商用车车身结构粘接技术研究

于红等

摘要：通过对结构胶粘剂材料性能、工艺性能等研究，建立了框架结构车身与外覆盖件粘接技术，极大降低了框架结构商用车的开发成本，缩短了开发周期。

关键词：结构胶粘剂；结构粘接；框架结构；车身外覆盖件；粘接工艺；CAE分析

结构粘接技术是采用结构胶粘剂实现的一种连接技术。在汽车制造过程中，结构粘接技术是一门新兴的连接技术，为满足汽车制造技术不断提高的需要，作为汽车生产所必需的重要辅助连接技术，结构粘接技术应用越来越广泛。

与焊接、铆接、螺栓连接相比，结构粘接不仅能连接不同材料，如金属和非金属、复合材料等，还可以提高结构的韧性、耐疲劳性、抗冲击性和耐腐蚀性，起到增强汽车结构、防锈、减振和内外装饰的作用，达到减轻车身重量、降低能耗、简化组装工序、提高制品质量和优化产品结构等其它连接方法（如铆接和焊接等）所不能实现的效果。

为了降低各种商用车专用车型开发成本、缩短开发周期，其驾驶室、车身通常采用框架结构。框架总成与外覆盖件的连接，国内通常采用焊接技术，国外已开始采用结构粘接技术，但仅限于局部外覆盖件粘接。

鉴于上述原因及快速进行各种商用车车身产品开发的实际需求，本项目开展了框架结构车身与金属外覆盖件及非金属外覆盖件、非金属外覆盖件与非金属骨架等结构粘接技术的研究，在大量试验研究、整车粘接工艺研究基础上，完成了车身外覆盖件与框架总成结构粘接技术可靠性评价，建立了框架总成与外覆盖件结构粘接工艺、结构胶粘剂资源平台及车身外覆盖件结构粘接技术标准。通过本项目的研究，一汽拥有了商用车车身结构粘接技术，该技术确保了：

1）可以在不开或少开模具的前提下快速进行各种框架结构车身产品的开发；

2）为在基本型上进行商用车专用车型系列化设计提供了技术支撑；

3）为整体式复合材料外覆盖件在车身上的应用提供了技术保证；

4）可以节省模具及夹具费用。

该技术填补了国内汽车行业在该领域的空白。

1 技术方案设计

1.1 车身结构设计

商用车车身结构通常有框架结构和传统结构2种结构形式。基于框架结构车身具有模具和焊夹投入小、生产准备周期短、在基本型上易实现系列化等诸多优点，同时针对商用车专用车型存在品种多、产量低等特点，通过对框架结构和传统结构2种车身结构形式的详尽技术论证，为了降低开发成本、缩短开发周期，一汽各种商用车专用车型的开发拟采用框架结构车身。

