混合式车门U型上部结构应用及工艺探讨

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混合式车门U型上部结构应用及工艺探讨

        本文总结了U型上部结构车门在生产实际过程中存在的问题及相应的控制措施，并结合U型上段结构所具备的自身优势，一方面为以后项目中产品结构选型提出建议，另一方面也为后续存在的类似结构问题提供切实可行的参照措施。
        随着人们生活水平的提高和消费观念的转变，汽车外观成为大多数人注重的因素。而汽车四门结构设计的好坏不仅关系到整个汽车的外观审美，更是关乎到整辆车的安全性能，安全性能不仅包括发生碰撞时四门较好的结构强度能有效保护乘员舱驾乘人员的生命安全，还包括较好的驾乘视野范围，能有效降低车辆行驶过程中的视野盲区；成本及外观主要针对不同车型的不同定位而有不同的选择；工艺性则包括冲压可行性和焊接可行性以及相对应的精度控制能力水平。
        大众、奥迪和宝马等车企由于自身的品牌价值以及掌握的先进技术，在相应的车门结构的选择上显得游刃有余，比如以大众迈腾等为代表的欧美系高端车型采用了激光焊，规避了因为选择好的安全、外观性而工艺无法实现的问题；以奥迪A6、宝马Z4 MINI等为代表的高端车采用的无骨车窗技术成功实现了普通工艺无法达到的外观审美。图1所示为采用了先进技术的车门结构图。
        本文对比了汽车市场中存在的较为普遍的车门结构，并主要探讨了其中混合式车门U型上部结构的实际应用。

       

混合式车门U型上部结构应用及工艺探讨

        车门结构分类对比
        目前市场上存在的车门结构形式有内藏式窗框门结构、混合式门结构、焊接式窗框门结构（上段式）、环绕式门结构和无边框式门结构五种（见图2）。
        1.内藏式窗框门结构
        内藏式窗框车门内外板均为整体式，结构形式简单，加工制造容易，但由于内外板均为整体式，因此材料利用率低并且无法在车身上布置亮条等装饰类件，从而导致外观性较差。针对此类门结构，为保证车门整体的密封及升降功能，需控制车门总成后的尺寸精度，其尺寸精度控制要点集中在控制内外板单件冲压精度（包括型面及边的轮廓度、安装孔位置及大小）和焊接过程中夹具定位合理性，减少焊接变形，因此此种工艺控制要求简单，在工艺上比较容易实现，应用的范围主要以低端车型为主，含少量中级车型，比如奇瑞QQ、A1以及标致206、307等。

       

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        2.焊接式窗框门结构（上段式）
        焊接式窗框车门的上段结构形式较复杂，生产制造难度较大，上段以及焊接总成质量不好控制，但其材料利用率高、外形美观，车门的Y向刚度高，而且由于上段截面较窄，对A柱障碍角有利。对于此类结构，由于其车门内外板均为分体式，因此其尺寸精度控制要点集中在控制内外板单件冲压精度、上段总成自身的尺寸精度及焊装焊接变形等方面。此种工艺精度控制要求难度较大，但通过先期策划控制，并选择实力较强的上段供应商，可以实现。使用车型等级以中档车型为主，比如丰田卡罗拉、现代悦动及奇瑞瑞虎等。
        3.环绕式门结构
        环绕式车门内外板均为整体式，结构形式简单，加工制造及工艺控制均较为容易，但其材料利用率较低、车门的Y向刚度一般并且外观比较难看，使用车型等级主要以中低端车型为主，比如菲亚特PUNTO、奇瑞旗云2等。

       

混合式车门U型上部结构应用及工艺探讨

        4.无边框式门结构
        无边框式车门内外板均只有窗框以下部分，结构形式复杂，设计及生产制造困难，车门的Y向刚度差，但其材料利用率高且最为美观。工艺上实现玻璃自由平顺的升降及良好的密封性是其难点问题，较少车企掌握这种结构的设计及生产制造，因此其使用车型等级以高端豪华车型为主，比如宝马Z4 MINI 、奔驰SLK和奥迪 R8等。
        5.混合式门结构
        混合式车门内板为整体式，外板只有窗框以下部分，结构形式及钣金加工制造均较简单，材料利用率适中，因为可以在四门或者侧围上边布置亮条等装饰类件，因此外观较美观。针对此类门结构，其尺寸精度控制要点在于控制内板单件冲压精度（包括型面及边的轮廓度、安装孔位置及大小）、焊接过程中的焊接变形和保证加强板上安装孔、型面的位置度及安装盖板的型面轮廓度。此种结构的工艺控制要求适中，相对内藏式窗框门结构要复杂，但在工艺上也能较容易实现，使用车型等级主要以中高端车型为主，比如大众迈腾、福特嘉年华及奇瑞瑞麒G6等。
        综合市场上存在的以上5种不同结构形式的车门的优缺点，混合式车门结构相对其他结构形式而言具有各方面水平均衡的优势，因此采用此类结构的往往是销量占比最多、利润率贡献最高、品牌影响力最大的中高级车型，因此相对于其他结构的车型，此类结构的车型所要求的条件更为严格，而U型上部结构即是其典型结构。

