汽車側圍內、外雙門環結構的應用研究

文／趙靜遠，呂進，朱木火，陳鵬·奇瑞商用車(安徽)有限公司

運用新工藝技術是輕量化的重要手段之一。本文簡述了側圍內、外雙門環結構在某車型上的成形工藝和具體應用，并驗證了內、外雙門環對整車強度的貢獻量。內、外雙門環成形運用了熱成形激光拼焊技術，在生產開發中節約了模具設計及制造成本，而且實現了輕量化，門環減重超過了12%。

隨著消費者對于汽車在燃油經濟性及車身安全性能方面的要求越來越高，汽車車身結構的輕量化設計顯得更加重要，在保證足夠的剛度、強度的同時，又要滿足碰撞安全性能，而且不能增加車身重量。研究表明：汽車的燃油消耗與汽車的自身重量成正比，汽車輕量化在節能減排方面有著重要的作用。

汽車輕量化包含車身結構優化、選用輕量化材料、生產工藝優化等。本文介紹了在車身結構及生產工藝優化中通過結構少件化設計，即采用激光拼焊及熱成形技術可實現整車輕量化，使汽車具有更好的碰撞性能和更高的材料利用率。

門環設計與分析

環狀路徑車身(圖1)按位置可劃分為16 個環，涵蓋路徑連通性、截面連續性和抗彎抗扭變形能力三個方面，而從性能影響的角度可以分為4 大類，分別是耐久環、剛度環、吸能環、安全環。

圖1 環狀路徑車身示意圖

第 一 類： 耐 久 環， 如Front-Ring、Triangular Window-Ring 和Hood-Ring；

第二類：剛度環，如C-Ring、Damper-Ring、D-Ring和Front Windshied-Ring；

第三類：吸能環，如Front Energy-Ring、Rear Energy-Ring 和Shotgun-Ring；

第四類：安全環，如A-Ring、B-Ring、Front Floor-Ring、Fuel Tank-Ring、Front Door-Ring( 圖2)和Rear Door-Ring。

圖2 Front Door-Ring

提高非薄弱處的剛度不會有效增加整體剛度，或者說適當減少非薄弱處的剛度不會顯著降低結構整體剛度。內、外熱成形激光拼焊雙門環是通過少件化結構設計，將傳統點焊工藝中前門環結構設計為內、外兩個整體零件，通過激光拼焊技術實現不同板厚的組合，同時，采用熱成形沖壓技術將內、外雙門環一體沖壓成形，使得材料與環狀結構的匹配發揮出最佳的性能狀態，實現了合適的材料使用在合適的地方，從而實現輕量化設計。

材料選擇與不等厚設計

為實現車身的輕量化設計，本文提到的內、外雙門環設計與傳統方案相比需滿足以下3 點要求：⑴完整的Front Door-Ring 截面路徑，提升了碰撞安全性能；⑵相比于傳統點焊的前門環結構，重量降低了10%；⑶投資成本及單件成本都有所降低。

由于板料需要良好的熱成形性能，而且將板料用于成形門環需要較高的壓力，因此在材料選擇上采用22MnB5 熱成形鋼板。22MnB5 既可以提高防撞安全性，又可以實現白車身輕量化。22MnB5 超高強鋼板在軋制成形后，材料組織為均勻的鐵素體和珠光體，而經過熱處理后變為均勻的馬氏體組織，屈服強度可達1200MPa，抗拉強度可達1600MPa，為普通鋼板強度的3 ～4 倍，是最高強度級別的汽車用鋼板。

通過多次優化驗算，如圖3 所示，內門環板料分縫為四處，分別是上A 柱內板22MnB5/1.2mm，下A柱內板22MnB5/1.5mm，B 柱內板22MnB5/1.2mm，門檻內板22MnB5/1.5mm；外門環板料分縫為四處，分別是上A 柱加強板22MnB5/1.2mm，下A 柱加強板22MnB5/1.2mm，B 柱加強板22MnB5/1.4mm，門檻加強板22MnB5/1.2mm。

