淺述汽車頂蓋橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

蔡卓琳 蔣琳 馮立

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

近年來，我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，消費者和企業(yè)對汽車安全性的要求也越來越高。汽車頂蓋作為車身的主要部分，在保持汽車結(jié)構(gòu)，保護乘員安全方面起著重要作用，汽車頂蓋的安全性在汽車安全中扮演著重要角色。當承受以積雪為代表的均布載荷或翻滾事故中的頂壓載荷時，汽車頂蓋結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相應(yīng)的變化并直接影響其使用性能。汽車頂蓋一般需要多條頂蓋橫梁和筋條使其滿足模態(tài)、抗凹和噪音要求。本文將淺述頂蓋橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及輕量化設(shè)計。

2 頂蓋及橫梁總成概述

汽車車身一般由下車體總成、側(cè)圍總成、頂蓋總成組成，頂蓋總成一般指以車輛上側(cè)面分縫線為基線，分縫線之上的車廂頂部蓋板，它的作用除了擋風(fēng)遮雨外，還與車身形成廂式結(jié)構(gòu)，提高整車的剛性強度，起到保護車內(nèi)人員作用。汽車頂蓋設(shè)計通常分為固定式頂蓋和敞篷式頂蓋兩種。 固定式頂蓋是現(xiàn)代汽車最常見的形式，一般有無天窗和小天窗/全景天窗類型。

頂蓋總成系統(tǒng)一般是由頂蓋、頂蓋前橫梁、頂蓋后橫梁、頂蓋橫梁、天窗框架等零部件構(gòu)成。頂蓋前橫梁一般采用單層板形式，其后端通過涂膠支撐頂蓋，高端轎車等對強度剛度要求高的車輛可見內(nèi)外板焊合式。后橫梁為保證尾門框區(qū)域剛度，一般設(shè)計為由內(nèi)外板焊而成的合件，同時為保證尾門鉸鏈處強度，設(shè)計有左/右鉸鏈加強板。

頂蓋橫梁一般都為單層板形式，與頂蓋貼合面通過涂膠支撐頂蓋，同時提供頂蒸安裝、頂燈安裝等作用。頂蓋橫梁根據(jù)截面的寬度不同，一般有兩種類型：“幾”型和型。“幾”型頂蓋橫梁兩端翻邊與頂蓋涂膠貼合，起到支撐頂蓋作用。“W”型頂蓋橫梁與頂蓋涂膠貼合區(qū)域比較寬，提供更多的頂蓋支撐區(qū)域，一般也提供其他零件的接口安裝位置，如頂蒸、頂燈等。

3 頂蓋橫梁的設(shè)計要點

頂蓋橫梁屬于車身結(jié)構(gòu)件，設(shè)計時需考慮零件本身的性能需求及制造性、工藝性等方面因素。

3.1 頂蓋橫梁性能要求及沖壓成型

圖1 頂蓋及橫梁總成一般構(gòu)成

圖2 頂蓋橫梁截面類型

設(shè)計頂蓋橫梁首先要考慮滿足頂蓋剛度、抗壓強度、模態(tài)、雪壓載荷等要求，不同級的汽車根據(jù)車身頂蓋的曲率、長度及鋼板厚度的不同頂蓋橫梁數(shù)量差異較大，普通轎車及SUV一般3-5根頂蓋橫梁，較長的MPV、商務(wù)車等經(jīng)常設(shè)計6-7根頂蓋橫梁，大型的客車將設(shè)計更多的頂蓋橫梁，以滿足頂蓋性能需求。同時需要根據(jù)頂蓋橫梁的位置及接口零件安裝要求，選擇合適的頂蓋橫梁截面類型。為保證頂蓋橫梁單件沖壓成型性，則需設(shè)計沖壓吸皺筋條或防回彈加強特征。

3.2 頂蓋橫梁的車身制造

頂蓋橫梁一般都屬于車身焊接件，所以設(shè)計頂蓋橫梁時首要考慮零件的車身可制造性，根據(jù)零件的制造要求，需設(shè)計定位孔或定位面，頂蓋橫梁在總拼工位裝配時則與考慮零件焊裝預(yù)定位。頂蓋橫梁與頂蓋之間一般都需要涂膠，頂蓋橫梁與頂蓋涂膠間隙一般設(shè)計1mm，同時涂膠處設(shè)計涂膠槽，保證涂膠準確性，方便員工操作，減少操作時間，提升節(jié)拍，避免溢膠及涂膠位置出錯。

