基于密封條反彈力的汽車車門鈑金預(yù)彎設(shè)計分析

歐陽明，劉美麗，趙云聰，向?qū)W文（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于密封條反彈力的汽車車門鈑金預(yù)彎設(shè)計分析

歐陽明，劉美麗，趙云聰，向?qū)W文
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在汽車車門鈑金的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需考慮車門上窗框在密封膠條反力作用下的變形量。在沖壓模具制造之前，設(shè)計窗框預(yù)彎曲以抵消或減小窗框變形量，或者在焊接夾具上設(shè)計矯形調(diào)節(jié)余量，以滿足車身外觀面差要求。文章?lián)嗽敿?xì)闡述了車門預(yù)彎設(shè)計的方法思路及某車型應(yīng)用實例。

汽車車門；預(yù)彎設(shè)計；密封膠條；壓縮負(fù)荷；窗框變形

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.029

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-94-05

1、車門鈑金預(yù)彎設(shè)計行業(yè)背景及現(xiàn)狀

汽車在人們的日常生活中，已經(jīng)扮演了舉足輕重的地位，而且汽車也由一種交通工具逐步演變?yōu)槲镔|(zhì)生活的必需品。隨著汽車工業(yè)的多樣化發(fā)展，消費者對于汽車的消費期望和產(chǎn)品期待也日益攀高，汽車舒適性和外觀感覺也是消費者關(guān)注的焦點，而車身總成的外觀感覺就是消費者最直接的感官因素。

車身總成中，車門同樣承擔(dān)著非常重要的關(guān)鍵要素。汽車車門在汽車白車身中是一個相對獨立的總成，是由車門鈑金和車門附件組成，車門總成是通過鉸鏈和限位器與側(cè)圍連接，并且與車身側(cè)圍及翼子板等周邊件需滿足車型自身標(biāo)準(zhǔn)要求的間隙和面差。為了保證防雨防塵、隔音降噪對密封的要求，在車門總成與車身之間布置一道或兩道密封膠條，形成密封空間，但密封膠條的壓縮會給車門反作用力，此作用力就是造成車門鈑金變形的首要原因。在整個車門系統(tǒng)中，一般上下鉸鏈和門鎖嚙合處是車門與側(cè)圍的三個固聯(lián)點，車門四周的膠條壓縮產(chǎn)生的反作用力是車門鈑金變形的主要作用力，由于三個固聯(lián)點均布置在窗框以下，且形成較穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，所以車門鈑金變形的發(fā)生主要在上窗框部位，且成類似線性分布，由車門外板上止口邊附近至窗框上沿變形量依次增大（不同車型隨著 A、B、C柱截面系數(shù)的不同而變形趨勢各不相同）。

為了消除或減小實車狀態(tài)車門上窗框的這種反作用力變形量，目前各汽車制造廠主要有兩種處理方式：其一較常用的方法是在焊接夾具上進(jìn)行矯形調(diào)整，操作較為直接，但不易控制，需多次調(diào)整并結(jié)合實車狀態(tài)進(jìn)行反復(fù)修正，最終達(dá)到理想的狀態(tài)；其二是在數(shù)據(jù)狀態(tài)考慮預(yù)變形量，需在鈑金設(shè)計時進(jìn)行反向的預(yù)變形，主要是基于CAE分析的窗框變形量為依托，對車門鈑金工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)彎曲變形處理，以便在鈑金沖壓模具制作時進(jìn)行變形量調(diào)整，達(dá)到實車狀態(tài)下更為滿足車型標(biāo)準(zhǔn)的外觀面差。

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)調(diào)研，總結(jié)出了各個車系品牌對于車門鈑金預(yù)彎設(shè)計的不同方法和思路：歐美系絕大部分車型采用了第二種方法，設(shè)計車門鈑金預(yù)彎數(shù)據(jù)；日韓系較大部分車型同樣采用了第二種方法；自主品牌車系幾乎全部車型都采用了第一種方法，采用焊接夾具矯形方案。具體參見表1（僅示例汽車品牌，具體車型不進(jìn)行公開）。

表1　車門鈑金預(yù)彎現(xiàn)狀調(diào)研

此調(diào)研是對各品牌下不同車型大量采集數(shù)據(jù)對比分析，為表達(dá)清晰簡明扼要，表1中列取的是汽車品牌下某一款代表車型的數(shù)據(jù)，僅僅是大量數(shù)據(jù)中最具代表性的一組數(shù)據(jù)。

