汽車發動機艙側邊梁結構的優化

劉小會

摘 要：文章首先分析了發動機艙側邊梁結構的主要作用和存在的主要問題，并基于此給出了一種新的發動機艙側邊梁結構。解決了現有的問題，提高了白車身的性能。

關鍵詞：焊接順序;激光拼焊;強度;開裂;碰撞

中圖分類號：U464.9 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-94-04

The Optimization of Side Beam Structure of Automobile Engine Compartment

Liu Xiaohui

（ Anhui Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd.， Anhui Hefei 230601 ）

Abstract：?At first， this paper analyzes the main functions and main problems of the engine side beam structure， and then based on this present a new side beam structure of engine cabin. This existing problems are solved and the performance of body-in-white is improved.Keyword： Welding sequence; Laser welding; Strength; Craze; CrashCLCNO.： U464.9 ?Document Code：A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-94-04

前言

每種材料都有一定的強度等級，當材料所受的力超過其材料強度時，材料就會出現變形，甚至開裂等問題。^[1]對于白車身來說，整個汽車的重量，加速度等力量主要通過懸架，副車架等在車身上的安裝點傳遞至整個白車身。因此，懸架，副車架在車身上的安裝點處的鈑金所承受的力最大。因此，在可靠性試驗時，對于白車身來說，懸架，副車架安裝點處及其附近位置最容易出現開裂問題。因此，在車身設計時，懸架，副車架安裝位置處的結構設計尤為重要。^[2]

1 發動機艙側邊梁結構介紹

如下圖1所示為發動機艙側邊梁在整個白車身的位置示意圖。發動機艙側邊梁結構主要作用可以分為三個方面，其一為正面碰撞時進行力的傳遞，其二為懸架安裝的支撐，其三，該結構為整車骨架結構的一部分，對于整車靜剛度影響較大。^[3]

2 發動機艙側邊梁結構可能出現的主要問題

現以某型汽車為例說明發動機艙側邊梁結構設計過程中可能出現的問題：

下圖2為發動機艙側邊梁結構示意圖，發動機艙側邊梁結構主要包括圖示8個零件。

件1為側圍外板，件2為A柱內板，件3為發動機艙側邊梁外板后段，件4為發動機艙側邊梁外板前段，件5為發動機艙側邊梁內板前段，件6為發動機艙側邊梁內板后段，件7為發動機艙蓋鉸鏈安裝板，件8為發動機艙側邊梁內板連接板

下圖3為白車身各級總成焊接順序示意圖，圖2中各個零件的上件順序如下：

其中件發動機艙側邊梁外板前段4和件發動機艙側邊梁內板前段5屬于發動機艙左側分總成9，件發動機艙側邊梁內板后段6和件發動機艙蓋鉸鏈安裝板7屬于前風窗橫梁總成11，與件A柱內板2一起上件;件側圍外板1屬于側圍總成12;件發動機艙側邊梁外板后段3最后上件。

也就是說，對于圖2中所示的八個件來說，上件順序按照從前到后即為，件發動機艙側邊梁外板前段4和件發動機艙側邊梁內板前段5先焊好，件發動機艙側邊梁內板后段6，件發動機艙蓋鉸鏈安裝板7和件A柱內板2上件焊接，然后件側圍外板1上件焊接，最后上件發動機艙側邊梁外板后段3和件發動機艙側邊梁內板連接板8焊接。

總成9為發動機艙左側分總成，件10同圖2中件2為A柱內板，總成11為前風窗橫梁總成，件12為側圍外板總成，件13如下圖2中件3為發動機艙側邊梁外板后段

下圖4為圖5，圖6、圖7所示斷面位置示意圖。件發動機艙側邊梁外板后段3和件發動機艙側邊梁內板連接板8圖中在圖5、圖6、圖7三處所示區域因為一側被腔體遮擋，焊槍不可打，導致點焊無法實現，只能采用塞焊的形式進行焊接。而據統計，一個塞焊僅僅相當于0.67個點焊，連接強度差，且操作不易實現自動化，影響生產節拍。

另一方面，件發動機艙側邊梁外板后段3與件側圍外板1相連接，件側圍外板1材質一般選用強度等級低，易于成型的DC06。從圖四中所示前懸架安裝點的力，經由件發動機艙側邊梁外板前段4，件發動機艙側邊梁內板前段5傳遞至件發動機艙側邊梁外板后段3，并通過圖五中所示塞焊傳遞給力強度等級很低的件側圍外板1，導致件側圍外板1在圖五中所示塞焊區域所受力大于件側圍外板1材料的屈服強度，從而引起件側圍外板1的開裂。