3.3 頂蓋橫梁的涂裝制造

零件的防腐性能，電泳漆是重要的一方面，如對零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮不周全，很可能影響后期的涂裝電泳效果，導(dǎo)致增加整改成本。零件電泳效果的優(yōu)劣，除了受電泳漆、電泳設(shè)備、工藝制定等因素的影響，零件結(jié)構(gòu)也是重要的因素。雖然頂蓋橫梁屬于車身內(nèi)部加強件，無惡劣腐蝕環(huán)境，但也需要保證電泳漆漆膜厚度，保證防腐性能。因頂蓋橫梁完成裝配后，與頂蓋會形成一個封閉的腔體，為避免電泳漆積液，所以設(shè)計頂蓋橫梁時，必須要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計必要的排液孔，排液孔應(yīng)該設(shè)計在較低的位置，而且每個孔至少要有50mm的有效排液面積，數(shù)量應(yīng)該足夠，確保滿足內(nèi)腔最低的電泳膜厚要求，一般每270mm長的區(qū)域提供直徑22mm的圓孔或等效面積的孔。在白車身進入電泳液池時，將會產(chǎn)生較多氣泡，車身結(jié)構(gòu)中的封閉腔體內(nèi)很容易使氣泡積集，尤其是無加強筋的頂蓋。如氣泡無法排出，則在積氣的地方，電泳漆膜厚度會很低，后期很容易生銹，所以所有可能在浸漬工藝中封住氣體的腔穴和凹陷，必須設(shè)計適當?shù)呐艢饪缀团艢馓卣饕耘懦?/p>

4 頂蓋橫梁輕量化設(shè)計

面對日益嚴峻的油耗法規(guī)，世界各國汽車企業(yè)都在采取積極的措施以推動汽車產(chǎn)品的節(jié)能減排，對燃油汽車來說，輕量化是一種有效的手段。 汽車輕量化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它是在成本控制與性能改進條件下，通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計與輕量化材料和制造技術(shù)在整車產(chǎn)品上的集成應(yīng)用而實現(xiàn)的產(chǎn)品減重。

汽車設(shè)計的輕量化已經(jīng)成為了各個車廠設(shè)計過程中必不可少的因素之一，并且貫穿在汽車設(shè)計的整個流程中。頂蓋橫梁的輕量化設(shè)計主要有以下幾種：

圖3 頂蓋橫梁涂膠槽設(shè)計

圖4 頂蓋橫梁排氣孔、漏液孔設(shè)計

（1）頂蓋橫梁最基礎(chǔ)的輕量化方案是降低頂蓋橫梁的重量，即在保證頂蓋橫梁性能前提下，盡量開減重孔，一般提出的方案需要通過CAE 軟件的分析，并進行優(yōu)化，給予方案數(shù)據(jù)支持，保證目標性和準確性，避免過度輕量化設(shè)計，影響頂蓋橫梁的性能，增加后期更改費用。

（2）中高端車型較常使用使用補強膠片等頂蓋增強型材料來增加頂蓋性能，補強材料同時可以替代部分頂蓋橫梁，實現(xiàn)頂蓋的輕量化。補強膠片一般采用高分子聚合物環(huán)氧樹脂做基材，加之固化劑，可實現(xiàn)高溫固化，附加到頂蓋鈑金件上后，可以增加頂蓋的強度和剛度，有效提高頂蓋總成的模態(tài)、 NVH性能，但成本一般也較高。

圖5 某使用增加型隔音墊車型頂蓋總成結(jié)構(gòu)

（3）汽車頂蓋設(shè)計為全景天窗頂蓋，現(xiàn)代汽車常用的頂蓋輕量化設(shè)計方法，可以減少大部分的頂蓋橫梁，同時還可以提升汽車檔次，讓車子更加美觀，同時增加車廂內(nèi)光線，讓后排乘客感覺的更舒適。設(shè)計天窗頂蓋既要考慮到天窗的外觀與制造，又不能對車身剛度造成影響，設(shè)計難度較大，天窗的設(shè)計也需要經(jīng)過大量的分析和試驗才能完成，研發(fā)成本較高，同時也相應(yīng)增加整車的成本，售價較高。

圖6 全景天窗版頂蓋總成結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

本文按照汽車結(jié)構(gòu)件的一般設(shè)計流程，論述了頂蓋橫梁的設(shè)計方法和要點。在設(shè)計頂蓋橫梁等車身結(jié)構(gòu)件的時候，首先需要充分考慮零件在車身結(jié)構(gòu)中的主要作用，滿足零件的剛度和強度要求，其次是考慮零件與其他系統(tǒng)的搭接匹配問題，同時兼顧零件的制造工藝、性能要求，在此基礎(chǔ)上再進行輕量化設(shè)計，提高整車競爭力，同時設(shè)計時輔助CAE等軟件分析和零部件、整車試驗等手段，提前發(fā)現(xiàn)問題，完善設(shè)計。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，客戶的消費需求和汽車認識在不斷提高，汽車的評價標準有了很大改變，各個汽車主機廠的競爭也在加劇。汽車要有競爭力，要得到市場的認可，就需要有更高的設(shè)計水平和制造水平，提高整車質(zhì)量，同時進行成本控制，提升性價比。相信隨著我們不斷的學(xué)習(xí)探索，不斷進步，我們設(shè)計水平、制造水平的不斷的提高和完善，我國自主汽車行業(yè)將更具競爭力。