乘用车白车身金属结构胶的应用

吴 强（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）



乘用车白车身金属结构胶的应用

吴 强
（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

文章介绍了金属结构胶的特性，以及车身轻量化与静刚度的关系，并以某车型为例，其车型开发前期经CAE分析部分目标值不满足要求，后期在车身上大量应用结构胶，在不明显增加车体重量的前提下提升车了身模态和刚度，满足设定目标。

结构胶；模态；扭转刚度；轻量化系数

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.080

CLC NO.: U465Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-237-03

1、金属结构胶简介

车身金属结构胶主要分刚性结构胶与弹性结构胶：刚性结构胶用于白车身钢板和钢板粘接、钢板与其他金属粘接，弹性结构胶主要用于金属与塑料的连接。以前在国外品牌的车型中使用较多，随着技术进步和成本控制，近年来国产品牌车型应用的车型数量、单台车用量均有较大增长。

结构胶具有以下几大物理性能：

1、吸收基材表面油脂，油面附着性好；

2、环境温度稳定性和耐久性；

3、刚性连接；

4、高韧性；

5、弹性模量1500～6500Pa；

6、延展性≤3%；

7、耐涂装液冲洗。

其中高韧性、稳定和耐久性对白车身至关重要，直接影响到白车身性能。

如图1所示，结构胶连接明显折弯吸能效果好，钣金没有出现撕裂现象，体现了结构胶的高韧性。良好的吸能效果，使钢板厚度减小，实现轻量化。

通过试验可以得出，结构胶的粘结性能受温度影响变化小，如图2所示。

图3为结构胶耐久性试验对比，红色曲线是焊接+结构胶，黑色是只有焊接的，对比曲线可知应用结构胶后：1.提高抗疲劳寿命；2.更高承载能力。

综上，可以得出结构胶具有以下优势：

此外，由于结构胶使钣金间连续型连接，相对传统的焊点连接，具有载荷分配均衡、防止折弯、抵抗瞬时形变、保持一定方向的支撑承载力等优点。

金属结构胶优点显而易见，但其价格较高，使用成本远高于传统的焊点连接，故不能盲目设计应用结构胶，要考虑成本因素、按需使用。

2、白车身轻量化及NVH

车身刚度和NVH，特别是车身模态和静刚度，是车身物理性能最重要的考量。它影响着车辆的承载性和舒适性。

车身轻量化系数，用来衡量车身的轻量化水平，已经被广泛地应用在欧美的车身设计当中。

L：轻量化系数，越低越好；

mBIW：白车身重量；

CT：车身扭转刚度；

A：投影面积=轮距×轴距

理论上，提高模态和刚度会增加白车身的重量。因此要在车身设计时，对车身机械性能和重量进行平衡。从上述公式可以看出，为了在降低轻量化系数L，车身重量mBIW的同时必须保持或增大扭转刚度CT。而结构胶的使用通常能够在不增加mBIW的情况下使CT增加10%～20%。

白车身静刚度分为弯曲刚度和扭转刚度，如图5、图6。数值大小主要取决于汽车部件的布置和车身结构刚度设计。

乘用车车身低阶模态频率大致在20～50Hz，汽车在轮胎上的振动频率及发动机在其悬置上的频率等激励频率，与车身低阶模态频率很接近。因此，车身设计要非常注重结构低阶模态频率的设计，注意提高车身整体的刚度和部件刚度，通过修改结构，使车身或部件的模态频率避开激励频率，通常设计车身低阶模态频率时要高于激励频率，以防止共振。

低阶模态分为：基频、一阶弯曲、一阶扭转。

3、某SUV金属结构胶应用设计

某中型SUV车型，开发前期即进行了碰撞安全性、静刚度和模态目标值的设定，制定依据是根据车型类型、尺寸、市场定位，并对比数据库中相似车型指标后综合确定。

在产品结构数据阶段（招标数据），CAE碰撞分析结构满足要求，但是静刚度和模态结果不满足设定要求。此后在产品工程设计阶段（模具设计数据）进行了结构设计优化，CAE分析静刚度和模态仍不满足要求。

此时通过结构优化的方法来提高 NVH性能，将带来白车身重量的增加，导致重量超出既定目标。此时，需考虑应用金属结构胶来提高白车身NVH性能。

结构胶的使用位置和长度要根据CAE来分析，通常设计在对车体结构强度影响大的焊接区域。如前围区域、前地板与上/下部框架搭接区域、后地板与上/下部框架搭接区域、后地板与后轮包搭接区域、侧围门洞区域等。

图8为某SUV根据设计经验，初步设计了结构胶方案，总长度约110米，CAE分析结构满足目标值。

在此基础上，对结构胶应用部位进行了优化以降低成本，通过CAE多轮验算，结构胶用量由110米减少到70米，静刚度和模态分析值略有下降但仍满足要求。

削减结构胶的区域主要为：发动机舱前纵梁、前轮包、后轮包、顶盖外板、尾门框等，如图9。

CAE分析结果对比，见表1。

表1　结构胶效果对比

通过对比分析，金属结构胶关键应用部位为前围与A柱的连接、地板下部框架与地板的连接、A/B/C/D柱加强板与内板的连接、后轮包外板与内板的连接。

4、总结

本文仅以金属结构胶提升NVH性能为例，简要介绍其布置和验证过程，总结出结构胶应用的关键部位。实际上结构胶还有代替焊点、提高耐久性、碰撞性能等作用，故要根据设计需求来综合考虑结构胶的布置，同时考虑重量、性能、成本之间的平衡。

结构胶不能直接减重，而是通过性能的提升，优化加强结构、减少钣金材料厚度，从而降低白车身的重量。

金属结构胶的应用要以车体钣金结构最优化为前提，其提高性能是相对的一个范围，不能仅仅靠结构胶来提高性能，故设计前期不建议直接使用结构胶，将前期重点工作定为结合CAE分析在结构设计方面尽可能地优化。在开发中后期，若在性能、重量两个方面需要进一步优化，再考虑金属结构胶设计。

[1]成艾国,沈阳,姚佐平.汽车车身先进设计方法与流程[M].北京：机械工业出版社,2011

[2]陈涛,胡洁,聂昕,成艾国.汽车车身设计质量控制[M].北京：机械工业出版社，2013

[3]罗坤,陈超等.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].科学与财富,2015年第21期；

[4]吴卫枫,唐程光等.车身轻量化过程方法介绍[J].汽车工艺与材料,2015年第4期.

Application of white body metal structure adhesives for passenger car

Wu Qiang
(Anhui Jianghuai Automobile co.,LTD.,Technical Center,Anhui Hefei 230601)

This article describes the characteristics of the metal structural adhesive,and the relationship between body lightweight and static stiffness.In this article we take one model for example,which can't fulfil the target due to the CAE analysis at the beginning.After using a large number of structural adhesive,the body modality and stiffness have been enhanced while the body weight doesn't increase significantly.

structural adhesives; modality; torsional stiffness; light weight coefficient

U465

A

1671-7988（2016）08-237-03

吴强（1982-），男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。主要从事车身结构设计方面的工作。