在正面碰撞時，通過件發動機艙側邊梁外板后段3，件發動機艙側邊梁外板前段4，件發動機艙側邊梁內板前段5，件發動機艙側邊梁內板后段6，件發動機艙蓋鉸鏈安裝板7，件發動機艙側邊梁內板連接板8傳遞至強度等級很差的件側圍外板1，使得件側圍外板1迅速變形，無法有效的進行力的傳遞，因此無法有效保護乘員的安全。

件3為發動機艙側邊梁外板后段，件4為發動機艙側邊梁外板前段，件5為發動機艙側邊梁內板前段。

件1為側圍外板，件3為發動機艙側邊梁外板后段。

件1為側圍外板，件8為發動機艙側邊梁內板連接板。

3 結構優化

下圖八為新的的發動機艙側邊梁結構示意圖，該發動機艙側邊梁結構主要包括圖示的五個件。圖九為圖八中所示斷面D-D。

件14為側圍外板，件15為A柱內板，件16為發動機艙側邊梁外板，件17為發動機艙側邊梁內板。

件17為發動機艙側邊梁內板，件18為發動機艙蓋鉸鏈安裝板。

如下圖10所示，件A柱內板15，件發動機艙側邊梁內板17，件發動機艙蓋鉸鏈安裝板18屬于下車體總成，件發動機艙側邊梁外板16屬于側圍內板總成20，件側圍外板14屬于側圍外板總成21。對于圖八和圖九中所示的五個件來說，上件順序按照從前到后即為，件A柱內板15、件發動機艙側邊梁內板17和件發動機艙蓋鉸鏈安裝板18先焊好，件發動機艙側邊梁外板16上件焊接，最后上件側圍外板14焊接。

件19為下車體總成，件20為側圍內板總成，件21為側圍外板總成。

現將側圍總成分成兩部分上件，即側圍內板總成20和側圍外板總成21。下圖11、圖12為側圍內板總成示意圖，件發動機艙側邊梁外板16在側圍內板總成上先進行焊接，焊點如下圖11、12所示，均可實現點焊焊接。

如下圖13、14所示，側圍外板總成上件時，焊槍被件A柱內板15遮擋，點焊無法實現?，F采用激光焊接技術對側圍外板進行焊接。

件發動機艙側邊梁外板16通過點焊與A柱上框加強板和A柱加強板進行連接。A柱上框加強板材質選用強度等級極高的B1500HS，厚度為1.6mm，A柱加強板選用強度等級較高的H420LA，厚度為1.2mm。因此可以很好的進行力的傳遞。

在正面碰撞時，從件發動機艙側邊梁外板16和件發動機艙側邊梁內板17傳遞來的力（如上圖10中箭頭方向）可以通過A柱上框加強板和A柱加強板兩個強度板進行很好的傳遞。

另一方面在車輛整車行駛過程中，整車的重力及加速度通過懸架副車架各個安裝點傳遞至車身。對于本方案所述的發動機艙側邊梁結構來說，通過上圖15所示懸架安裝點傳遞至件發動機艙側邊梁外板16和發動機艙側邊梁內板17的力如圖15中箭頭方向所示，因此在圖15中所示區域件發動機艙側邊梁外板16和件發動機艙側邊梁內板17對于A柱上框加強板形成擠壓，極易導致圖中所示區域應力過大?，F發動機艙側邊梁外板16和件發動機艙側邊梁內板17因為連接的是強度極高的A柱上框加強板，因此可以解決此處的應力問題。

另外，因為發動機艙側邊梁與側圍總成連接的優化，又提高了整個白車身的靜剛度。

4 總結

現通過對焊接順序的調整以及激光焊接，優化了發動機艙側邊梁結構，提高了發動機側邊梁結構的連接性。在正面碰撞時，更好的進行力的傳遞。優化后，發動機艙側邊梁外板與材料等級較高的A柱上框加強板和A柱加強板進行連接，提升了該處的承載力。

參考文獻

[1] 同濟大學航空航天與力學學院基礎力學教學研究部.材料力學. 2011.02.

[2] 汽車工程手冊編委會.汽車工程手冊—設計篇.2001.01.

[3] 黃天澤，黃金陵.汽車車身結構與設計.1997.10.