莊京彪，王軍麗

(三一重機(jī)有限公司，江蘇昆山 215300)

0 引言

頂蓋作為汽車車身輪廓尺寸比較大的外覆蓋件，在整車中起著重要作用。頂蓋的設(shè)計(jì)不僅要兼顧造型設(shè)計(jì)的要求，又要滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求。頂蓋設(shè)計(jì)要確保頂蓋外表面在受外力施壓時(shí)，具備一定的抗凹性，不輕易發(fā)生變形；保證車輛側(cè)翻時(shí)頂蓋具有足夠的強(qiáng)度保護(hù)車內(nèi)乘員；保證車輛在側(cè)碰時(shí)，頂蓋橫梁將碰撞力分散傳遞，防止車身過(guò)度變形侵入，保護(hù)乘員的生存空間。文中以SUV車身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)為例，詳細(xì)介紹了頂蓋斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和方法。

1 頂蓋設(shè)計(jì)相關(guān)法規(guī)

1.1 車頂抗壓法規(guī)GB 26134—2010

此法規(guī)主要評(píng)價(jià)汽車在發(fā)生翻滾時(shí)車頂抗擠壓的能力，其要求主要為：壓板在向下127 mm的運(yùn)動(dòng)行程中所受到的最大阻力不得小于1.5倍車重；如果車重的 1.5倍大于22 240 N，則要求不得小于22 240 N，要求所受最大阻力不小于2.5倍車重[1]。

頂蓋結(jié)構(gòu)的左右兩側(cè)都要滿足以上要求，試驗(yàn)如圖1所示。

1.2 乘用車外部凸出物GB 11566—2009

此標(biāo)準(zhǔn)不適用于在汽車滿載、車門車窗及各種入口均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，外表面位于以下位置的零件[2]：

(1)高出地面1 800 mm的部分;

(2)低于底線的零部件;

(3)在工作狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)下，均不能被直徑100 mm的球體所觸及的零部件。

頂蓋凸出的圓角半徑R至少為2.5 mm，推薦值R3.0 mm(不適用于突出高度h<1.5 mm的零件及突出高度1.5 mm ≤h<5 mm，但零件朝外部分是圓滑的零件)，若材料硬度不超過(guò)邵氏硬度60時(shí)，R可小于2.5 mm。

頂蓋突出物示意如圖2所示。

圖2 頂蓋突出物示意

2 頂蓋結(jié)構(gòu)及性能要求

頂蓋總成包括頂蓋外板、前后橫梁以及中間橫梁，帶天窗的頂蓋總成還包含天窗加強(qiáng)框，頂蓋總成結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。橫梁起支撐頂蓋，增加頂蓋剛度，減少車輛行駛時(shí)的振動(dòng)，增強(qiáng)暴風(fēng)雪天氣，頂蓋的抗雪壓能力。頂蓋橫梁連接左右側(cè)圍，對(duì)整車骨架的強(qiáng)度和剛度起到重要作用，尤其在整車側(cè)碰時(shí)起到傳遞和分散碰撞力的作用，另外橫梁為頂燈、遮陽(yáng)板、頂棚等提供安裝點(diǎn)。

頂蓋的性能及工藝性要求如下：

(1)保車身受到外部力(沖擊或者振動(dòng))有足夠的強(qiáng)度和剛性。

(2)隔離車輛外的異物(水、灰塵)維持舒適的室內(nèi)空間。

(3)滿足頂壓試驗(yàn)要求。

(4)滿足頂棚、遮陽(yáng)板、內(nèi)后視鏡等內(nèi)飾的安裝，滿足室內(nèi)頂燈、線束等電氣裝置及其他系統(tǒng)裝置的安裝，保證正常使用及維修等需要。

(5)滿足成形、焊裝及涂裝工藝要求。

圖3 頂蓋總成結(jié)構(gòu)

圖4 頂蓋總成結(jié)構(gòu)(帶天窗)

3 頂蓋斷面設(shè)計(jì)要點(diǎn)介紹

汽車頂蓋為大尺寸覆蓋件，表面曲率較小，沒(méi)有復(fù)雜的局部特征，拉延成形過(guò)程中，板料的塑性變形相對(duì)較小，成形后易產(chǎn)生回彈，頂蓋外板A面縱向中間斷面的擬合半徑要求小于6 000 mm，若大于此值，建議頂蓋增加加強(qiáng)筋，如圖5所示。