1.2 连接技术

对于框架结构车身与外覆盖件的连接，国外已开始采用结构粘接技术，但主要以局部外覆盖件粘接为主，如图1所示。国内通常采用焊接技术，这种技术的缺点是：

1）可实现金属框架总成与金属外覆盖件的连接，无法实现与非金属外覆盖件的连接；

2）大量的焊点既影响外观的美观性，又容易造成应力集中；

3）焊接质量难以保证，易导致外覆盖件变形。

为了解决上述问题，结构粘接技术成为了首选。

结构粘接技术的优点是：

1）可以实现金属外覆盖件与金属框架总成、非金属外覆盖件与金属框架总成、非金属外覆盖件与非金属骨架等的连接；

2）可以提高结构的韧性、耐疲劳性、抗冲击性和耐腐蚀性；

3）可以达到降重、降低生产能耗，实现绿色制造目的；

4）粘接面完全密封，粘接表面平滑美观、无应力集中，极大提高了车身的耐久性及外观美观性；

5）粘接工艺简单、简化组装工序、便于实施；

6）是小批量多品种商用车车身开发的新途径。

通过对国内外框架结构车身与外覆盖件的连接技术的对标及技术论证，本项目拟采用结构粘接技术实现框架结构车身与全部外覆盖件的连接。

1.3 外覆盖件

根据框架结构车身的特点及实际需求，本项目采用的外覆盖件分为金属外覆盖件和FRP非金属外覆盖件，结构形式为分块式和整体式。

1.4 车头

由于金属车头存在着重量大、外观造型可设计性差等缺点，本项目设计的车头材料方案为分块式FRP车头和整体式FRP车头。

分块式FRP车头由19个FRP覆盖件组成，模具成本低，粘接工艺较复杂。

整体式FRP车头总成由整体式车头面罩、左/右空滤进气格栅装饰罩、整体式内置加强梁4个零件构成，模具成本高，但简化了粘接工艺。

1.5 总体技术方案

经过技术论证及对标分析，本项目总体技术方案是：

1）车身采用框架结构形式；

2）外覆盖件采用金属外覆盖件和FRP非金属外覆盖件；

3）金属外覆盖件采用分块式结构，FRP非金属外覆盖件采用分块式和整体式2种结构；

4）车头采用分块式FRP车头和整体式FRP车头；

5）外覆盖件与框架的连接全部采用粘接技术，无任何焊点。

2 研究内容

2.1 结构胶粘剂资源平台建立

一个产品粘接质量的好坏，其科学合理的粘接工艺固然是非常重要的，但胶粘剂选用是否合理、胶粘剂的质量好坏无疑是最为重要的，所以对结构胶粘剂选择及各项性能进行科学评价是本项目重要的一环。从商用车专用车型框架总成与外覆盖件的粘接特点、粘接可靠性、耐久性等角度综合考虑并结合框架总成与外覆盖件的实际粘接工艺，在大量试验研究基础上，本项目选择了弹性相对较好、可室温固化的双组分丙烯酸型结构胶粘剂用于框架总成与金属外覆盖件及FRP非金属外覆盖件结构粘接，对于FRP非金属骨架与FRP非金属外覆盖件结构粘接则采用弹性优良、可室温固化的双组分聚氨酯型结构胶粘剂。为了使框架总成与金属外覆盖件达到最理想的粘接效果，本项目将玻璃微珠镶嵌技术引入结构胶粘剂中，确保了最佳胶层厚度及胶层厚度一致性。通过整车粘接工艺研究及各种道路试验的验证试验，最终确定了适合金属外覆盖件-框架总成、FRP非金属外覆盖件-框架总成、FRP非金属外覆盖件-FRP非金属骨架粘接的结构胶粘剂材料。

2.2 结构胶粘剂粘接技术研究

2.2.1 结构粘接强度与焊接强度比对分析

结构粘接技术和焊接技术是2种不同的连接技术，焊接技术是在汽车生产中得到广泛应用的一种成熟技术，相对焊接技术说，结构粘接技术是一种新技术。为了保证框架总成与外覆盖件连接采用结构粘接技术是安全可靠的，本项目对不同厚度钢板的焊接强度与粘接强度进行了比对分析，如图2所示。

试验研究显示：

1）粘接强度高于焊接强度；2）焊接易造成应力集中现象，粘接则可以有效避免应力集中现象。

2.2.2 影响粘接强度因素研究

结构胶粘剂强度的高低无疑是影响粘接强度的关键因素，此外，还有很多因素会影响到粘接强度，本项目通过大量试验室模拟试验，对可能影响粘接强度的因素逐一进行了研究，见图3、4。

试验研究显示：

1）环境温度对结构胶粘剂的粘接强度有较大影响，粘接强度随温度的升高而降低，当环境温度持续超过60 ℃后，粘接强度下降较为明显；

2）结构胶粘剂的操作时间随着温度的升高而缩短，在不同温度范围内其操作时间是不同的；

3）丙烯酸型结构胶粘剂的粘接强度随胶层厚度的增加而降低，最佳胶层厚度应控制在0.2 mm左右；

4）对待粘接面进行适当打磨处理，可以显著提高粘接强度；

5）粘接后施以合理的夹持，有助于提升粘接强度。

通过对粘接接头设计、粘接面匹配性、粘接表面状态、胶层厚度、夹持力、夹具卸除时间、粘接材质、操作时间、合拢时间、环境温度等影响粘接强度因素的详尽研究，为框架总成与外覆盖件结构粘接工艺的建立提供了技术支持，同时确保了外覆盖件与框架总成的结构粘接可靠性。

2.2.3 结构胶粘剂疲劳性能试验研究

为了确保粘接后的车身产品使用寿命等同或高于传统结构车身的使用寿命，本项目开展了结构胶粘剂疲劳性能试验研究。由于国内没有相关胶粘剂疲劳试验标准，同时无法获得国外相关胶粘剂疲劳试验方法详细资料，所以本项目借鉴金属疲劳试验方法，针对结构胶粘剂位移小的客观特性，在试样制备、夹装上进行了特殊设计，在大量试验研究基础上，确定了适合结构胶粘剂特性的疲劳试验参数，建立了结构胶粘剂疲劳性能的科学评价方法，并且对不同结构胶粘剂与各种材质粘接后的疲劳性能进行了评估。

试验结果显示，本项目选用的结构胶粘剂疲劳性能达到>2 000 000次疲劳试验粘接无破坏，粘接后车体寿命可达10年。

2.3 工装夹具研究

为了确保外覆盖件粘接质量，设计合理的工装夹具是十分必要的。通过对影响结构胶粘剂粘接强度的因素如胶层厚度、压力等的试验研究，结合外覆盖件与框架的实际结构，本项目设计了不同形状、尺寸的工装夹具，并确定了相应的压力参数，确保了外覆盖件的结构粘接质量（见图5）。