       

混合式车门U型上部结构应用及工艺探讨

        U型结构上部车门问题分析及整改措施
        在对某公司某车型生产调试及外观匹配过程中，总结车门上部U型结构所存在的问题主要有：工艺性问题、冲压件精度控制问题、夹具控制性问题和总装装配件匹配类问题等。
        1.工艺性问题
        图3所示为某车型上部U型结构，图示截面U型内凹空腔有效焊接进枪尺寸约为25mm，U型结构两排焊点均为Z向焊接，焊钳选型非常困难，最终焊钳定型X30-2006B，焊钳如图4所示电极30°倾角。
        由于30°倾角电极会导致电极帽无法采用自动化的电极修磨器，另外此种焊钳电极杆刚性较差，容易发生错位等问题，因此其在车间生产中是少数边缘化产品，生产维护困难，劳动效率低下。另外，由于焊钳进枪空间较小，一方面限制了焊接的效率，另一方面在焊接过程中焊钳容易与钣金发生磕碰，从而导致钣金件的变形，磕碰变形加上焊接变形导致公差波动约为1.2mm。
        2.冲压件精度控制问题
        如图5所示各配合钣金件均为U型结构，但因为内加强板和内板本体U型槽拉延深度不同，且材料、料厚也存在着差异，因此两个配合冲压单件的反弹量也不同。为此，为保证内加强板与内板本体良好配合，尽量降低冲压件反弹的影响，内加强板相对于内板本体在U型壁上布置较多波浪形空腔结构，减少了二者配合面积，如图5所示。经过几轮冲压件的整改，有效降低了反弹量的影响，但目前冲压件反弹变形影响仍在1.2mm左右。
        3.夹具控制性问题
        由图5可以知道，U型结构上部相互配合的上部内加强版和内板本体均为U型结构的形式，这样导致车门上部无稳定的定位基准，即一方面车门上部无法布置定位销，导致内加强板的定位销布置于加强板的下部偏离上部U型结构的部位，因此造成定位销的波动公差在此处放大，增加了内加强板与内板本体配合的不稳定性；另一方面，车门上部无法确定稳定的型面作为基准控制型面，因此对于U型开口尺寸的控制是此种结构车门上部控制的重点，而两个U型开口相配合的情况也进一步加大了车门上部U型开口控制的难度；并且在两个钣金件配合的Y向平面上，由于内加强板没有此方向上的支撑，因此通过夹具保证焊接的稳定性更加困难。针对夹具存在的问题，目前的控制方法主要是通过调整车门上部夹具压紧块STOP机构精度和压紧块精度进行保证，但目前由此产生的最大偏差仍有1.0mm左右。
        4.总装装配件匹配类问题
        在该公司某项目外观匹配开展之初，遇到最普遍的问题之一就是前后门上部上盖板对齐度较差。图6所示为前后门上部上盖板配合处的示意图。通过外观匹配过程中针对问题点数据的整理，确认车门上部上盖板对齐度最大偏差达到3.0mm，单侧平均值达到1.5mm，这与外观匹配允许的±0.7mm的公差值相差较多，并且偏差值不稳定，表所示为部分上盖板外观匹配数据。
        通过对影响前后门上部上盖板安装点稳定性的因素的调查得知，由于U型结构因素本身导致产生的偏差分别为1.2mm（工艺性问题）、1.2mm（冲压件精度问题）和1.0mm（夹具控制性问题）；另外，由于焊装预调量因素（标准为后门平面与侧围平面Z向距离后门高出侧围A1.5～2mm；前门平面与后门平面Z向距离前门高出后门B1.5～2mm），总装装配完成后四门下垂量并不会完全一致，造成四门Z向平面不平，由此造成四门上部上盖板安装点产生偏差，实际产生的偏差最大在1.0mm，综合以上公差累积：

       

