發動機罩鉸鏈加強板的結構設計改進

陳志耀

【摘 要】文章針對某緊湊型SUV整車可靠性路試及子系統耐久試驗過程中發動機罩鉸鏈處內板焊點開裂問題進行實質性分析，提出若干優化方案，以達到降低發動機罩鉸鏈處焊點應力值，提高發動機罩系統性能的目的。結合原發動機罩結構焊點應力的CAE分析、新方案的焊點應力CAE分析、CAE分析驗證等，經過系統的分析總結，避免了后續車型發動機罩鉸鏈處焊點應力高而導致的開裂問題，提高了發動機罩的可靠性，總結了鉸鏈加強板結構設計的一些經驗教訓，縮短了汽車的開發時間。

【關鍵詞】發動機罩;鉸鏈加強板;CAE;路試

【中圖分類號】U464 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）09-0057-03

0 引言

隨著中國經濟的快速發展，外資汽車企業及國產自主品牌汽車企業快速發展，汽車每年以上千萬臺的數量充斥著中國的消費市場。當前，汽車已經成為一種十分普遍的交通工具，為人們的生活帶來了便利，提升了人們的生活質量。汽車作為一種提高生產效率和生活質量的交通工具，已經快速地進入城市、農村的家庭中，成為人們生活中必不可少的交通工具。

緊湊型SUV因為價格便宜、空間大、通過性好，能適應不同工況，所以受到廣大消費者的歡迎。但是在市場調研時發現，在汽車行業中，因為汽車鈑金件焊點開裂故障而返回4S店修補的案例數不勝數，所以我們在開發新產品時不僅要注重開發周期及成本，而且要注重產品質量及用戶需求，否則在激烈的市場競爭中必定無法長期生存。對于產品質量的保障應該更注重前期開發，盡量把一些隱患扼殺于搖籃，將產品結構做至最佳，避免后期“亡羊補牢”。

發動機罩鉸鏈加強板與發動機罩內板進行焊接，為發動機罩鉸鏈提供安裝點，同時為發動機罩鉸鏈提供強度。因為發動機罩位于發動機艙處，工況環境較為惡劣，如果發動機罩出現焊點開裂，后期必定會出現銹蝕、漏水漏灰問題。同時，發動機罩鉸鏈處應力較大且集中，降低該處應力值一直是設計的難點，也是發動機罩設計中很重要的一個研究內容。

本文著重針對發動機罩鉸鏈加強板在實車路試中遇到的鉸鏈處焊點開裂問題，研究如何降低鉸鏈區域鈑金應力值。通過對鉸鏈加強板的結構及涂膠工藝進行優化，達到最優的狀態，進而實現降低應力值、改善發動機罩系統性能的目的。在結構優化過程中利用了CAE工具進行輔助設計，不僅可以提高結構設計質量，而且可以縮短設計周期，節省大量的試驗和生產費用。

1 工況及開裂原因分析

某緊湊型SUV在海南進行整車可靠性路試及在實驗室進行發動機罩子系統耐久試驗，在未完成壞路試驗里程（2.6萬km）及耐久次數（3 500次）時均發現，發動機罩鉸鏈加強板處焊點出現開裂問題，最長一處裂紋達15 mm（如圖1所示）。

通過實車觀察發現，焊點開裂點基本一致，且開裂位置出現銹蝕、漏灰的問題，因此對該零件設計狀態的結構進行CAE結構強度分析（計算方法及加載約束均按GM標準）。經分析，結果如圖2所示。

經以上CAE分析，得到發動機罩開裂的原因有以下幾個方面。{1}發動機罩加強板厚度為1.2 mm，加強板上并未多做加強筋等特征分散應力，且焊點較少，應力集中于焊點上。{2}發動機罩內板及發動機罩鉸鏈加強板的材料為BLD-FB-D，材料屈服極限為155 MPa，而焊點3的應力最大時可達到147.8 MPa，與材料屈服極限應力接近。焊點應力越大，越容易產生疲勞開裂，焊點3存在較大開裂風險。因此可以判斷，在可靠性路試耐久及發動機罩子系統耐久過程中，焊點由于長期應力集中而疲勞開裂。設計狀態發動機罩加強板焊點應力如圖3所示。

2 發動機罩鉸鏈加強板焊點開裂優化方案

2.1 方案一

從CAE分析結果可以看出，發動機罩鉸鏈加強板焊點3應力較大，接近材料屈服極限，而其他幾個焊點的應力均遠小于材料屈服極限。因此判斷，由于發動機罩鉸鏈加強板區域的剛度較差，應力無法分散，導致只有一個焊點應力較大。當零件材料厚度較厚時，零件的剛度會比較好。因此，考慮增加發動機罩鉸鏈加強板的厚度來提升零件周邊的剛度，將加強板的厚度由1.2 mm增至1.5 mm。圖4為增厚加強板后的CAE分析結果。

從分析結果可以看出，加厚加強板后，各焊點應力均有下降，焊點3的焊點應力下降了6%，最大應力由147.6 MPa變為138.1 MPa。證明加厚加強板、提升剛度對該區域的應力有改善。

