白车身冲压件设计

【摘要】白车身是展现汽车设计风格的基体，是其它零部件的安装载体，同时决定汽车被动安全性，是汽车的重要总成，本文主要介绍轿车的白车身冲压件设计。

【关键词】白车身；冲压件；设计

1 白车身及其冲压件特点

白车身是焊装之后、涂装之前的车身，它由冲压件焊接装配而成。

冲压件具有生产速度快、适合大批量生产的特点，因而在汽车生产中得到广泛运用。车身冲压件比普通冲压件有更严格的要求，主要体现在质量、外观和重量三个方面。

质量：车身是保护乘员的载体，车身冲压件是车身的基本组成单元，因此必须满足汽车行业TS16949质量体系的要求，系统地管理全过程的质量；普通冲压件不用满足质量体系标准，无需做产品质量先期策划和控制工作。

外观：轿车外覆盖件是顾客评价汽车的第一印象，因此要求曲面平滑流畅，造型美观；普通冲压件一般没有曲面等级要求，对外观要求较低。

重量：汽车是大批量生产的交通工具，合理地减轻设计重量能节约大量钢板，还能减少汽车燃料消耗，因此有必要对车身冲压件进行轻量化设计；普通的冲压件一般生产批量较小，轻量化效益不明显。

2 零件材料选择

钢材是汽车上应用最广泛的材料，它塑性良好，易于加工和回收，适合冷冲压加工和大批量生产，是制造白车身的首选材料。[1]

材料的选用原则通常有使用性、工艺性和经济性三个要求。使用性要求材料能满足安全法规要求，并且在产品寿命内不发生各种失效；工艺性要求材料适合加工，它能减少生产浪费和预防产品质量缺陷；经济性要求成本较低，包括材料成本和加工成本，成本是企业发展中必须考虑的问题，成本的优势往往会带来企业竞争优势。

车身钢板分为冷连轧低碳钢板、烘烤硬化钢、表面处理钢板和双相高强度钢等系列，各个系列钢板有其不同特点，设计时应按上述三个原则选用车身材料。冷连轧低碳钢板成型性好，且价格较低，常用于非受力零件和侧围外板；烘烤硬化钢冷冲压时屈服点较低，经过烘烤后提高材料屈服点，具有较好的抗凹陷性，常用于车门外板和机盖外板；双相高强度钢屈强比低，碰撞性能良好，常用于汽车防撞结构和加强件等受力零件，在增加强度的同时还能减重，在车身轻量化工程中应用前景广阔。

表1 烘烤硬化高强钢板（Q/BQB 416-2003）力学性能

3 自上而下的分解设计

白车身又叫白车身总成，它包含多个下级总成，根据设计等级把下级总成依次分为二级和三级总成等，最小的设计单位是零件。总成和零件的设计顺序安排很重要，推荐采用自上而下的设计方法。即优先考虑总成，在满足总成要求的前提下布置零件和开展零件设计。

白车身包含机盖总成、车身本体总成、车门总成和翼子板；机盖总成包含机盖本

体总成和机盖铰链总成，依次分解最终到零件；零件设计是车身开发设计的关键环节。

下面用发动机盖本体总成（简称机盖本体总成）为例，分步进行分解设计。

3.1 机盖本体总成的分解设计

机盖本体总成有重要的装饰作用，外表面要保持美观流畅，不易变形；由于机盖需要经常打开，需要重量轻、刚性好。根据总成的要求，把机盖本体总成分解成机盖外板和机盖内板总成，机盖外板的材料要求抗凹性好；机盖内板总成要求重量轻、刚度好、能给其它件提供安装点，并能支持机盖本体总成的锁止、开启和支撑。

根据机盖内板总成的要求进行分解，把总成分解为机盖内板、机盖锁扣固定板总成、机盖铰链固定板总成和机盖撑杆固定支架。

3.1.1机盖外板设计

机盖外板设计之前要考虑汽车造型，汽车造型是造型艺术与工程技术的有机结合，它将美学融入设计[2]，前期由造型工程师绘制效果图，再制作模型，最后由企业领导层审批定型。外板设计在不修改汽车造型的基础上进行，结构上增加与内板联接及必要的定位孔，联接方式上用外板对内板包边，既起到联接作用又有利于防水。为提高冲压工艺性，增加抗变形能力，外板材料推荐用抗凹陷性良好的烘烤硬化钢B180H1。

图1 发动机盖外板

3.1.2机盖内板设计

机盖内板的作用有两种。一是功能作用，机盖内板一般布置多条加强筋，以增加刚度，并开工艺切口减重；二是载体作用，机盖内板是连接机盖外板、机盖锁扣固定板总成、机盖铰链固定板总成和机盖撑杆固定支架的焊装载体，还是隔热垫、密封条和缓冲块的装配载体。

