 MPa，每次車門過(guò)開(kāi)時(shí)，焊點(diǎn)都處于超負(fù)荷狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的次數(shù)時(shí)，焊點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂情況。

通過(guò)以上分析，限位器安裝面的焊點(diǎn)出現(xiàn)開(kāi)裂的根本原因?yàn)榇颂幒更c(diǎn)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，超出板材應(yīng)力屈服極限，焊點(diǎn)過(guò)載疲勞開(kāi)裂。

2 限位器加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

根據(jù)原因分析，結(jié)合數(shù)模確定解決方案。通過(guò)查看數(shù)模可知，現(xiàn)有的內(nèi)板與限位器加強(qiáng)板的厚度分別為0.65 mm與1.2 mm，限位器加強(qiáng)板與下鉸鏈加強(qiáng)板分開(kāi)為2個(gè)部件，下鉸鏈加強(qiáng)板的厚度為1.5 mm。根據(jù)受力分析，從增加板厚和結(jié)構(gòu)調(diào)整方面考慮，制訂以下優(yōu)化方案。

方案1：內(nèi)板板厚由0.65 mm增加到0.8 mm，限位器加強(qiáng)板的厚度不變。

方案2：限位器加強(qiáng)板厚度由1.2 mm增加到1.5 mm，內(nèi)板厚度不變。

方案3：內(nèi)板板厚由0.65 mm增加到0.8 mm，同時(shí)限位器加強(qiáng)板厚度由1.2 mm增加到1.5 mm。

方案4：將限位器加強(qiáng)板與下鉸鏈加強(qiáng)板合并為一個(gè)零件，厚度為1.2 mm，內(nèi)板厚度不變。

方案5：在原方案的基礎(chǔ)上直接取消限位器安裝面處的2個(gè)焊點(diǎn)，內(nèi)板與限位器加強(qiáng)板不做更改。

方案6：更改限位器加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)板在限位器安裝面處起2個(gè)加強(qiáng)筋，同時(shí)取消安裝面處的焊點(diǎn)，在側(cè)面及底部分別增加3個(gè)和2個(gè)焊點(diǎn)，內(nèi)板厚度不變。

各方案示意圖如圖2所示。

3 各優(yōu)化方案應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析及方案選定驗(yàn)證

對(duì)上述6個(gè)方案分別進(jìn)行CAE分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)比以上6個(gè)方案的應(yīng)力分析結(jié)果，除方案4外，其他方案都能使限位器處的應(yīng)力值降低。

方案1：對(duì)比原方案的應(yīng)力下降了1.3%，需要修改原內(nèi)板模具，重量增加1.24 kg，應(yīng)力改善較小，應(yīng)力疲勞導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較高。

方案2：對(duì)比原方案的應(yīng)力下降了3.9%，需要修改原限位器加強(qiáng)板模具，重量增加0.22 kg，應(yīng)力改善較小，存在應(yīng)力疲勞導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較高。

方案3：對(duì)比原方案應(yīng)力下降了44.4%，相較于原方案有很大的提升，但需要修改原限位器加強(qiáng)板與內(nèi)板的模具，重量增加1.46 kg，應(yīng)力疲勞導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)小。

方案4：對(duì)比原方案重量雖然減輕了，但是應(yīng)力大小反而上升了，應(yīng)力疲勞導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)大。

方案5：限位器安裝面處的應(yīng)力下降了20.2%，但應(yīng)力值仍超過(guò)零件的屈服強(qiáng)度，同時(shí)限位器加強(qiáng)板與底部搭接的焊點(diǎn)應(yīng)力變大，達(dá)到130 MPa，兩處都有焊點(diǎn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

方案6：對(duì)比原方案改善了39.2%，限位器安裝面處應(yīng)力大小分別為93 MPa與94 MPa，與上文量產(chǎn)車型基本一致，應(yīng)力改善較為明顯，應(yīng)力疲勞導(dǎo)致開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較低，需要更改限位器加強(qiáng)板模具，重量并未增加。

通過(guò)CAE分析結(jié)果可知，內(nèi)板限位器位置的鈑金應(yīng)力與限位器加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)及焊點(diǎn)分布有密切相關(guān)，其直接影響加強(qiáng)板與內(nèi)板上的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中的位置。

與前3個(gè)方案對(duì)比可以看出，單純地增加加強(qiáng)板與內(nèi)板的厚度對(duì)于應(yīng)力的改善較小，而且零件重量、修模費(fèi)用與開(kāi)發(fā)周期都增加了。

與方案4對(duì)比可以看出，將限位器加強(qiáng)板與下鉸鏈加強(qiáng)板合為一個(gè)零件，雖然限位器處受力面積加大了，但其同時(shí)也承受了由下鉸鏈處分的過(guò)載力，因此焊點(diǎn)的應(yīng)力并未降低，此方案零件需要重新開(kāi)模，周期長(zhǎng)、費(fèi)用大。

與方案5對(duì)比可以看出，限位器安裝面處存在焊點(diǎn)時(shí)，限位器安裝面處的最大應(yīng)力值在焊點(diǎn)處，焊點(diǎn)距離限位器受力點(diǎn)近，焊點(diǎn)最先承受力，因焊點(diǎn)的受力面積小，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)取消安裝面處的焊點(diǎn)時(shí)，原2個(gè)焊點(diǎn)承受的力分散到剩余的焊點(diǎn)上，因此其他焊點(diǎn)的應(yīng)力提高了。

和方案6對(duì)比可以看出，當(dāng)限位器安裝面處無(wú)焊點(diǎn)時(shí)，限位器安裝面處的最大應(yīng)力值在安裝螺栓處，螺栓的受力面積較焊點(diǎn)的受力面積大，同時(shí)限位器加強(qiáng)板上限位器安裝面兩側(cè)增加的筋條，提高了加強(qiáng)板的剛度，可減小其受力變形量，可對(duì)周邊焊點(diǎn)起到保護(hù)作用。新增焊點(diǎn)可以共同承受過(guò)載力，可有效地降低各個(gè)焊點(diǎn)承受的應(yīng)力。

在保證產(chǎn)品性能的前提下，對(duì)零件成本與修模周期進(jìn)行評(píng)估。方案6應(yīng)力大小改善明顯，低于材料的屈服強(qiáng)度，同時(shí)零件模具改動(dòng)量小，周期短，成本較低，因此選定方案6作為最終可行性方案。

按照方案6整改零件后同時(shí)進(jìn)行側(cè)門過(guò)開(kāi)耐久試驗(yàn)和常規(guī)性耐久驗(yàn)證。試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)車上所有焊點(diǎn)均未出現(xiàn)開(kāi)裂情況，方案6實(shí)車驗(yàn)證可行。

4 總結(jié)

綜上所述，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，零件的性能是可以通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊點(diǎn)布置來(lái)進(jìn)行改善。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合CAE軟件分析，可以很好地避免一些零件后期試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)限位器加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)及焊點(diǎn)位置布置的分析，為后續(xù)項(xiàng)目上的零件開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]郭竹亭.汽車車身設(shè)計(jì)[M].長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[2]吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械設(shè)計(jì)出版社，2003.

[3]李少波，謝慶生，楚甲良.汽車車身設(shè)計(jì)方法探討[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（12）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]