圖5 頂蓋外板縱向中間斷面

頂蓋前端與風(fēng)擋玻璃搭接，風(fēng)擋玻璃分為有裝飾條和無(wú)裝飾條兩種，圖6為有裝飾條的前風(fēng)擋玻璃頂蓋前斷面，頂蓋和裝飾條的配合斷差一般為2 mm，無(wú)裝飾條的風(fēng)擋玻璃，斷差一般為4～5 mm。圖中L1=20～30 mm;L2=11～16 mm;L3=2.5～3.3 mm;L4=6 mm。

頂蓋后部與后背門配合，間隙/面差一般為7 mm/1 mm，頂蓋為了避讓后背門開(kāi)閉時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需與后背門至少保持5 mm的間隙，因此頂蓋后部凹陷臺(tái)階面一般存在沖壓負(fù)角，需要考慮沖壓的可行性，負(fù)角不小于40°，如圖7所示。頂蓋后部布置有背門鉸鏈安裝點(diǎn)，鉸鏈安裝面需要設(shè)計(jì)成有凸臺(tái)面的形狀，以提高剛性[3]。

圖6 A-A斷面

圖7 B-B斷面

頂蓋后部安裝密封條，密封條與背門密封面壓縮，阻止雨水，灰塵進(jìn)入車內(nèi)，同時(shí)阻斷環(huán)境噪聲進(jìn)入車內(nèi)，提升車內(nèi)的靜謐性。密封條安裝止口與密封面盡量垂直，角度控制在90°～95°以內(nèi)。理論上，背門密封面上部與密封條接觸面的延長(zhǎng)線應(yīng)通過(guò)鉸鏈中心，才能保證背門與密封條密封關(guān)系的正確，通常密封面延長(zhǎng)線難以完全做到通過(guò)鉸鏈中心，盡量保證偏差在5°以內(nèi)[4]，如圖8所示。

圖8 頂蓋后部止口角度

配置天窗的車型，頂蓋中間部位有天窗開(kāi)口，開(kāi)口周邊有翻邊，與天窗密封條配合。

一般主機(jī)廠為了節(jié)約成本，帶天窗和不帶天窗的頂蓋共用一套模具。由于頂蓋存在弧度，天窗開(kāi)口成形為壓縮翻邊，翻邊部位容易起皺，影響頂蓋的表面質(zhì)量，開(kāi)口部位的形狀尺寸設(shè)計(jì)對(duì)于成形后的表面質(zhì)量影響較大。

頂蓋天窗開(kāi)口尺寸如圖9所示。

圖9 頂蓋天窗開(kāi)口尺寸

由圖可知：

(1)B

(2)R1=①=②(理想情況);

(3)R2=60～65 mm;

(4)R3=③(理想情況),考慮外觀，滿足成形性的情況下，此邊一般為直線;

(5)C、D根據(jù)天窗大小而定。

翻邊的結(jié)構(gòu)尺寸如圖10所示。

圖10 天窗開(kāi)口翻邊尺寸

對(duì)于內(nèi)藏式天窗，頂蓋開(kāi)口翻邊充當(dāng)密封面，翻邊的高度既要保證有效的密封尺寸，又要保證不與天窗的運(yùn)動(dòng)軌跡干涉。圖10中，a=14～18 mm；b=5～8 mm;c=4～5 mm,天窗配合面寬度，根據(jù)天窗密封條壓縮密封要求定義(不包含倒角)；R=1.5～2 mm，頂蓋天窗開(kāi)口處圓角，在模具能夠?qū)崿F(xiàn)的情況下，外角R取小不取大；d=14～18 mm；k=22～30；e=1 mm；f=2 mm；g=5 mm；m=2 mm；h=4 mm。

頂蓋側(cè)面與側(cè)圍搭接形式如圖11所示，圖中兩種不同的搭接方式，代表著兩種不同形式的頂蓋裝飾條結(jié)構(gòu)，圖11(a)為頂蓋局部翻豎邊，裝飾條卡扣卡接在豎邊部位;圖11(b)為燕尾槽搭接，裝飾條卡接在燕尾槽中。

圖11 D-D斷面

頂蓋與側(cè)圍點(diǎn)焊連接，有效焊接邊L≥13 mm，既要保證頂蓋涂膠寬度的要求，又要滿足焊接寬度的要求。需要校核搭接部位的寬度d=27 mm，保證焊鉗能有效地焊接，避免與鈑金產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，如圖12所示。

