车门膨胀减震胶参数及工艺的改进设计

作者:   日期:2019-06-22

摘要:某车型在试生产过程中, 车辆下线进行开关门测试时, 车门钣金存在不同程度异响的现象。经过对车门进行拆解分析, 找到了导致车门钣金异响的主要因素, 研究了车用膨胀减震胶参数及施胶工艺对车门钣金异响的影响, 并通过设计优化与试验验证解决了车门钣金异响问题。同时, 提出了车用膨胀减震胶的正向设计开发思路及注意事项。

关键词:车门钣金异响; 膨胀减震胶; 正向设计;

  引言


  随着汽车产业的发展, 汽车的安全性和舒适性受到消费者越来越多的关注。在汽车车身制造过程中, 常在覆盖件的外板与加强板或加强梁之间涂布膨胀减震胶。膨胀减震胶在车身外板和内板加强件之间起到良好的减震和支撑的作用, 从而达到整车减重、减小整车振动、减噪以及提高乘坐舒适性的目的[1]。


  针对膨胀减震胶设计及工艺问题, 近年来国内人员做了相关研究。郭华梅[2]对减震胶在车身焊接中的应用进行了研究, 提出了减震胶在车身的应用部位及其工艺过程。王得天等[3]运用有限元仿真方法, 对膨胀减震胶粘接结构烘烤变形机理进行了模拟, 成功预测了烘烤固化后车顶结构的变形行为。高杰[4]对膨胀减震胶的性能、作用及其在白车身制造中的应用进行了分析, 提出了减震胶使用过程中常出现的问题及解决方案。但目前国内少有针对实际生产过程中, 通过改变膨胀减震胶的性能及工艺以解决车门钣金异响问题的研究。


  某车型在试生产过程中, 车辆下线进行开关门测试时, 左、右前车门存在不同程度异响的现象, 主要表现为砰砰沉闷的声音, 并掺杂着钣金颤抖的回响声。本文通过对车门进行拆解, 优化了膨胀减震胶参数及工艺, 解决了车门钣金异响的问题, 同时对膨胀减震胶正向设计及工艺优化进行了探讨。


  1 异响车门拆解分析


  将左前异响车门的钣金进行拆解, 仔细观察断裂后的膨胀减震胶在加强板与外板上的状态。


  多数涂胶点位与车门外板的接触面积小, 尤其是布置在车门内板下部区域位于防撞管梁上的3个涂胶点位, 严重时甚至出现发泡之后的膨胀减震胶尚未与车门外板接触的现象。


  根据车门拆解分析及膨胀减震胶现场取样测试的结果可以初步判定:车门内板与外板之间涂布的膨胀减震胶, 由于受到生产制造过程中的各项影响因素, 使得绝大多数涂胶点位上的膨胀减震胶在车门外板上的粘接面积骤减, 造成车门内板对外板的支撑刚性变差, 是导致车门钣金异响的根本原因。


  2 车门钣金异响的影响因素


  2.1 车门钣金涂胶点位的布置


  车门设计时, 外板一般使用0.6~0.8 mm的钢板, 为了提高车门内板与外板的连接刚性, 减小开关车门时的振动与噪音, 设计时会在车门内板与外板之间均匀布置涂胶点位或者使用补强胶片, 以提高车门外板的刚性。对异响车门结构加强的设计方式进行分析可知:车门内板的上部采用加强板并均匀布置12个涂胶点位, 中部采用补强胶片, 下部则采用加强板及防撞管梁两侧涂胶 (共计13个涂胶点位) 的形式, 以提高车门外板的刚性。为了便于分析, 对车门内板下部区域的13个涂胶点位进行编号。


  车门涂胶点位的布置主要集中在中部与上部, 下部区域单位面积内的涂胶点数明显偏少;此外, 与车门上部区域的涂胶分布相比, 车门下部区域的涂胶存在明显不均匀的现象, 尤其是位于车门内板最下端的防撞管梁上仅靠3个涂胶点位对外板进行支撑, 可能很难满足车门外板下部区域的刚性。


  2.2 车门涂胶间隙设计及制造精度控制


  车门内板与外板之间的设计涂胶间隙及制造过程中的尺寸精度控制, 是影响膨胀减震胶在发泡之后对车门外板支撑强度的重要因素。为了分析车门内板与外板间的涂胶间隙对车门异响的影响, 在车门内板与外板焊合之后, 立即对图2b) 中车门下部区域对应的13个涂胶点位的涂胶间隙进行测量, 共测试6个车门, 测量结果如图3所示。