圖3 板料四處分縫

性能分析

通過進行25%偏置碰撞分析驗證，對比傳統沖壓焊接工藝結構和熱成形內、外雙門環兩種結構方案，從圖4、圖5 中的安全分析結果對比可見，兩種Front Door-Ring 在碰撞時，采用熱成形內、外雙門環的車身駕駛艙的侵入量相對較小，可以更好地保護駕乘人員的安全。

圖4 傳統側圍門環結構及安全分析結果

圖5 內、外雙門環結構及安全分析結果

由表1 不難發現，內、外雙門環結構在前排成員座艙，包括A 柱下鉸鏈、A 柱上鉸鏈、踏腳板、左側足板、轉向管柱等位置的侵入量均有較大幅度下降。

表1 兩種結構侵入量(單位：mm)

綜合來講，在上述碰撞分析中采用側圍內、外雙門環的結構對前排駕乘人員安全空間的保護都遠遠大于傳統工藝結構的分析結果，安全性能高于傳統側圍的Front Door-Ring 結構。

工藝與成本、重量

門環工藝流程

一體式門環熱成形(圖6)是將硼鋼板加熱至890 ～950℃，并保持一定時間，使其內部晶體結構轉化為奧氏體化狀態，然后進行高溫沖壓，并在模具內保壓進行快速冷卻(＞27℃/s)，進行淬火硬化處理使其板件內部晶體轉化為馬氏體，提升零部件的強度及硬度。其中，加熱過程直接影響到高強度鋼板的拉延成形性能，沖壓過程中的保壓冷卻速度對零件強度的硬化起到決定性的作用。

圖6 一體式門環工藝流程圖

熱成形門環的工藝過程特點

熱成形門環的原材料一般分為裸板和鍍層板兩種，裸板即熱成形板料表面沒有鍍層，因無需做表面處理，大部分廠家都可以生產。由于裸板成形后需進行拋丸、涂裝防腐處理等工藝，其后處理方式會對零件的精度造成一定影響，故生產驗證階段需充分驗證調試。雖然鍍層熱成形材料有很好的防腐性能，但其受專利保護的同時成本較裸板高，因此當前國內主要推薦采用的是無鍍層的裸板材料。然而，由于裸板板料表面無鍍層，裸板板料沖壓過程中容易發生粘模，影響生產效率。

熱成形件其孔位、料邊等均采用激光加工，所以要充分評估激光生產資源，滿足生產節拍。拋丸清理是為了去除表面氧化皮等雜質，更改其顯微組織結構，同時，拋丸可以消除零件內的殘余應力，改變零部件的表面粗糙度，從而提高零件的疲勞斷裂抗力。

成本和重量分析

采用內、外雙門環熱成形激光拼焊工藝，其工藝過程是在沖壓前將厚度不同的板料通過激光焊接連接在一起，相比于傳統點焊結構減少了焊接搭接邊的零件尺寸，大大提升了材料利用率，降低了零件成本、重量及開發固投費用。

從表2 可以看出，熱成形雙門環的單車成本相對傳統分件結構單車成本節省約100 元，單車減重5kg，開發固投費用可減少約650 萬元，材料利用率提高15%左右，總成的焊接工時可節約140s，相當于減少操作工人10 名，節省人工費用約200 萬元。

表2 傳統結構和門環結構差異說明

結束語

綜合考慮到工藝、成本和性能等因素，內、外雙門環熱成形在性能方面保證了車身的強度和剛度，滿足了碰撞安全性能的要求。同時，在工藝方面一體式門環運用了熱成形和激光拼焊技術，減少了門環結構的零部件數量，提升了零部件質量，同等強度下降低了板料的厚度，進而實現了車身輕量化、少件化。在成本方面，該技術的應用降低了設計與生產工裝投入及制造成本。