圖12 焊槍操作空間

4 頂蓋橫梁設(shè)計(jì)

4.1 前橫梁

前橫梁為閱讀燈、遮陽(yáng)板、頂棚提供安裝點(diǎn)，前橫梁與車身的連接方式分為兩類：(1)前橫梁與頂蓋先焊接，后與左右側(cè)圍焊接和螺接；(2)前橫梁利用搭扣初定位與側(cè)圍焊接。前橫梁一般為U形截面，截面的高度影響駕駛員的前方視野及頂棚的高度，設(shè)計(jì)時(shí)一般合理控制其高度。前橫梁前端與頂蓋點(diǎn)焊連接，后部與頂蓋設(shè)計(jì)有配合間隙，間隙中涂膨脹膠支撐頂蓋。前橫梁后部與頂蓋之間的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)如圖13所示。

圖13 前橫梁后部涂膠設(shè)計(jì)

4.2 后橫梁

后橫梁結(jié)構(gòu)如圖14所示。上下板組成的空腔盡可能大，盡量增大左右鉸鏈距離。后橫梁與側(cè)圍的連接方式與前橫梁相似。

圖14 后橫梁結(jié)構(gòu)

后橫梁下部需設(shè)計(jì)鉸鏈安裝過(guò)孔，以鉸鏈安裝螺栓為中心，保證φ34 mm的工具操作空間。

4.3 中間橫梁

前后橫梁之間均勻布置有中間橫梁，支撐頂蓋，提高頂蓋的剛度及抗壓能力，中間橫梁的截面高度影響頂棚高度，對(duì)乘員的頭部空間影響較大，高度一般為20 mm左右。常見(jiàn)的橫梁結(jié)構(gòu)斷面如圖15所示，橫梁與頂蓋之間的涂膠槽設(shè)計(jì)與前后橫梁的涂膠槽設(shè)計(jì)相似。

圖15 常見(jiàn)的橫梁斷面

橫梁的布置形式、間距及橫梁的腔體大小設(shè)計(jì)決定了頂蓋的整體強(qiáng)度。腔體寬度與高度尺寸的合理配比，對(duì)于部件的減重及加強(qiáng)作用都起了重要的作用。如果經(jīng)頂棚雪載分析，強(qiáng)度還有問(wèn)題，首先考慮加大橫梁高度來(lái)進(jìn)行改善；其次考慮增加橫梁的寬度來(lái)加以優(yōu)化。

4.4 天窗加強(qiáng)框

天窗加強(qiáng)框焊接在頂蓋天窗開(kāi)口處，起到加強(qiáng)頂蓋開(kāi)口的作用，為天窗提供安裝點(diǎn)。天窗加強(qiáng)框有整體沖壓成形和分段沖壓、后焊接為一體兩種結(jié)構(gòu)，如圖16所示。除此之外，兩種結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)環(huán)的安裝與天窗的定位安裝基本一致。

圖16 天窗加強(qiáng)框結(jié)構(gòu)

天窗加強(qiáng)框與頂蓋的配合斷面圖10已詳細(xì)說(shuō)明，由于加強(qiáng)框和頂蓋點(diǎn)焊連接，兩者的配合精度對(duì)焊接表面質(zhì)量影響較大，設(shè)計(jì)中非焊接部位推薦間隙配合，如圖17所示，焊點(diǎn)間距推薦45～55 mm。

圖17 天窗加強(qiáng)框與頂蓋翻邊搭接

天窗加強(qiáng)框?yàn)樘齑暗陌惭b提供定位，定位方式有：

(1)加強(qiáng)框焊接定位銷，與天窗上的定位孔配合(推薦);

(2)加強(qiáng)框設(shè)計(jì)定位孔，與天窗上的定位銷配合；

(3)安裝和定位一體，加強(qiáng)框上焊接螺栓，起定位和固定作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

車身斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋了車身鈑金結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、焊接關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)校核等各方面的信息，是車身設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的始終。文中詳細(xì)介紹了SUV車型頂蓋斷面設(shè)計(jì)技術(shù)要求，并給出了斷面設(shè)計(jì)的參考值，有助于提高車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，可供頂蓋設(shè)計(jì)時(shí)參考。