【技术帖】铝合金车身零部件设计研究
关键词：铝合金发动机盖；设计要求；设计方法
随着环保、经济性的要求逐渐提高，整车轻量化的发展，铝合金越来越多地被应用于汽车上。铝合金优势体现在轻量化、安全、耐腐蚀度高，已成为整车降重的重要突破领域。
铝合金发盖作为整车的重要部件之一，目前各主机厂没有统一的设计与应用要求，缺乏布置方面和设计方面的参考依据，需要对铝合金发盖设计进行统一的一要求，形成有效地设计规范和检查标准，指导设计。
铝合金发动机盖主要包括其力学性能、耐腐等性、耐久性能等要求，见表1。铝合金发动机盖需满足如下性能要求。
2.1 造型可行性分析
造型设计是车辆开发过程中重要阶段之一，为保证造型的美观，工艺成型可行性，在造型设计阶段需要在人机工程、法规对其进行条件约束、可行性进行分析。
在造型可行性分析阶段：首先根据总布置输入（地面线、前视野线等）分析发动机盖造型的人机工程可行性，初步确定铰链轴线的位置及开启角度；再根据初定的铰链轴线及角度，对发动机盖进行过开、过关运动校核分析，验证与侧围等周边件间隙面差设定的可行性[1]。
表1 铝合金发盖性能目标
2.2 间隙面差的设定
根据造型可行性分析及运动校核，设定间隙面差值。一般建议设定如下：
表2 间隙面差对比表
2.3 主断面结构设计
发盖断面设计主要包含7个断面，下图对两个主要断面位置及示意图作简单介绍，具体数值需满足设计需求。
图1 发盖断面位置示意图
图2 断面①——发盖前端中间位置
图3 断面②——发盖后端中间位置
2.4 材料设计
常用的汽车车身的铝合金板主要为AI-Mg（5000系）和A-Mg-Si（6000系）：
5000系铝合金中的Mg固溶于铝中，形成固溶强化效应使该合金在强度、成型性和抗腐蚀性等方面具有普碳钢板的优点，可用于汽车内板等形状复杂的部位。
6000系具有强度和塑性的良好组合，综合性能优良。与钢板相比，6000系-T4板材的屈服强度和抗拉强度相近，n值超过钢板。是可热处理强化台金，在冲压成型后经油漆烘烤，性能可达到T6态，强度可进一步提高。
5系和6系的铝合金板的机械性能如下：
表3 铝合金板机械性能表
选用了T=1.0mm料厚的板材，发动机盖内板选用5182材料，发动机盖外板选用6016材料。
表4 铝合金板轻量化方案及轻量化率
2.5 CAE分析
由于铝合金较钢板抗拉强度差，扭转以及弯曲刚度指标会有所降低，在设计时就需要更大的截面系数来保证引擎盖的刚度。而在屈曲抗凹方面，铝合金面刚度较钢板来说差，故需要结合CAE来分析并适当增加支撑[2]。
图4 引擎盖刚度分析报告图
图5 引擎盖屈曲抗凹分析报告图
2.6 工艺设计
2.6.1成型工艺
相对钢，铝合金板存在以下成型问题：
（1）铝合金板材延伸率低，容易产生裂纹。如发动机罩内板因为形状比较复杂，为了提高其拉延变形性能采用高性能铝合金，延伸率已超过20%，但还是比钢差，所以在结构设计时要尽可能地保证形状不突变，让材料容易流动以避免拉裂。
（2）塑性应变比小，回弹难以控制，在形状设计时要尽可能采用回弹少的形状。
（3）抗凹性差；屈强比大，表面质量差，易桔皮、划伤，模具要求更高[3]。
经调研，铝合金成型工艺分两种：
（1）采用与钢板同样成型工艺。通用公司在国内进行某车型地产化的发盖内外板，采用与钢板同样冲压设备，模具在原钢板的模具的基础上进行优化改进。
（2）板材充液成形技术。是同一种较新的冲压技术，前期最主要应用在航空航材料的模具应用上，但是由于工艺的局限性，在汽车板材应用上不是很普及。
而对于汽车覆盖件来说，经过工艺性、生产效率以及经济性等分析，还是建议采用与钢板同样的冲压成型工艺。
2.6.2连接工艺
铝合金覆盖件与骨架的联接是通过冲压铆钉铆接完成的，铆接的强度比点焊高30%，在所有的联接中铆接占68%，其他的联接方法有焊接、钩钳、结构胶粘接等。
（1）铆接——自冲铆接工艺
图6 铆接——自冲铆接工艺
（2）铆接——半空心自冲铆接工艺
图7 铆接——半空心自冲铆接工艺
（3）TOX-无铆钉连接——无附加零件的机械连接
图8 TOX-无铆钉连接——无附加零件的机械连接
3.1 铝合金发盖内板圆角设计
铝合金由于延伸率低，设计圆角时需要比钢板考虑得更多。在做冲液成型时，厂家给出最小圆角参考值为6T的，即T=1.0mm料厚的板材需要最小圆角为R6mm，在过渡拉深区域圆角需要R10mm以上，但具体设计时还需要结合工艺成形性分析来调整。若成形模具改为冲压成型，由于没有冲液成型方式走料顺畅，故圆角还需要要进一步优化。
3.2 铝合金发盖内板总成连接点的设计
本次设计采用的是半空心自冲铆接工艺，铆接点无须开孔，直接进行自冲，设计时需要的铆接面相对于焊接面因为设备原因也需要相应进行改变。
相对于自冲铆，铆钉成本在0.8元左右，铝点焊与TOX的方式较为经济实惠。但是从连接强度来说自冲铆接接头静强度大于电阻点焊与无铆钉铆接接头静强度。且从市场上来说，就凯迪拉克采用了铝合金电阻点焊技术，其余基本采用铆钉形式。
3.3 防腐设计
为满足发盖铰链以及锁体的安装点强度，我们将铰链以及发盖锁扣加强板还是采用原DC01材料。由于不同金属连接后，金属之间直接接触会有电位存在差异，若暴露在空气或者水汽中会导致电化学腐蚀的产生，所以在加强板设计时需要将不同金属间采用绝缘材料进行隔离。
本次设计采用结构胶方案将加强板以及内板进行隔离，好处在于结构胶还能进行粘接，连接强度较好。
图9 锁扣加强板断面
3.4 其他设计要点
（1）发盖包边设计时还是需要考虑外部突出物的法规分析，以及行人保护的可行性分析。
（2）充液成型对于发盖表面品质提升很大，不用担心滑移线的形成，但是后期如果采用冲压成型的话还是需要考虑到棱线的高度，会导致滑移线的产生。
通过对铝合金发动机盖设计流程的描述，并着重对铝合金材料进行分析，通过对比铝合金与钢的不同点，归纳了铝合金发盖设计所需要关注的要点，并提供了铝合金板材选择的方式。在不同于钢制发盖的点上提出了设计要求，明确了后期铝合金发盖的设计方法。在细节方面，提出了连接与防腐的设计要求，避免后期出现产品质量问题。
来源：期刊-《汽车实用技术》；作者：唐淳，束照坤，阚洪贵