安全車身結(jié)構(gòu)與板厚及焊接方式關(guān)系

PAGEPAGE4安全車身結(jié)構(gòu)與車身板厚及焊接方式關(guān)系廣汽豐田車體部虞鋒【摘要】本文通過對車身結(jié)構(gòu)及其受力分析、車身鋼板作用以及激光焊接在車身應(yīng)用分析，從車身碰撞機(jī)理論述了車身結(jié)構(gòu)、車身鋼板厚度和激光焊接對車身安全的影響，并糾正對車身結(jié)構(gòu)安全的一些誤解。關(guān)鍵詞：車身安全、車身結(jié)構(gòu)、鋼板厚度、激光焊接承載式車身是由鋼板沖壓成型的金屬結(jié)構(gòu)件和大型復(fù)蓋件組成，由A柱、C柱、B柱（中立柱）和地板構(gòu)成了車身結(jié)構(gòu)骨架。車身結(jié)構(gòu)需要滿足一定的強(qiáng)度和剛度，才能達(dá)到保護(hù)乘員的目的。車身結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度是車身安全性判定的二個(gè)主要指標(biāo)。車身剛度是指車身的抗變形能力，也就是車身的抗沖擊能力。車身強(qiáng)度是車身承受外力時(shí)，抵抗塑性變形或破壞的能力。車身強(qiáng)度是由車身的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)件鋼板強(qiáng)度、焊接質(zhì)量包括焊點(diǎn)數(shù)量決定。下面從車身結(jié)構(gòu)、鋼板厚度以及激光焊接等方面論述上述因素對車身結(jié)構(gòu)安全的影響。一、車身安全結(jié)構(gòu)

當(dāng)汽車速度超過50公里發(fā)生碰撞沖擊時(shí)，決定汽車的安全因素不是車身外部鋼板的厚薄，而是帶有逐級吸能及具有良好抗變型能力的車身結(jié)構(gòu)，使乘員艙不發(fā)生形變(見圖1)。圖1：吸能車身結(jié)構(gòu)示意圖

在現(xiàn)代承載式車身結(jié)構(gòu)中，比較有代表性的就是3H車身與豐田GOA車身結(jié)構(gòu)，3H車身多用于歐美車系設(shè)計(jì)，豐田GOA車身是豐田獨(dú)立開發(fā)的一種安全車身結(jié)構(gòu)。下面以豐田的GOA車身說明車身結(jié)構(gòu)對車身安全的作用。豐田GOA車身是基于“吸能分散”概念（是以安全著稱的沃爾沃汽車公司提出的），采用CAE技術(shù)，經(jīng)過數(shù)千次試驗(yàn)，研制出具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的車身技術(shù)（見圖2）。GOA車身具有高強(qiáng)度乘員艙和高效吸收沖擊能量的車身結(jié)構(gòu)，它由8個(gè)基本的組成部分：1、車身整體一次沖壓而成；2、大型保險(xiǎn)杠加強(qiáng)板；3、吸能前縱梁直線布置；4、采用橫梁至前柱的加強(qiáng)梁；5、中柱部分強(qiáng)化；6、嵌入門檻板前柱穿入下門口；7、下門檻加強(qiáng)筋與后輪罩直接相連；8、車門內(nèi)采用防側(cè)撞鋼梁。

圖2：CAMRY的GOA車身結(jié)構(gòu)及受力圖圖2中紅線、藍(lán)線分別是車身正面和側(cè)面碰撞受力方向。當(dāng)車身正面碰撞時(shí)，前保險(xiǎn)杠將正碰力傳到前縱梁上，沖擊力將被吸收和分散：首先是發(fā)動機(jī)艙部位的前縱梁潰縮吸能，前縱梁沿縱向的逐級潰縮，吸收大部分正面沖擊能量；其次是余下的正面沖擊力將被均勻分散至車身各部分骨架上，盡可能降低乘員艙內(nèi)部空間的變形程度。當(dāng)車身側(cè)面碰撞時(shí)，側(cè)碰力將沿中立柱、門檻和車門防撞桿分散，對乘員艙進(jìn)行保護(hù)。