首先，從車門結(jié)構(gòu)上來分析，分體式內(nèi)板和整體式內(nèi)板的車型預(yù)彎思路有所不同。整體式車門因門框難以調(diào)整，所以幾乎所有的整體式車門車型都采用了第二種方案，進(jìn)行預(yù)彎數(shù)模的設(shè)計，在沖壓模具階段進(jìn)行預(yù)彎處理；而分體式車門由于在焊接夾具上可以對窗框Y向做一定矯形調(diào)整，因此分體式車門設(shè)計的車型大部分都采用第一種方案，沒有設(shè)計預(yù)彎數(shù)模，也有少部分采用第二種方案。

其次，從車系區(qū)別上來看，歐美系和日韓系方案較為統(tǒng)一，自主車系與之不同。歐美系和日韓系車型，不論分體式車門還是整體式車門，絕大部分采用第二種方案，設(shè)計預(yù)彎3D數(shù)模，但其中本田某車型因密封膠條反作用力較小，對鈑金的擠壓變形也很小，所以沒有采取任何預(yù)彎處理；自主車系車型大多是分體式車門，且均采取第一種方案措施，進(jìn)行焊接夾具的矯形調(diào)整，這種情況可能跟自主廠家大多沒有掌握車門3D數(shù)模預(yù)彎的設(shè)計方法有關(guān)。

2、必要性與優(yōu)點

從此次調(diào)研結(jié)果來看：對于整體式車門，由于面差調(diào)試?yán)щy，強(qiáng)烈建議設(shè)計預(yù)彎3D數(shù)模；對于分體式車門，如果密封條作用力很小，設(shè)計上可以不做預(yù)彎數(shù)模，如果密封條作用力大，窗框變形量大于 1mm的，為避免矯形帶來尺寸的不穩(wěn)定，也需要設(shè)計預(yù)彎3D數(shù)模。總而言之，預(yù)彎3D數(shù)模的設(shè)計主要是為了抵消由于密封條反作用力對窗框的擠壓變形，同時避免了繁瑣的焊接夾具矯形調(diào)整。

為了能夠直觀了解密封膠條對于車門鈑金擠壓變形的影響程度，結(jié)合某款雙道密封的上市車型，如圖1所示進(jìn)行了如下一項試驗，間隔200-300mm測量除門檻位置的32個選點的面差數(shù)據(jù)：

首先拆除車門頭道密封條和側(cè)圍門框密封條，并測量前后車門周圈與側(cè)圍的面差，每間隔200-300mm共選取32個點進(jìn)行測量并記錄，標(biāo)記為A組數(shù)據(jù)，詳細(xì)見表2(前后門分開測量，即測量前門時后門需安裝兩道密封條，測量后門時前門需安裝兩道密封條)。

表2　拆除兩道密封條測量面差值

其次安裝上車門頭道密封條，并測量前后車門周圈與側(cè)圍的面差，每間隔200-300mm共選取32個點進(jìn)行測量并記錄，標(biāo)記為B組數(shù)據(jù)，詳細(xì)見表3(前后門分開測量，即測量前門時后門需安裝兩道密封條，測量后門時前門需安裝兩道密封條)。

表3　僅安裝車門頭道密封條測量面差值

然后再安裝側(cè)圍門框密封條，并測量前后車門周圈與側(cè)圍的面差，每間隔200-300mm共選取32個點進(jìn)行測量并記錄，標(biāo)記為C組數(shù)據(jù)，詳細(xì)見表4(前后門分開測量，即測量前門時后門需安裝兩道密封條，測量后門時前門需安裝兩道密封條)。

表4　安裝兩道密封條測量面差值

對以上三組測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理總結(jié)，可以得到單獨頭道膠條對車門鈑金擠壓變形的影響量以及兩道密封條共同作用對車門鈑金擠壓變形的影響量，詳細(xì)見表5。

表5　密封條對車門鈑金擠壓變形影響量

通過表5數(shù)據(jù)，可以直觀的看到該車型密封膠條作用力對車門鈑金的擠壓變形程度及主要變形區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示該車型密封條擠壓前門鈑金變形量主要分布在0.3mm至1.7mm范圍內(nèi)，后門鈑金變形量主要分布在0.1mm至1.3mm范圍內(nèi)，前門鈑金變形量較大；前門頭道膠條作用力影響變形程度大于門框膠條約占70%，后門頭道膠條作用力影響變形程度與門框膠條相當(dāng)均占50%；超過1.0mm的變形量主要分布在前后門上窗框部分，靠近門鎖嚙合點及鉸鏈部位變形量最小。

