安全車(chē)身結(jié)構(gòu)與板厚及焊接方式關(guān)系

PAGEPAGE4安全車(chē)身結(jié)構(gòu)與車(chē)身板厚及焊接方式關(guān)系廣汽豐田車(chē)體部虞鋒【摘要】本文通過(guò)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)及其受力分析、車(chē)身鋼板作用以及激光焊接在車(chē)身應(yīng)用分析，從車(chē)身碰撞機(jī)理論述了車(chē)身結(jié)構(gòu)、車(chē)身鋼板厚度和激光焊接對(duì)車(chē)身安全的影響，并糾正對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)安全的一些誤解。關(guān)鍵詞：車(chē)身安全、車(chē)身結(jié)構(gòu)、鋼板厚度、激光焊接承載式車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)骨架。車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度是車(chē)身安全性判定的二個(gè)主要指標(biāo)。車(chē)身剛度是指車(chē)身的抗變形能力，也就是車(chē)身的抗沖擊能力。車(chē)身強(qiáng)度是車(chē)身承受外力時(shí)，抵抗塑性變形或破壞的能力。車(chē)身強(qiáng)度是由車(chē)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(chē)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(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)安全的影響。一、車(chē)身安全結(jié)構(gòu)

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

在現(xiàn)代承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)中，比較有代表性的就是3H車(chē)身與豐田GOA車(chē)身結(jié)構(gòu)，3H車(chē)身多用于歐美車(chē)系設(shè)計(jì)，豐田GOA車(chē)身是豐田獨(dú)立開(kāi)發(fā)的一種安全車(chē)身結(jié)構(gòu)。下面以豐田的GOA車(chē)身說(shuō)明車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)身安全的作用。豐田GOA車(chē)身是基于“吸能分散”概念（是以安全著稱(chēng)的沃爾沃汽車(chē)公司提出的），采用CAE技術(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)千次試驗(yàn)，研制出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的車(chē)身技術(shù)（見(jiàn)圖2）。GOA車(chē)身具有高強(qiáng)度乘員艙和高效吸收沖擊能量的車(chē)身結(jié)構(gòu)，它由8個(gè)基本的組成部分：1、車(chē)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(mén)檻板前柱穿入下門(mén)口；7、下門(mén)檻加強(qiáng)筋與后輪罩直接相連；8、車(chē)門(mén)內(nèi)采用防側(cè)撞鋼梁。