  在设计涂胶间隙为 (3±1) mm (不含凹槽尺寸, 凹槽的深度为2 mm) 的情况下, 编号为4~13的涂胶点位, 其制造间隙均分布在2~3 mm之间, 满足设计定义要求。但车门防撞管梁上的3个涂胶点位, 其涂胶间隙尺寸极不稳定, 存在明显偏大与偏小的现象, 即同一涂胶点位不同车门的钣金间隙偏差大, 同一车门不同涂胶点位的钣金间隙偏差也大, 极差甚至达到4.5 mm, 不满足设计要求。通过对车门防撞管梁的设计、生产、运输及装配等全制造过程进行跟踪, 发现车门防撞管梁上焊接的加强板刚性差, 同时在运输周转过程中未使用专用的容器, 导致防撞管梁上的加强板变形严重 (尤其是处于容器底部的零件) , 是造成车门内板与外板焊合之后钣金涂胶间隙超差的根本原因。


  为了分析车门生产制造过程中各环节对车门膨胀减震胶的影响, 全程跟踪膨胀减震胶在焊装制造及转运、涂装前处理、电泳及烘烤等工序过程中的状态。发现车门内板与外板涂胶焊合之后, 为了保证涂装电泳喷漆后车门外观质量, 在焊装及涂装电泳之前存在车门外板多次打磨返修的现象。由于车门外板的刚性差, 在打磨返修的过程中, 车门外板受打磨压应力的作用会对尚未固化的膨胀减震胶进行挤压, 造成膨胀减震胶外溢, 经过涂装电泳烘烤之后出现断胶的现象, 该情况在涂胶量不足且涂胶间隙过小时, 表现得尤为明显。


  2.3 涂胶工艺参数


  涂胶尺寸及形态是影响车门内板与外板焊合后, 膨胀减震胶是否能与外板贴合良好的重要因素, 其中涂胶尺寸的大小直接影响膨胀减震胶固化之后在车门内板与外板之间的粘接面积, 并决定单个涂胶点位的连接强度。


  为了分析涂胶直径对车门钣金异响的影响, 现场随机抽取车门上的多个涂胶点位, 对膨胀减震胶的涂胶尺寸进行测量。


  检测结果显示, 膨胀减震胶沿车门内板与外板间隙方向的尺寸为4~5 mm, 沿车门高度方向上的涂胶直径为5~6 mm, 均低于设计定义要求 (7±1) mm。因此, 膨胀减震胶在车门内板与外板焊合之后并经过涂装电泳烘烤固化, 并不能对车门外板起到良好的支撑与减震作用。


  2.4 膨胀减震胶的性能参数


  膨胀减震胶的性能参数, 尤其是膨胀倍率、流挂性及抗冲洗性能等是影响膨胀减震胶经过涂装电泳烘烤固化之后, 在车门内板与外板之间的粘接状态是否良好, 进而决定车门内板对外板支撑强度的主要因素。膨胀减震胶根据膨胀倍率, 一般可分为:低发泡类型 (发泡倍率低于20%) 、中等发泡类型 (发泡倍率介于20%~60%之间) 和高发泡类型 (发泡倍率高于60%) 。考虑到膨胀减震胶的功用 (需要通过一定的膨胀来达到减震的目的) , 同时避免在高发泡倍率下造成钣金变形 (发泡之后, 在冷却过程中由于膨胀减震胶的收缩应力从而将外板拉凹变形) , 车型开发时初始选用膨胀倍率约为30%的膨胀减震胶。膨胀减震胶在焊装涂胶完毕并经过转运至涂装, 进行前处理、电泳等工序过程中的状态良好, 未出现溢胶、断胶及脱胶的现象, 表明其工艺性能良好。但是拆解异响车门的结果显示, 多数涂胶点位在车门外板上的接触面积偏小, 膨胀减震胶的膨胀倍率选择是否合理有待进一步验证。


  3 设计、工艺优化及验证


  通过对车门的拆解与影响车门钣金异响的因素分析, 从涂胶设计定义、钣金制造与精度控制、涂胶工艺参数制定, 以及膨胀减震胶性能参数选型等四个方面进行了调整与优化, 并对车门钣金异响问题进行了交叉验证 (每种方案验证数量:10辆) , 验证结果如表2所示, 详细调整参数如下。


  (1) 严格控制车门外板、加强板、防撞管梁的冲压、焊接与物流运输过程, 尤其是防撞管梁在生产、运输过程中使用专用的运输容器, 保证车门内板与外板焊合之后的涂胶间隙满足设计定义要求的 (3±1) mm。


  (2) 现有涂胶数量及布置保持不变的情况下, 在车门防撞管梁上增加3段涂胶点位, 每段涂胶尺寸为:长度30 mm, 胶径 (10±1) mm (钣金间隙方向) 。


  (3) 调整现有涂胶设备的枪嘴直径:由5 mm变更为7 mm, 同时优化涂胶工艺参数, 确保涂胶直径为: (7±1) mm (钣金间隙方向) 。


  (4) 新增膨胀倍率为50%与100%的膨胀减震胶进行验证, 并跟踪焊装涂胶完毕之前至涂装烘烤固化之后的整个制造过程, 尤其是膨胀减震胶在焊装外板打磨返修、前处理、电泳等工艺及运输过程, 确保膨胀减震胶的状态良好, 即无溢胶、断胶及脱胶等不良现象。


