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发表于 2020-5-19 10:58:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
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浅谈复合材料侧门外板设计

杨小弟

(奇瑞新能源汽车技术有限公司,安徽 芜湖 241009)

【中国汽车材料网】摘 要:复合材料(Pp)作为轻量化材料替代传统钢材,已越来越多的应用于乘用车车身结构件上,但是作为外观件,在侧门外板的应用实例却较少,可借鉴的设计经验更是有限,文章结合实车开发经验,介绍几点复合材料在侧门外板应用应该注意的事项,供后续车型开发提供借鉴。
关键词:轻量化;车身;复合材料;侧门外板


引言
乘用车侧门外板目前市场上主流为钢质材料,应用复合材料(pp)作为外板且量产的车型目前较少,所知的有奔驰SMAERT 等个别车型,侧门外板做为外观和精度要求很高的部件,对材料的要求极为苛刻[1]。外观要达到A 级外观标准,精度要满足现代汽车设计的DTS定义的公差要求,且要有一定的环境温度适应能力。传统上的门板为钢制材料,一般为深冲低碳钢,经过涂装喷漆后,外观能达到A级标准,且板材成型后精度较高,高低温环境下,尺寸也较为稳定。但钢质外板由于造型和结构的限制,减重潜力有限,已不具备高效的减重潜力。这样密度较低的复合材料便进入到了工程师的视野,下面结合某款量产电动汽车设计案例,探讨下复合材料外板设计的注意事项。

1 复合材料外板的结构设计
复合材料侧门外板,由于是乘客直接目视的可视区域,外观要求较高,所以侧门外板的料厚不能很复杂,例如突变的料厚要尽量避免,否则在制件过程中,会出现变形、缩痕等缺陷;外板的长度和宽度也要有一定的范围,过大的长度和宽度,增加了制件模具的设计难度也会造成外板熔接痕、缩痕等缺陷的产生。如果不可避免的出现大尺寸的门板,建议造型在门板中间区域增加贯穿的特征结构,如图1 所示,利于模具浇口的布置,减轻缺陷的产生。

复合材料的牌号众多,建议尽可能选择收缩率小且和内部加强板材料收缩率一致或相近的材料这样可以减小外板对温度的敏感性以及外板和内板连接后的应力集中。


图1 SMART门板特征结构



2 复合材料外板加强板的设计
由于复合材料天然刚度不足的缺陷,以及需要和侧门内骨架连接等需求,要求外板必须有加强板做强度支撑,加强板和外板如何连接,成为了一个必须需要解决的问题,一般复合材料之间的连接有胶结、焊接、螺接等方式。胶结工艺优点是对结构要求较低,粘接后外观表面较好,工艺简单。缺点是粘接后,胶厚度难以控制,影响成品件的精度,且胶固化后在高低温环境中的稳定性不高。焊接工艺的优点是价格便宜,只需要一次性固定投入即可,工艺简单,节拍短。缺点是对复合材料有二次熔化和冷却,焊接后外观容易留下缩痕,且不同牌号材料的焊接,由于材料收缩率不一致,焊点有应力集中现象,造成焊点稳定性不够。螺接工艺的优点是工艺成熟,连接可靠。缺点是对装配空间要求较高。如果装配空间允许,且可视区域要求不高的位置,建议采用螺接和焊接工艺替代胶结工艺。

图2 门外板



图3 柜式门加强版



图4 分段式外板加强版(示意图)


复合材料外板加强板目前有一体式框式和分段式两种结构,见图1所示,一体式外板加强板自身制件成品的精度难以保证,且精度偏离波动性和随机性较大,对连结后的外板总成精度造成较大影响,不建议采用一体式外板加强板结构。分段式的外板加强板是将一体式加强板分成若干部分,每部分与外板独立连接,这样每部分的精度控制相对于框式加强板难度较小。便于外板总成精度的控制。

3 复合材料外板侧门铰链的选用
复合材料外板由于对温度较为敏感,高温环境下,尺寸有扩张的趋势,这样就减小了侧门与翼子板的间隙,对经常处于运动状态侧门来说会产生干涉的风险。如果刻意加大侧门与翼子板间隙定义,势必造成整车外观品质下降。如果铰链轴线能最大限度沿X 向负方向布置,可以最大限度减小侧门与翼子板干涉的风险,同时提高外观品质。传统的门铰链(如图6),由于结构限制,固定页和旋转页尺寸较短,铰链轴线沿 X 向正向布置的空间能力有限,奔驰 SMART 的铰链采用加长的铰链臂结构(如图5),将铰链轴线隐藏到翼子板里面(如图7),极大地减小了侧门的运动干涉风险。

图5 SMART 门铰链



图6 传统门铰链



图7 SMART 门铰链布置



4 复合材料外板总成与门骨架的连接方式
侧门外板总成与侧门骨架的连接方式有一般有卡接和螺接等方式。卡接方式的优点是侧门外板安装工艺简单,节拍短。缺点是安装卡扣在外板安装孔里的活动量较大,装配时,部分卡扣与骨架安装孔错位,且受装配视野限制,不能直接卡入钣金装配孔,对装配造成难度。螺接的优点是骨架安装孔可以适当放大,起到容差作用,装配时直接将螺栓打入外板,方便简单且可靠性较高。缺点是需要装配的螺栓较多,工作量较大。建议装配节拍能保证时,外板连接尽量采用螺接方式。

5 结论
复合材料外板代替传统钢质外板可以大幅度减轻车门的重量,应用前途较好,但由于其温度敏感性强,刚度弱,外观质量不易控制等缺点,有其应用的局限性,在设计上要充分规避其缺点才能更好的将复合材料在车门上推广。

参考文献
[1] 冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J].汽车工程2006.28(3).



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