圖2：CAMRY的GOA車(chē)身結(jié)構(gòu)及受力圖圖2中紅線、藍(lán)線分別是車(chē)身正面和側(cè)面碰撞受力方向。當(dāng)車(chē)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(dòng)機(jī)艙部位的前縱梁潰縮吸能，前縱梁沿縱向的逐級(jí)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(chē)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(chē)身側(cè)面碰撞時(shí)，側(cè)碰力將沿中立柱、門(mén)檻和車(chē)門(mén)防撞桿分散，對(duì)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(chē)身骨架等受力結(jié)構(gòu)件內(nèi)，嚴(yán)格按照GOA車(chē)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(lái)強(qiáng)化車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，最大限度保護(hù)乘員艙不變形。總之，從力學(xué)角度出發(fā)，車(chē)身該柔軟的地方就要柔軟，該剛硬的地方就要?jiǎng)傆?。根?jù)受力狀況，讓部分車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)的基本理念。圖3：車(chē)身加強(qiáng)件示意圖二、車(chē)身鋼板厚度對(duì)于承載式車(chē)身來(lái)說(shuō)，車(chē)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(duì)于車(chē)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(duì)于發(fā)動(dòng)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(guó)內(nèi)幾個(gè)主要車(chē)型的外板表1：幾個(gè)主要車(chē)型外板厚度車(chē)廠車(chē)型鋼板部位厚度(mm)種類(lèi)牌號(hào)廣汽豐田凱美瑞車(chē)頂0.75冷板軟鋼東風(fēng)日產(chǎn)天籟車(chē)頂0.75冷板軟鋼廣汽本田雅閣車(chē)頂0.8冷板軟鋼北京奔馳JSC車(chē)頂0.7冷板軟鋼北京奔馳-戴克C300車(chē)頂0.75冷板軟鋼上海大眾帕薩特車(chē)頂0.8冷板軟鋼上海通用凱迪拉克車(chē)頂0.7冷板軟鋼神龍汽車(chē)凱旋車(chē)頂0.8鍍鋅板軟鋼長(zhǎng)安福特?？怂管?chē)頂0.65冷板軟鋼廣汽豐田凱美瑞門(mén)外板0.75鍍鋅板高強(qiáng)鋼東風(fēng)日產(chǎn)天籟門(mén)外板0.75鍍鋅板軟鋼廣汽本田雅閣門(mén)外板0.8鍍鋅板高強(qiáng)鋼北京奔馳JSC門(mén)外板0.7鍍鋅板高強(qiáng)鋼北京奔馳—戴克C300門(mén)外板0.75鍍鋅板高強(qiáng)鋼上海大眾帕薩特門(mén)外板0.7鍍鋅板高強(qiáng)鋼上海通用凱迪拉克門(mén)外板0.7鍍鋅板軟鋼神龍汽車(chē)凱旋門(mén)外板0.8鍍鋅板軟鋼長(zhǎng)安福特?？怂归T(mén)外板0.7鍍鋅板軟鋼注：1、國(guó)內(nèi)車(chē)的鋼板大部分來(lái)自寶鋼及相關(guān)合資鋼廠。2、以上數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)內(nèi)公開(kāi)資料。外板越厚，其剛性越大，在低速碰撞時(shí)剛性車(chē)身不易變形，車(chē)輛損失??；但高速碰撞時(shí)由于高剛性、車(chē)身前部不變形而導(dǎo)致整體擠壓駕駛艙，對(duì)車(chē)內(nèi)前排乘員傷害大。吸能車(chē)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(chē)身前部易變性而造成車(chē)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(chē)的外板的厚度和材質(zhì)基本相近，并無(wú)多大差異。需要指出的是：發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)蓋板或行李箱蓋板要求必須曲卷（見(jiàn)圖1所示）。如果鋼板太厚，其剛度就大，會(huì)象一把刀，直接插入乘員艙，對(duì)乘員造成致命傷害。車(chē)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(chē)身自重和油耗。所以，許多汽車(chē)的車(chē)架大量采用高強(qiáng)度鋼板，以降低鋼板厚度，減輕車(chē)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(chē)輛運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生極大噪聲；當(dāng)車(chē)輛急劇的加、減速、拐彎和顛簸的時(shí)候，車(chē)身容易變形，甚至?xí)⒓?。所以，四門(mén)二蓋都增加了內(nèi)襯板（如圖4所示），以提高車(chē)身外板剛性。那些以外板的車(chē)身外板厚薄來(lái)判斷車(chē)身是否安全的觀點(diǎn)，是對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的不了解而產(chǎn)生的誤解。圖4：提高發(fā)動(dòng)機(jī)蓋剛度的內(nèi)襯板三、車(chē)身焊接方式在汽車(chē)制造工藝?yán)铮总?chē)身是板件以焊接方式拼裝而成的。車(chē)身焊接的主要方式車(chē)身是電阻焊。電阻焊是焊件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)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(jiǎn)單、加熱時(shí)間短、變形與應(yīng)力小、無(wú)需填充料、板合精度要求低、自動(dòng)化程度高、焊接強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于中厚板材的焊接，電阻焊具有極大優(yōu)勢(shì)，因此，在車(chē)身焊接中大量應(yīng)用。車(chē)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(lái)，激光焊接技術(shù)也逐步引入汽車(chē)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(lái)，主要用在汽車(chē)車(chē)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(wú)工件材料損耗和機(jī)械形變。激光焊接為非接觸式焊接，無(wú)需對(duì)工件進(jìn)行加壓，無(wú)需使用電極，因此不會(huì)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(chē)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(chē)身采用激光焊接長(zhǎng)度，每輛車(chē)可以節(jié)省約幾公斤到幾十公斤不等的板材。（4）無(wú)振動(dòng)或超聲波和磁場(chǎng)等物理影響，車(chē)身的結(jié)合精度同樣大大提升，同時(shí)也提高了車(chē)體的剛度。（5）可實(shí)現(xiàn)不同的材質(zhì)、不同厚度的板材對(duì)接。（6）能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，也沒(méi)有電極污染和損耗，不會(huì)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(duì)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(pán)和車(chē)架；（3）由于沒(méi)有焊材填充，加上材料的熱蒸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致焊縫比母材薄，即會(huì)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(duì)板件還是分子級(jí)的焊接，而且熔接深度不夠，因此，在車(chē)身制造中，激光焊接主要還是應(yīng)用在薄板的焊接上；對(duì)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(jí)提高。不過(guò)，這幾段激光焊接口是應(yīng)力集中點(diǎn)，一旦正碰力超過(guò)臨界點(diǎn)，前縱梁將隨板厚逐級(jí)壓縮吸能，激光焊接口也會(huì)首先斷裂，使發(fā)動(dòng)機(jī)墜地，避免發(fā)動(dòng)機(jī)沖激光焊接對(duì)于車(chē)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(chē)企就把車(chē)身激光焊接長(zhǎng)度作為賣(mài)點(diǎn)宣傳，但它的底盤(pán)和車(chē)架等結(jié)構(gòu)件還是電阻焊而不是激光焊接。由于車(chē)身外板不是受力件，車(chē)身外板的激光焊接對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)安全也沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改善。四、結(jié)論