車身及后背門耐久性問題的分析與解決

胡 釗，陳艷華，謝德艷

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研發總院，安徽 蕪湖 241000)

為滿足客戶和市場需求，各大主機廠都會對一些車型進行外觀、配置及性能等方面的升級改造，以便延長車型的生命周期。在改款設計中，為縮短開發周期，降低開發成本，車身的主體結構一般是不變的，但偶爾會出現一些沿用件與新開發件在質量及性能方面的不匹配情況，進而影響整車的耐久性和可靠性[1]。本文將針對年型車改款開發驗證過程中，某運動型多功能汽車(Sports Utility Vehicle，SUV)出現的后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側后背門鉸鏈安裝點頂蓋鈑金開裂問題，在進行計算機輔助工程(Compute Aided Engineering，CAE)分析的基礎上加以解決。

1 問題排查

某SUV車型改款設計后，在進行強化路試的時候出現了后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側后背門鉸鏈安裝點頂蓋鈑金開裂的現象。其中，密封條異常磨損位置(圖1)集中在門洞兩側中間靠下端部位；頂蓋鈑金開裂位置(圖2)在沿焊點延伸約5 mm處，且左右對稱。

圖1 密封條異常磨損位置

圖2 頂蓋鈑金開裂位置

對故障模式整車的后背門、密封條及車身骨架進行現場實物對比，發現鈑金開裂處焊點平整，型面匹配良好；后背門內板與后背門門洞止口邊間隙(內間隙)穩定，符合產品公差要求。經材料分析，密封條材質亦能滿足產品要求?？紤]到改款后后背門的質量較原型車約大6 kg，可初步判斷后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側后背門鉸鏈安裝點鈑金開裂問題的原因為，沿用的車身骨架主體結構及后背門安裝點剛度不能滿足新后背門的功能要求[2]。

2 CAE分析

2.1 后背門安裝點強度分析

通過CAE分析，可得表1所示原后背門安裝點強度分析結果。

表1 原后背門安裝點強度分析結果

由表1可知，在顛簸、左轉及右轉工況下，頂蓋外板、后頂橫梁內板、后頂橫梁加強板的局部均存在應力集中現象，但僅略超出當前材料的屈服強度極限。經計算，簡單調整周邊件材料型號、料厚和局部焊點數量，即可解決此處的強度問題[3]。

2.2 車身骨架及后背門系統性能分析

參考設計目標，對新開發的后背門總成進行CAE分析，可得表2所示車身骨架及后背門系統性能分析結果。

表2 車身骨架及后背門系統性能分析結果

由表2可知：后背門橫向剛度、鉸鏈固定剛度(后背門)和鎖扣固定剛度，均能滿足目標值的要求，且達到了行業內較高水平；主體基本沿用的車身骨架的整體剛度勉強合格。

從汽車行駛過程的車身變形模式(圖3)及密封條受力情況(圖4)，可較直觀地看出：當車身整體剛度不夠強、后背門鉸鏈安裝點剛度偏弱且后背門上無特定限位裝置時，在汽車行駛過程中，尤其在轉向或強化顛簸路況下，后背門的擺動幅度勢必增大，會加劇密封條的磨損及車身上頂蓋外板在鉸鏈安裝點附近的疲勞問題[4]。

圖3 汽車行駛過程的車身變形模式

圖4 汽車行駛過程的密封條受力情況

分析可知，對車身骨架及后背門系統存在的耐久性問題，需要從安裝點強度、系統剛度以及后背門限位方式三方面進行綜合考慮。

3 確定解決方案

3.1 車身骨架安裝點強度及剛度的提升

只要對后頂橫梁及其加強板、C柱(車后門玻璃與后擋風玻璃之間的柱子)、內板連接板等件的材料型號和料厚進行優化，即可有效解決頂蓋外板處的開裂問題，但這對整車扭轉及后背門鉸鏈安裝點剛度的改善無明顯作用，且出于增強目的的材質變化勢必引起單車成本和質量的增大，因此需結合CAE分析尋求更優的解決方案。

通過計算和分析發現，后背門鉸鏈安裝點剛度與鉸鏈位置、框架連續性、截面形狀、加強筋布置、工藝孔尺寸及料厚均有一定的關系。一般來說，鉸鏈安裝點越靠近側圍端，其剛度則越大；力的傳遞途徑越連續、框架結構越穩定，其剛度亦越大，同時整車剛度亦越高；減小工藝孔尺寸、增大加強筋規格，對于改善局部強度和剛度均有較明顯的作用，但料厚變化的影響則不大[5]。

本文從保證后背門的截面連續性出發，對后頂橫梁內板的局部型面進行更改，并參考文獻[6]增設了后背門鉸鏈加強板。圖5所示為改進前后的后背門截面現狀。對改進后后背門安裝點強度進行CAE分析，得到的結果如表3所示。改進后，后背門安裝點強度滿足了要求；同時，車身骨架上鉸鏈固定剛度從原來的620 N/mm提升至1 019.7 N/mm，白車身扭轉剛度也從原來的14 614 N·m/(°)小幅提升至14 800 N·m/(°)。

(a) 改進前

表3 改進后后背門安裝點強度的CAE分析結果

3.2 后背門限位方式的改進

對于車身及后背門上無特定機構保證Y向(即車身的左右方向)限位的情況，為保證裝配準確性，一般的預留公差為±(1.0～1.5)mm，顯然汽車在行駛過程中可擺動的幅度會比較大。根據文獻[7-8]增設圖6所示后背門限位機構后，可將Y向理論間隙減小至0 mm，明顯改善密封條的Y向磨擦滑動。

圖6 后背門限位機構

4 路試驗證

本文所用30 000 km綜合路試路段包括一號綜合路、二號綜合路、比利時路、性能路、高速環道、二號環道及標準坡道。按照整體循環的方式進行驗證，最終未出現后背門門洞密封條異常磨損及車身骨架側后背門鉸鏈安裝點頂蓋鈑金開裂的現象。

5 結 語

車身及后背門處發生的耐久性問題，通常都有多個誘因，而且各誘因間相互關聯。出現問題時，應通過CAE分析并結合生產實際進行多維度排查，確定成本更低、更有效且能更快捷實施的方案，以成功解決后背門區域的密封條異常磨損和頂蓋鈑金開裂問題。