實車狀態(tài)下，超過1mm的變形量已經(jīng)是肉眼可以分辨的范圍內(nèi)了，1mm外觀面差的偏差也已經(jīng)達(dá)到影響車輛外觀品質(zhì)體驗的程度，所以在CAE分析密封膠條擠壓作用時，通常我們將車門鈑金超過 1mm變形量作為需要進(jìn)行鈑金變形處理的基準(zhǔn)。鈑金變形處理的思路方法前文也進(jìn)行了粗略介紹，主要是焊接夾具矯形調(diào)整方案和3D數(shù)模預(yù)彎處理方案，或者兩種方案結(jié)合實施也是比較明智的選擇，同時兩種方案的優(yōu)缺點也是顯而易見的。

第一種方案采用焊接夾具矯形調(diào)整的弊端較多，穩(wěn)定性不是很好，需要配合返修來解決面差的問題，而且矯形量與收益是不對等的，矯形1mm才能獲得0.5mm的收益，矯形量越大效果越不穩(wěn)定，而第二種方案設(shè)計預(yù)彎3D數(shù)模有利于減少甚至消除車門焊接夾具矯形調(diào)整量,避免由于調(diào)整量太大引起不穩(wěn)定，所以車門鈑金設(shè)計預(yù)彎數(shù)模才是車門設(shè)計發(fā)展趨勢，特別是自主車系的汽車廠家迫切需求掌握這門設(shè)計方法。

3、車門鈑金預(yù)彎設(shè)計的方法介紹

車門鈑金3D預(yù)彎數(shù)模的設(shè)計方法一直是大部分自主車系汽車廠家未知的領(lǐng)域，所以相關(guān)技術(shù)知識是各大自主車企努力探索的方向。事實上，車門鈑金預(yù)彎設(shè)計的方法雖然比較復(fù)雜繁瑣，但卻也是條理清晰的，它是完全依托CAE分析結(jié)果進(jìn)行的一種逆向思維的計算方法，主要包括以下幾個階段。

3.1車門鈑金數(shù)據(jù)擠壓變形CAE分析

一款車型的車門鈑金[1]是否需要進(jìn)行預(yù)彎曲變形處理，首要的決定因素就是車門鈑金變形CAE分析結(jié)果。首先，需要提供給CAE分析部門車門鈑金及側(cè)圍原始3D數(shù)據(jù)、分析方法關(guān)鍵要素和相對應(yīng)的約束條件。原始數(shù)據(jù)主要包括車門鈑金焊接總成、車門上下鉸鏈、車門鎖體及鎖扣總成、車門頭道密封條總成、門框密封條總成、側(cè)圍鈑金焊接總成以及相應(yīng)的連接件和焊點信息。關(guān)鍵要素主要包括鉸鏈軸線、密封條壓縮負(fù)荷及壓縮方向。約束條件主要是上下鉸鏈安裝點和門鎖嚙合點三處固聯(lián)點。

如圖2所示，CAE分析中將上鉸鏈安裝點、下鉸鏈安裝點及門鎖嚙合點三處固聯(lián)點固定，在頭道密封條和門框密封條密封壓縮區(qū)域（或上鉸鏈以上至門鎖之間區(qū)域）對車門鈑金施加均布載荷，載荷大小同膠條壓縮載荷相當(dāng)。通過CAE分析軟件，計算出車門鈑金各個點的位移量圖，并用不同顏色表示位移大小區(qū)間，如圖3。

3.2制作預(yù)彎曲數(shù)據(jù)

預(yù)彎數(shù)據(jù)制作過程是最為復(fù)雜的一個步驟，是根據(jù)鈑金變形量的CAE分析結(jié)果逐步調(diào)整修改，最終擬合出與位移后數(shù)據(jù)偏差最小的預(yù)彎3D數(shù)據(jù)。