  由表2可知:方案 (2) 与方案 (3) 相对于方案 (1) 而言, 均能明显改善车门钣金异响的频率与程度, 说明涂胶结构设计与涂胶尺寸均是影响车门外板刚性的重要因数。方案 (4) 与方案 (2) 及方案 (3) 对比可知, 膨胀减震胶的膨胀倍率相对于涂胶结构设计和涂胶尺寸而言, 对车门外板刚性的影响程度较小。方案 (6) 中使用50%和100%发泡倍率的膨胀减震胶均解决了车门钣金异响问题, 考虑到膨胀减震胶在高温发泡之后进行冷却的过程中, 会对车门外板产生收缩应力, 应优选50%发泡倍率的膨胀减震胶。


  异响车门进行交叉验证之后, 最终选择方案 (6) , 即保证涂胶间隙与涂胶尺寸的情况, 在防撞管梁上增加3段涂胶, 并采用50%发泡倍率的膨胀减震胶, 经过小批量和批量验证, 均未出现车门钣金异响及外板拉凹变形的现象, 彻底解决了异响问题。


  4 膨胀减震胶的正向设计开发


  膨胀减震胶正向设计开发时, 如何合理设计覆盖件内板与外板之间的涂胶间隙、布置涂胶点位, 并选择膨胀减震胶的性能参数, 是决定膨胀减震胶在烘烤固化之后覆盖件内板对外板的支撑强度, 进而影响覆盖件外板刚性的重要因素。本文通过对某车型车门钣金异响问题的原因分析, 进行了车用膨胀减震胶的设计、工艺优化及试验验证, 解决了因车门外板刚性不足而导致的钣金异响问题, 并梳理出覆盖件钣金异响的影响因素, 同时针对膨胀减震胶的正向设计开发作如下归纳。


  (1) 膨胀减震胶正向设计开发时, 应在覆盖件内板与外板的涂胶点位布置及涂胶间隙设计时就介入, 并进行相应的钣金刚度模拟分析, 以保证车门涂胶点位布置的合理性, 从而保证覆盖件的内板对外板的支撑刚度。为了避免覆盖件外板的胶坑缺陷, 并结合实际生产过程中的控制问题, 覆盖件的涂胶间隙设计时应按2.5~3 mm为宜[5]。


  (2) 在覆盖件内板与外板涂胶间隙确定的情况下, 膨胀减震胶的涂胶尺寸与发泡倍率的合理选择及组合形式, 是决定覆盖件内板对外板的支撑面积大小, 进而决定覆盖件外板刚性的重要因素。本文试验验证结果表明:在覆盖件结构设计相同的情况下, 与膨胀减震胶的发泡倍率相比, 涂胶尺寸对覆盖件外板刚性的影响更大。此外, 考虑到制造过程中存在外板打磨返修的情况, 且膏状的膨胀减震胶在涂胶完毕之后由于受到自身重力作用, 胶条的横截面呈现为椭球形。膨胀减震胶在正向设计开发及工艺制造过程中, 应该优先保证钣金间隙方向的涂胶尺寸, 避免因外板返修导致膨胀减震胶在固化之前就出现断胶, 亦或是因钣金涂胶间隙过大导致覆盖件外板胶粘面积不足, 从而造成覆盖件钣金异响的现象。


  (3) 膏状的膨胀减震胶在焊装车间施胶完毕之后, 需要经过储存、运输之后流转至涂装车间进行前处理、电泳及烘烤工艺, 在这过程中就需要膨胀减震胶具备良好的流挂与抗冲洗性能, 避免因制造过程中受到自身重力、转运过程中的抖动, 以及前处理、电泳过程中的冲刷与冲蚀, 而导致溢胶、脱胶及断胶等不良现象。同时, 首次使用或者更换前处理液及电泳液之前, 必须进行试验验证, 以保证膨胀减震胶与前处理液及电泳液的兼容性。


  5 结语


  (1) 通过对某车型车门钣金异响问题的原因分析, 归纳出膨胀减震胶设计开发过程中影响覆盖件外板刚性的主要因素有:涂胶点位设计 (布置、数量与尺寸) 、涂胶间隙设计及制造精度、涂胶尺寸定义及精度控制, 以及膨胀减震胶的膨胀倍率与工艺性能等。


  (2) 车用膨胀减震胶的正向设计开发思路及注意事项包括:覆盖件的涂胶间隙设计时应按2.5~3 mm为宜;在正向设计开发及工艺制造过程中, 应该优先保证钣金间隙方向的涂胶尺寸;在涂装工艺过程中膨胀减震胶应具备良好的流挂与抗冲洗性能;首次使用或更换前处理液及电泳液前, 应保证减震胶与其的兼容性。

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