為提高乘員艙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，在車身骨架等受力結(jié)構(gòu)件內(nèi)，嚴(yán)格按照GOA車身結(jié)構(gòu)的要求，增加了若干層不等的加強(qiáng)件（如圖3），并大量使用590MPa以上的高強(qiáng)度鋼板來強(qiáng)化車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，最大限度保護(hù)乘員艙不變形?？傊?，從力學(xué)角度出發(fā)，車身該柔軟的地方就要柔軟，該剛硬的地方就要剛硬。根據(jù)受力狀況，讓部分車體在碰撞時(shí)起到“吸能分散”作用，盡量減弱沖擊力，達(dá)到最大限度的保護(hù)乘員的目的，這也是現(xiàn)代安全車身結(jié)構(gòu)的基本理念。圖3：車身加強(qiáng)件示意圖二、車身鋼板厚度對于承載式車身來說，車身鋼板分為兩種：一是內(nèi)板和襯板，是結(jié)構(gòu)件、受力件。根據(jù)其所處的結(jié)構(gòu)部位的強(qiáng)度、剛度要求等要素，其厚度一般在0.7mm～3.2mm之間。對于車身骨架的結(jié)構(gòu)件，是要求鋼板強(qiáng)度越高越好，乘員艙就越牢固。對于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的兩條前縱梁，雖然也是受力件，但由于吸能的要求，其內(nèi)壁的鋼板厚度是由薄到厚漸變的，越靠近駕駛艙越厚，這樣在發(fā)生碰撞時(shí)，前縱梁可以實(shí)現(xiàn)一是外板，作為覆蓋件，非功能件、非受力件，厚度一般在0.6mm～0.8mm之間。表1是達(dá)到安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)的國內(nèi)幾個(gè)主要車型的外板表1：幾個(gè)主要車型外板厚度車廠車型鋼板部位厚度(mm)種類牌號廣汽豐田凱美瑞車頂0.75冷板軟鋼東風(fēng)日產(chǎn)天籟車頂0.75冷板軟鋼廣汽本田雅閣車頂0.8冷板軟鋼北京奔馳JSC車頂0.7冷板軟鋼北京奔馳-戴克C300車頂0.75冷板軟鋼上海大眾帕薩特車頂0.8冷板軟鋼上海通用凱迪拉克車頂0.7冷板軟鋼神龍汽車凱旋車頂0.8鍍鋅板軟鋼長安福特?？怂管図?.65冷板軟鋼廣汽豐田凱美瑞門外板0.75鍍鋅板高強(qiáng)鋼東風(fēng)日產(chǎn)天籟門外板0.75鍍鋅板軟鋼廣汽本田雅閣門外板0.8鍍鋅板高強(qiáng)鋼北京奔馳JSC門外板0.7鍍鋅板高強(qiáng)鋼北京奔馳—戴克C300門外板0.75鍍鋅板高強(qiáng)鋼上海大眾帕薩特門外板0.7鍍鋅板高強(qiáng)鋼上海通用凱迪拉克門外板0.7鍍鋅板軟鋼神龍汽車凱旋門外板0.8鍍鋅板軟鋼長安福特?？怂归T外板0.7鍍鋅板軟鋼注：1、國內(nèi)車的鋼板大部分來自寶鋼及相關(guān)合資鋼廠。2、以上數(shù)據(jù)來自國內(nèi)公開資料。外板越厚，其剛性越大，在低速碰撞時(shí)剛性車身不易變形，車輛損失??；但高速碰撞時(shí)由于高剛性、車身前部不變形而導(dǎo)致整體擠壓駕駛艙，對車內(nèi)前排乘員傷害大。吸能車身在高速碰撞時(shí)能夠更加有效的保護(hù)乘員，但是在低速碰撞時(shí)車身前部易變性而造成車主的較大損失，所以使人有誤解。從表1可以看出，由于外板的功能和作用決定了各品牌汽車的外板的厚度和材質(zhì)基本相近，并無多大差異。需要指出的是：發(fā)動機(jī)蓋板和行李箱蓋板是不能太厚，因?yàn)橐坏┦艿秸隽?，從保護(hù)乘員安全考慮，發(fā)動機(jī)蓋板或行李箱蓋板要求必須曲卷（見圖1所示）。如果鋼板太厚，其剛度就大，會象一把刀，直接插入乘員艙，對乘員造成致命傷害。車身輕量化設(shè)計(jì)要求是鋼板越薄越好，如果鋼板太厚就等于增加了車身自重和油耗。所以，許多汽車的車架大量采用高強(qiáng)度鋼板，以降低鋼板厚度，減輕車身重量。