首先，從CAE分析[2]結(jié)果中找出車門X向前后側(cè)最接近0mm位移變形的兩點連線、位移變形最大的點以及玻璃大面的旋轉(zhuǎn)軸線，通過最小位移連線來確定預(yù)彎曲的分界線，一般在外劈水條安裝止口以下附近區(qū)域。如圖4所示，紅色直線是最小位移變形連線，綠色曲線是玻璃大面旋轉(zhuǎn)軸線。

其次通過此玻璃曲面旋轉(zhuǎn)軸線，在保證玻璃大面的雙向曲率不變的前提下微調(diào)旋轉(zhuǎn)軸線，重復(fù)多次此步驟，逐漸擬合出與CAE分析結(jié)果最貼合的玻璃大面A1。如圖5所示，黃色曲線是微調(diào)后的玻璃大面旋轉(zhuǎn)軸線，綠色曲面是原玻璃大面，藍(lán)色曲面是擬合調(diào)整后的玻璃大面。

然后再將玻璃大面A與玻璃大面A1，通過最接近0mm位移的兩點連線附近位置進(jìn)行相切橋接連接，得到連接面A和面A1的過渡面B，三個面結(jié)合在一起得到的新面AB就是作為制作預(yù)彎數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的新玻璃面。如圖6所示，綠色曲面是原玻璃大面，藍(lán)色曲面是擬合調(diào)整后的玻璃大面，黃色曲面是連接兩曲面的過渡曲面。

最后，用新得到的玻璃面替換車門鈑金（主要是上窗框區(qū)域）制作過程的老玻璃面，并更新制作出預(yù)彎后的鈑金數(shù)據(jù)，此過程不做詳細(xì)描述。

3.3工藝檢查分析

更新制作出的預(yù)彎3D數(shù)據(jù)，首先需要下發(fā)沖壓工藝檢查確認(rèn)。在工藝CAE分析確認(rèn)沖壓過程無開裂、起皺、滑移線等工藝缺陷，或經(jīng)過數(shù)據(jù)修改后確認(rèn)工藝實施可行性通過后，即可下發(fā)此版預(yù)彎3D數(shù)據(jù)進(jìn)行沖壓模具制作。

3.4根據(jù)預(yù)彎曲數(shù)據(jù)進(jìn)行沖壓模具設(shè)計

在預(yù)彎數(shù)據(jù)下發(fā)后，經(jīng)過模具廠家選點、模具制作工藝分析評審、預(yù)彎數(shù)據(jù)修改最終確定工藝數(shù)據(jù)，并開始模具設(shè)計。模具設(shè)計制作完成后，開始試模打件，然后經(jīng)過多輪模具調(diào)整，最終生產(chǎn)出滿足標(biāo)準(zhǔn)的車門鈑金總成。

3.5實物車門裝車確認(rèn)

車門鈑金各零部件在確認(rèn)滿足尺寸要求之后，經(jīng)過焊接和涂裝工藝，拼接成整體的車門總成。車門總成需經(jīng)過檢具確認(rèn)或三坐標(biāo)打點測量滿足設(shè)計要求之后，即可進(jìn)行實車裝車確認(rèn)，驗證預(yù)彎數(shù)據(jù)制作的效果與作用。

4、基于某車型的車門鈑金預(yù)彎設(shè)計應(yīng)用實例

通過上文所介紹的車門鈑金3D數(shù)據(jù)預(yù)彎設(shè)計過程，基于某上市車型進(jìn)行了車門鈑金預(yù)彎設(shè)計的實車應(yīng)用，該車為一款MPV車型，簡稱M車。在設(shè)計初期SE數(shù)據(jù)制作階段，CAE分析車門鈑金受力變形量較大，隨之進(jìn)行了3D數(shù)模的預(yù)彎曲變形處理，最終實車驗證通過了成果驗收。

CAE分析中，M車密封膠條相關(guān)參數(shù)輸入如圖7、圖8，主包括前后車門門框膠條和頭道膠條的周圈長度、膠條各段在不同壓縮量下的壓縮負(fù)荷、重點關(guān)注區(qū)域等等。

M車車門鈑金數(shù)據(jù)經(jīng)過CAE模擬分析，結(jié)果如圖9、圖10，前門Y向偏移變形量最大約1.8mm，后門Y向偏移變形量最大約1.6mm，偏移量均超過1mm且分布區(qū)域較大，所以CAE分析結(jié)論是M車強(qiáng)烈建議進(jìn)行3D數(shù)模預(yù)彎處理。