混合式车门U型上部结构应用及工艺探讨

        因此，确认影响上盖板安装点稳定性的根本性因素是结构类因素（存在的工艺性问题、冲压件精度控制问题和夹具定位问题）和预调量因素。另外总装泥槽装配与四门装配产生的误差也会对上盖板安装点精度产生一定的影响。
        根据前期项目调试匹配经验并结合目前的冲压件、夹具精度控制能力，确定主要整改方案为：
        1.减小焊接变形
        通过四门上部焊点焊接铜块的添加，减少焊接变形，保证上盖板与门上部配合型面的稳定性。
        2.合理的压块、支撑块设计
        根据冲压件形状及翻边角度特点仿形设计压块和支撑块，保证夹具上冲压件放置到位；
        3.根据干涉情况调整模具
        采用蓝丹涂抹上部内加强板，反复取放件观察过程中其与门内板的干涉部位，并借助检具确认干涉量，调整冲压模具。
        4.加强过程控制
        由于四门预调量产生的偏差的控制方法在目前的精度调试中仍是一项空白，目前尚无有效方法从根本上进行相关优化工作（不包括总装拆装铰链重新进行四门调整）。因此，针对四门预调量产生的偏差实际生产中主要是利用上盖板的安装过孔通过优化装配工艺以实现降低偏差的目的。比如，前门上盖板定位孔向后安装，后门上盖板定位孔向前安装，B柱盖板与上盖板间隙调整为0.5～0.9mm。需要说明的是，关于上盖板向前安装抑或向后安装，主要是针对现场测量的批量数据分析而来。
        车门上部U型结构优点分析
        通过上面五种车门结构的分类对比可知，混合式车门结构具备各方面水平较为均衡的优势，而U型上部结构作为一种典型的混合式车门结构在具备各方面水平较为均衡的优势以外，还具备了混合式车门结构其他上部样式所不具有的独特优势。
        1.较好的安全性
        正是因为混合式U型结构上部车门具有的上述问题，因此应用U型上部结构需要汽车生产厂家具有较高的工艺水平，优秀的模（夹）具精度控制水准和良好的匹配流程，所以目前的中高级车所应用的混合式车门上部结构样式主要是Y向搭接、Z向拼接的形式。图7所示即为此种结构形式。这种结构样式虽然从结构的角度有效吸收了单件及焊接的偏差，降低了工艺及模夹检的控制难度，但由于Y向焊接边的存在，导致车门上部边框较宽，限制了车门玻璃的有效视野，特别是前门增大了A柱障碍角，增加了行车过程中的危险系数。
        由于U型结构车门上部采用均是Z面拼接焊接，因此上部边框较窄，保证了A柱区域较好的视野，比如大众迈腾，其采用的是Y向搭接、Z向拼接的结构样式，但由于采用的是激光焊接技术，焊接料边只需要5mm左右，因此有效地减小了焊接边（由图7、图8可知焊接边减少约9mm），保证了车门玻璃的有效视野。但对于大多数车企，特别是正在崛起的中国自主品牌车企而言，这样的结构样式对车身冲压件的精度要求较高，同时对装配精度和工装夹具要求高，相应的检测精度要求也高，而且一次性投入较大，目前只具有参考意义，没有实际的应用价值。对于选择混合式车门打造中高级轿车品牌的后来者来说，所能选择的也许只有在增加控制难度和降低安全性能上做出权衡了。
        2.较好的外观造型
        由于焊接边的存在，上述Y向搭接、Z向拼接的形式会增加泥槽的装配以遮盖焊接边，导致此种结构车门的黑边过大。而U型结构上部车门的黑边较小，外观可以和焊接式车门相媲美，从整体外观比例分配上窄的黑边区比宽的更美观时尚（见图9），因此，在外观造型方面，黑边区变窄是汽车设计的流行趋势，对于高端车来讲，这一点尤为重要。
        结语
        本文介绍了汽车车门不同的结构形式并总结出其中混合式结构车门由于较为均衡的各方面实力是销量占比最多、利润率贡献最高且品牌影响力最大的中高级车型所普遍采用的结构形式；U型上部车门结构作为混合式车门结构的一种典型结构存在本身的问题但又具有其独特的优势。
        混合式车门结构根据其上部结构形式及焊接工艺的不同可以分为上、中、下三类：上为Z向拼接、Y向搭接采用激光焊工艺；中为U型上部结构采用点焊工艺；下为Z向拼接、Y向搭接采用点焊工艺。
        对于技术实力及品牌价值高的汽车企业建议采用上等上部结构（高端豪华车），而对于技术实力及品牌价值一般但决心在中高级车领域有所突破的汽车企业则建议采用中等结构（中等中级车）。在对于技术实力及品牌价值均较低的汽车企业中级车建议采用下等结构（一般中级车）。
        后期项目结构选型中，不仅应该考虑本公司的技术实力、品牌价值、车型定位，还应该充分考虑项目过程的成本控制、品牌形象的自我塑造等。