當(dāng)然，外板也不是越薄越好，也必須滿足滿足一定的剛度要求，否則，車輛運(yùn)動會產(chǎn)生極大噪聲；當(dāng)車輛急劇的加、減速、拐彎和顛簸的時(shí)候，車身容易變形，甚至?xí)⒓?。所以，四門二蓋都增加了內(nèi)襯板（如圖4所示），以提高車身外板剛性。那些以外板的車身外板厚薄來判斷車身是否安全的觀點(diǎn)，是對車身結(jié)構(gòu)的不了解而產(chǎn)生的誤解。圖4：提高發(fā)動機(jī)蓋剛度的內(nèi)襯板三、車身焊接方式在汽車制造工藝?yán)?，白車身是板件以焊接方式拼裝而成的。車身焊接的主要方式車身是電阻焊。電阻焊是焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。電阻焊具有操作簡單、加熱時(shí)間短、變形與應(yīng)力小、無需填充料、板合精度要求低、自動化程度高、焊接強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其對于中厚板材的焊接，電阻焊具有極大優(yōu)勢，因此，在車身焊接中大量應(yīng)用。車身焊接還有電弧焊、鋁焊、混合氣體保護(hù)焊等焊接方式，近年來，激光焊接技術(shù)也逐步引入汽車制造業(yè)。激光焊接是焊接技術(shù)的一種，它是利用激光產(chǎn)生的熱能融化金屬材料然后融合在一起，冷卻后重新生成晶粒把兩邊材料聯(lián)接起來，主要用在汽車車身的外板的拼接和坯板焊接上。圖5：激光焊接技術(shù)示意圖同電阻焊相比，激光焊接有如下主要優(yōu)點(diǎn)：（1）焊接質(zhì)量高。由于激光焊縫窄，較小的高溫區(qū)也使得工件熱變形小。（2）無工件材料損耗和機(jī)械形變。激光焊接為非接觸式焊接，無需對工件進(jìn)行加壓，無需使用電極，因此不會使工件表面產(chǎn)生熱影響、傷痕或變形。（3）減少材料用量。頂蓋與側(cè)圍車身的焊接，采用點(diǎn)焊，凸緣寬度需要16mm；采用激光焊接，只需要5mm。根據(jù)車身采用激光焊接長度，每輛車可以節(jié)省約幾公斤到幾十公斤不等的板材。（4）無振動或超聲波和磁場等物理影響，車身的結(jié)合精度同樣大大提升，同時(shí)也提高了車體的剛度。（5）可實(shí)現(xiàn)不同的材質(zhì)、不同厚度的板材對接。（6）能長時(shí)間穩(wěn)定工作，也沒有電極污染和損耗，不會產(chǎn)生焊接粉塵或飛邊等不良現(xiàn)象。但激光焊接也有幾個(gè)明顯缺點(diǎn)：（1）對板件配合精度要求高；（2）激光焊接熔接深度不夠，不能焊接底盤和車架；（3）由于沒有焊材填充，加上材料的熱蒸發(fā)，會導(dǎo)致焊縫比母材薄，即會導(dǎo)致該處應(yīng)力集中；（4）激光焊接設(shè)備成本較高，一次性投資較大。雖然激光焊接有很多優(yōu)點(diǎn)，但以目前的激光技術(shù)，它對板件還是分子級的焊接，而且熔接深度不夠，因此，在車身制造中，激光焊接主要還是應(yīng)用在薄板的焊接上；對于以中厚板為主的結(jié)構(gòu)件，還是采用電阻焊。但是，也有個(gè)別結(jié)構(gòu)件采用了激光焊接，如：凱美瑞的前縱梁前端把1.8mm～2.2mm幾種不同板厚材料進(jìn)行拼接就采用了激光焊接，使前縱梁壁厚逐級提高。不過，這幾段激光焊接口是應(yīng)力集中點(diǎn)，一旦正碰力超過臨界點(diǎn)，前縱梁將隨板厚逐級壓縮吸能，激光焊接口也會首先斷裂，使發(fā)動機(jī)墜地，避免發(fā)動機(jī)沖激光焊接對于車身外板的美觀、節(jié)省板材、和提高外板剛度有著很好作用。有些車企就把車身激光焊接長度作為賣點(diǎn)宣傳，但它的底盤和車架等結(jié)構(gòu)件還是電阻焊而不是激光焊接。由于車身外板不是受力件，車身外板的激光焊接對車身結(jié)構(gòu)安全也沒有實(shí)質(zhì)性的改善。四、結(jié)論