图2 发动机盖内板

3.1.3机盖锁扣固定板总成设计

机盖锁扣固定板总成分为机盖锁扣固定板和机盖锁扣，机盖锁扣固定板与机盖内板焊接，机盖锁扣与机盖锁配合。锁扣的强度要求能可靠锁止和闭合，锁扣固定板的强度与锁扣的锁止力相近。

3.1.4机盖铰链固定板总成设计

机盖铰链固定板总成每车左右各一个与机盖内板焊接，它包含铰链固定板和两个凸焊螺母，铰链固定板焊接在机盖内板上，凸焊螺母用于安装机盖铰链，安装后机盖本体总成能旋转开启。

3.1.5机盖撑杆固定支架设计

机盖撑杆固定支架连接机盖撑杆的活动端，支撑机盖本体总成保持开启状态，它上面有个撑杆卡扣安装孔，为防止机盖意外掉落伤人，撑杆卡扣安装孔推荐设计成有自动锁止功能的凸字形孔。

3.1.6机盖本体总成的组装

组装是对分解有效性的确认，它与分解的顺序相反。首先焊装好机盖内板总成，再与机盖外板包边，包边的方法是：在内板总成中央部分取多个点打膨胀胶，同时在外板的边缘打折边胶，再把内板与外板放入折边模一起包边。包边后通过高温烘烤，使膨胀胶发生膨胀，并与内板和外板牢固粘接，使内外板连成一体，达到提高整体刚度和抗扭强度的效果。

3.2 分解设计的适用范围

通过机盖总成的案例可以看出，自上而下的设计能避免思路混乱而产生不必要的麻烦，提高设计效率，缩短产品开发周期。机盖总成的相对直观，车身上有很多比机盖复杂的总成，如地板总成、侧围总成等，分解设计的方法也适用于这些复杂总成。

4 相关的车身设计注意事项

零件的选材和设计是白车身设计的基础，但白车身设计不是零件设计的简单累加。从车身设计来看，还需考虑材料利用率、工艺匹配和零部件通用化等事项。

4.1 材料利用率

汽车零件材料及结构设计应满足车身强度和刚度要求，零件材料对整车强度和刚度的匹配，从经验设计阶段发展到了计算机CAE分析阶段。经验设计是以现有产品的经验数据为依据，进行反复试验、修改的设计；随着计算机CAE分析技术的推广，零部件的强度核算、零部件匹配和安全碰撞方面的计算都能在计算机上进行模拟分析，它能测算出车身安全碰撞所需要的强度，在保障安全的前提下，可以对部分零件材料作出调整，实现余料和废料的再利用。例如，大冲压件在落料、分离工序产生的余料和废料，可以回收后作为生产小零件的坯料，提高材料利用率。

4.2 四大工艺匹配

4.2.1冲压工艺性

冲压件是白车身的基本组成单元，它的尺寸精度和表面质量有严格要求，为防止回弹、提高刚度和降低震动，冲压件上需要设计一些加强筋或起伏成型结构，但生产中容易发生起皱、拉毛甚至开裂等质量缺陷。

冲压工艺性和零件形状、板料成型性、成型表面摩擦系数和成型时间四个要素有关，改善这四个要素理论上都可以提高工艺性，但由于后两种方法影响生产效率，一般优先采用前两种方法。

优化零件形状是指通过CAE工程分析将冲压风险明朗化，对有风险的零件作结构优化[2]，常用的CAE软件有AUTOFORM和ANSYS （见图3），利用软件分析优化零件形状，可以不改变冲压条件就提高工艺性，是最经济的办法；若优化形状无法完全解决成型风险，此时可选用强度相近、成型性更好的材料代替，通常材料成型性越好价格越贵，由于需要增加成本，一般不作为首

图3 冲压工艺CAE分析图

4.2.2焊接工艺性

焊装是把冲压件焊接装配成白车身的过程，焊装中用得最多的是点焊，点焊焊点强度应牢固可靠，工艺标准规定的焊点抗拉强度应高于材料本身的抗拉强度，但生产中会有焊穿、虚焊和半点焊等质量缺陷，导致焊点强度不达标。

设计上应注意两点：一是选择焊接板材的厚度要合适，厚度一般在0.7~3.5mm 之间，太薄了容易焊穿，太厚了则容易虚焊；二是焊接所必需的空间要预留充分，如在预留焊接翻边的宽度时，一般不小于12mm，否则在焊接时会发生焊枪碰零件侧壁引起电流分流，从而导致虚焊，或因焊接位置不足导致半点焊。解决好这两点对保证焊点强度有重要意义。

4.2.3涂装工艺性

涂装的目的主要是对白车身进行电泳和喷漆，电泳后容易发生车身漏液不彻底的问题，造成电泳液的浪费和车身烘干后电泳杂质残留。

这是因为车身地板上有许多筋结构，