根據(jù)CAE[3]分析結(jié)果，按照車門鈑金3D預(yù)彎數(shù)據(jù)的制作方法，制作出了M車前后門的預(yù)彎數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)同CAE分結(jié)果中的偏移變形量相對較吻合，各采集點偏差量不超過0.05mm，詳見圖11、圖12，綠色為原始數(shù)據(jù)，藍(lán)色為預(yù)彎后數(shù)據(jù)。

M車預(yù)彎曲變形車門鈑金數(shù)據(jù)初版制作完成后，經(jīng)過工藝與CAE再確認(rèn)分析后，再次進(jìn)行了多輪數(shù)據(jù)評審和微調(diào)修改，最終下發(fā)車門預(yù)彎終版數(shù)據(jù)。然后經(jīng)過鈑金沖壓模具設(shè)計加工及沖壓試件，預(yù)彎鈑金合格零部件逐步完成制造，再通過焊裝與涂裝工藝，M車預(yù)彎曲變形車門鈑金終于組裝完畢，等待裝配車身總成檢驗效果。在周邊附件（包括密封膠條）確認(rèn)安裝齊全后，M車四門預(yù)彎曲鈑金開始進(jìn)行白車身合裝。經(jīng)過簡單便捷的直接性車門合裝后，無需對車門外觀間隙面差進(jìn)行手工調(diào)整，隨即測量四門周圈面差數(shù)值，得出以下數(shù)據(jù)，見表6。

表6　安裝兩道密封條的預(yù)彎處理車門測量面差偏差值

測量方法及選點同圖1所述，由表6測量數(shù)據(jù)結(jié)果可以非常直觀的判斷出，預(yù)彎曲處理后的M車車門鈑金雖然未經(jīng)過夾具矯形及面差調(diào)整，但實車測量面差值偏差較小，已經(jīng)完全滿足M車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，節(jié)省了調(diào)整和矯形的步驟，大大降低了車門制造過程中的工時和人力，也證明了車門數(shù)據(jù)預(yù)彎曲處理的有效性。

5、結(jié)論

在汽車車身總成中，無論車門結(jié)構(gòu)是整體式還是分體式，也無論車門密封系統(tǒng)是單道密封還是雙道密封，密封膠條的壓縮總會對車門鈑金造成作用力擠壓變形。通過CAE的結(jié)構(gòu)分析，對于車門上窗框變形量達(dá)到或超過 1mm的實例，進(jìn)行車門鈑金預(yù)彎曲3D數(shù)據(jù)制作，使之在沖壓模具上進(jìn)行預(yù)彎曲處理，可以取消焊接夾具矯形或者輔助夾具矯形，從而達(dá)到更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確的車門鈑金外觀面差效果。本文對此種車門鈑金預(yù)彎處理方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和實例應(yīng)用介紹，旨在探討由于密封條反彈力導(dǎo)致的汽車車門彎曲變形更簡潔的解決思路和方法，也對自主車企在汽車正向設(shè)計中起到一定參考和啟發(fā)作用。

[1]林程，王文偉，陳瀟凱.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[J].機(jī)械工業(yè)出版社.2014.01.

[2]成艾國，沈陽，姚佐平.汽車車身先進(jìn)設(shè)計方法與流程[J].機(jī)械工業(yè)出版社.2011.05.

[3]劉宏新，郭麗峰，徐高偉，周向榮.CATIA工程結(jié)構(gòu)分析[J].機(jī)械工業(yè)出版社.2015.09.

The analysis of the pre-bending design on the Door Panel based on the rebound force of the weather strip

Ou Yangming,Liu Meili,Zhao Yuncong,Xiang Xuewen
(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601)

In the structure design of door panel,the frame should be considered in deformation under the reaction of weather strip.Before making stamping die,we should design the pre-bending on the frame to offset or reduce the deformation,or design corrective adjustment in the welding jig,to meet the requirements of the body exterior surface offset.This paper expounds on the method of pre-bending design on the door panel and application at the model of practical examples.

automobile door; the pre-bending design; weather strip; compression load; frame deformation

U463

A

1671-7988（2016）08-94-05

歐陽明（1989-），男，助理工程師，畢業(yè)與吉林大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院2011屆，2011年開始工作于江淮汽車技術(shù)中心車身設(shè)計研究院，從事轎車車門系統(tǒng)設(shè)計工作。