2.2 方案二

從上面的分析結果可以得知，鉸鏈加強板應力大是由于該區域應力較大，應力無法分散導致局部應力集中，從而導致焊點開裂。對此，考慮將加強板加長，增加加強筋，提高該區域的剛度，同時通過增加焊點的方式分散高應力焊點的應力，以起到降低焊點3應力的作用（如圖5所示）。圖6是加長加強板、增加加強筋、增加焊點后的CAE分析結果。

從分析結果得知，最大焊點處（焊點3）應力由147.6 MPa變為123.1 MPa，應力下降了16.5%。說明提高零件剛度、做加強筋、增加焊點對應力有改善。

2.3 方案三

綜合方案一及方案二，兩種方案均對發動機罩鉸鏈加強板處的焊點應力分散有幫助，但是應力下降幅度有限，仍然解決不了焊點疲勞開裂問題。因此，考慮將兩種方案結合實施，再分析是否可以更好地解決焊點開裂問題。將加強板按照方案二加長，增加加強筋及焊點后，再將厚度增厚至1.5 mm。CAE分析結果如圖7所示。

從分析結果得知，方案一與方案二同時實施的確能夠更好地解決問題，焊點應力由147.6 MPa變為118.7 MPa，下降幅度達19.6%，但是仍無法完全解決焊點開裂問題。

2.4 方案四

上述方案均對發動機罩鉸鏈加強板處焊點開裂問題有幫助，但應力下降幅度有限，無法完全解決焊點開裂問題，因此我們必須考慮一些更好的方案。通過對標車的拆車研究發現，很多車型在鉸鏈加強板上增加了結構膠。結構膠在涂裝車間烘烤后會變硬，把加強板和內板連接起來，作用與焊點類似。即將加強板與發動機罩內板由焊點連接變為面與面連接，應力由原來作用于焊點上變為作用于面上。而且在加強板與發動機罩內板上涂上結構膠后，不僅有利于提高剛度與強度，也有利于防腐。在市場的車型中，我們經常見到結構膠的身影（如圖8所示）。

因此，我們考慮在原方案的基礎上，增加涂結構膠（如圖9所示）。

在原方案上涂結構膠后，經CAE分析，焊點應力由147.6 MPa變為37.5 MPa，遠小于材料屈服應力155 MPa，應力下降幅度達74.5%，證明涂結構膠對解決焊點開裂問題有重大幫助。CAE分析結果如圖10所示。

2.5 方案五

從方案一至方案四的結果來看，方案二與方案四對降低鉸鏈加強板的應力幫助較大。因此，考慮在方案二的基礎上，實施方案四，增加結構膠（如圖11所示）。

經CAE分析，焊點3應力大幅度下降，由147.6 MPa降低至21.2 MPa，遠小于材料屈服應力155 MPa，下降幅度為85.6%，應力下降效果較方案四更佳。證明方案五對降低應力幫助最大。CAE分析結果如圖12所示。

3 方案對比及選擇

各個方案的焊點3（開裂焊點）應力對比見表1。

從表1中的數據可知，各個方案相對于原方案均有優化，尤其是方案四及方案五，應力下降幅度均非常大。因此可以判斷，方案四與方案五為最優方案。方案四為在原方案基礎上增加結構膠，方案五為更改加強板，增加加強筋，然后再涂結構膠。如果按照方案五進行修改，需要修改發動機罩鉸鏈加強板的成型模、落料模及切邊模，更改量非常大，不僅需要昂貴的修模費用，還需要一段時間調試模具及優化工藝。

在保證零件性能的情況下，我們選擇修改最小、產生費用最低、耗時最少的方案，因此從方案一至方案五中選擇，方案四的可行性最大。

4 方案驗證

我們采用方案四制造了4臺車，2臺用于發動機罩子系統耐久，2臺用于整車常規耐久路試。完成了3 500次（子系統耐久）發動機罩開關試驗、4.5萬km里程后，發動機罩鉸鏈加強板應力未發現有焊點開裂的跡象。因此，推薦方案四為實施方案。

5 總結

針對發動機罩鉸鏈加強板處焊點開裂問題，通過以上的問題分析、CAE分析、方案驗證等，我們可以知道方案五為降低應力的最優方案。而從方案一、方案三可以看出，單純增加材料厚度對降低焊點應力效果不明顯。從方案二與方案四可以看出，增加結構膠與優化加強板結構對降低焊點應力效果較佳。這些結論可以為我們后續車型前期設計作指引，在設計發動機罩鉸鏈加強板時，可以朝著方案二與方案四的方向進行結構設計優化。

參 考 文 獻

[1]庫才旗，謝新生.舉升門鉸鏈加強板的結構設計改進[J].企業科技與發展，2013（13）.

[2]鄧代玉，高君杰，趙福全.某車型發動機罩鉸鏈失效解決措施[J].農業裝備與車輛工程，2012（7）.

[3]曲思明，束萍萍，趙福全.某車型發動機罩焊點開裂解決措施[J].農業裝備與車輛工程，2012（11）.