2.4 结构粘接工艺研究

在上述各项研究基础上，我们总计进行了20辆矿用大自卸车、1辆高档商务客车、13辆城市消防主战车、5辆校车、10辆全新长头车框架总成与外覆盖件结构粘接工艺试验（见图6），并进行了道路试验的验证。在大量试验研究及整车粘接工艺研究基础上，建立了框架总成与外覆盖件结构粘接工艺，为采用结构粘接技术的矿用大自卸车、全新长头车、校车等正式投产做好了工艺上的准备。

2.5 结构设计、粘接工艺优化

根据长头车车头总成和矿用大自卸车驾驶室总成的材料选择和结构特点及结构胶粘剂的特性，在车头的内外板之间、驾驶室外覆盖件与骨架之间，采用结构胶粘剂进行结构粘接。

为了确保车头的粘接强度、粘接部位及粘接尺寸的准确性，有效减少用胶量，对结构设计、粘接工艺进行了优化：

1）车头由分块式设计方案改为整体式设计方案；

2）在车头内外板的模具制作过程中，在涂胶部位做出涂胶边界线，达到便于操作和提高效率目的；

3）根据CAE分析，从结构上进行改进以确保内外板之间有足够的粘接面积；

4）制作组合粘接夹具。

通过上述结构设计、粘接工艺的优化，在确保结构粘接强度前提下，既加快了生产节拍，又减少了单车用胶量3.2 L，使单车粘接成本得到大幅降低。

2.6 粘接车头CAE 分析

长头车车头产品采用RTM工艺，内板、外板分别一体成型，然后粘接成型。

针对开发的长头车车头进行了CAE模态分析。CAE分析结果显示，FRP车头最大应力均小于40 MPa，一阶频率均大于17 Hz，完全满足设计要求。

2.7 车身外覆盖件结构粘接技术标准研究

为了有效控制结构胶粘剂质量，在对各种结构胶粘剂进行综合评价基础上，通过对车身外覆盖件结构粘接工艺的研究，我们建立了车身外覆盖件粘接用结构胶粘剂技术标准，对粘接强度、剥离强度、拉伸强度、疲劳性能、各种耐老化性能、耐腐蚀性能等进行了明确规定，确保了结构胶粘剂疲劳寿命可达10年，为商用车车身结构粘接质量提供了技术保证。该标准为国内首个关于汽车车身外覆盖件结构粘接的技术标准，填补了国内空白。

3 主要技术参数

3.1 与国外产品性能对比

从表1可以看出，本项目丙烯酸型结构胶粘剂主要技术参数等同或高于国外同类产品主要参数，技术水平达到国际先进水平。

3.2 粘接后FRP车头总成性能

从表2可以看出，采用结构粘接技术的FRP车头质量安全可靠。

4 技术创新点

1）框架结构车身与金属外覆盖件结构粘接技术：采用结构胶粘剂及合理粘接工艺进行粘接，无任何焊点，有效提高车身寿命，该技术为国内首创；

2）框架结构车身与分块式非金属外覆盖件结构粘接技术：采用结构胶粘剂及科学合理粘接工艺进行粘接，车身外覆盖件全部为非金属外覆盖件，实现了车身轻量化，降重约20%～40%，该技术为国内首创；

3）框架结构车身与整体式非金属外覆盖件结构粘接技术：采用结构胶粘剂及科学合理粘接工艺进行粘接，实现了车身轻量化，降重约40%且大幅降低了结构胶粘剂用量，该技术为国内首创；

4）结构粘接评价技术：开发了结构胶粘剂评价方法，建立了金属外覆盖件、非金属外覆盖件结构粘接技术标准，该标准为国内首创。

5 结语

商用车车身结构粘接技术的开发：

1）为在基本型上进行商用车系列化设计提供了技术支撑；

2）在外观造型上给设计师更大的设计空间，同时也提高了驾驶室、车身的外观美观性及耐久性，粘接后车体寿命大于10年；

3）确保了在不开或少开模具的前提下，快速进行各种框架结构商用车产品的开发，仅全新长头车、校车等4种商用车就节省模具、夹具费用达1 680万元，同时极大缩短了产品开发周期，提升了框架结构商用车的市场竞争力；

4）为整体式非金属覆盖件在车身上的应用提供了技术保证，单车可降重40%；

5）打破了矿用自卸车、消防车等商用车进口车型占主导地位的局面，为国产品牌取代进口品牌提供了技术保证；

6）填补了国内汽车行业在该领域的空白，对国内框架结构商用车的开发及生产具有积极的推动作用。