浅述汽车顶盖横梁的结构优化设计

蔡卓琳 蒋琳 冯立

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

近年来，我国汽车工业的不断发展，消费者和企业对汽车安全性的要求也越来越高。汽车顶盖作为车身的主要部分，在保持汽车结构，保护乘员安全方面起着重要作用，汽车顶盖的安全性在汽车安全中扮演着重要角色。当承受以积雪为代表的均布载荷或翻滚事故中的顶压载荷时，汽车顶盖结构会产生相应的变化并直接影响其使用性能。汽车顶盖一般需要多条顶盖横梁和筋条使其满足模态、抗凹和噪音要求。本文将浅述顶盖横梁的结构优化设计及轻量化设计。

2 顶盖及横梁总成概述

汽车车身一般由下车体总成、侧围总成、顶盖总成组成，顶盖总成一般指以车辆上侧面分缝线为基线，分缝线之上的车厢顶部盖板，它的作用除了挡风遮雨外，还与车身形成厢式结构，提高整车的刚性强度，起到保护车内人员作用。汽车顶盖设计通常分为固定式顶盖和敞篷式顶盖两种。 固定式顶盖是现代汽车最常见的形式，一般有无天窗和小天窗/全景天窗类型。

顶盖总成系统一般是由顶盖、顶盖前横梁、顶盖后横梁、顶盖横梁、天窗框架等零部件构成。顶盖前横梁一般采用单层板形式，其后端通过涂胶支撑顶盖，高端轿车等对强度刚度要求高的车辆可见内外板焊合式。后横梁为保证尾门框区域刚度，一般设计为由内外板焊而成的合件，同时为保证尾门铰链处强度，设计有左/右铰链加强板。

顶盖横梁一般都为单层板形式，与顶盖贴合面通过涂胶支撑顶盖，同时提供顶蒸安装、顶灯安装等作用。顶盖横梁根据截面的宽度不同，一般有两种类型：“几”型和型。“几”型顶盖横梁两端翻边与顶盖涂胶贴合，起到支撑顶盖作用。“W”型顶盖横梁与顶盖涂胶贴合区域比较宽，提供更多的顶盖支撑区域，一般也提供其他零件的接口安装位置，如顶蒸、顶灯等。

3 顶盖横梁的设计要点

顶盖横梁属于车身结构件，设计时需考虑零件本身的性能需求及制造性、工艺性等方面因素。

3.1 顶盖横梁性能要求及冲压成型

图1 顶盖及横梁总成一般构成

图2 顶盖横梁截面类型

设计顶盖横梁首先要考虑满足顶盖刚度、抗压强度、模态、雪压载荷等要求，不同级的汽车根据车身顶盖的曲率、长度及钢板厚度的不同顶盖横梁数量差异较大，普通轿车及SUV一般3-5根顶盖横梁，较长的MPV、商务车等经常设计6-7根顶盖横梁，大型的客车将设计更多的顶盖横梁，以满足顶盖性能需求。同时需要根据顶盖横梁的位置及接口零件安装要求，选择合适的顶盖横梁截面类型。为保证顶盖横梁单件冲压成型性，则需设计冲压吸皱筋条或防回弹加强特征。

3.2 顶盖横梁的车身制造

顶盖横梁一般都属于车身焊接件，所以设计顶盖横梁时首要考虑零件的车身可制造性，根据零件的制造要求，需设计定位孔或定位面，顶盖横梁在总拼工位装配时则与考虑零件焊装预定位。顶盖横梁与顶盖之间一般都需要涂胶，顶盖横梁与顶盖涂胶间隙一般设计1mm，同时涂胶处设计涂胶槽，保证涂胶准确性，方便员工操作，减少操作时间，提升节拍，避免溢胶及涂胶位置出错。

3.3 顶盖横梁的涂装制造

零件的防腐性能，电泳漆是重要的一方面，如对零件结构的设计考虑不周全，很可能影响后期的涂装电泳效果，导致增加整改成本。零件电泳效果的优劣，除了受电泳漆、电泳设备、工艺制定等因素的影响，零件结构也是重要的因素。虽然顶盖横梁属于车身内部加强件，无恶劣腐蚀环境，但也需要保证电泳漆漆膜厚度，保证防腐性能。因顶盖横梁完成装配后，与顶盖会形成一个封闭的腔体，为避免电泳漆积液，所以设计顶盖横梁时，必须要根据结构设计必要的排液孔，排液孔应该设计在较低的位置，而且每个孔至少要有50mm的有效排液面积，数量应该足够，确保满足内腔最低的电泳膜厚要求，一般每270mm长的区域提供直径22mm的圆孔或等效面积的孔。在白车身进入电泳液池时，将会产生较多气泡，车身结构中的封闭腔体内很容易使气泡积集，尤其是无加强筋的顶盖。如气泡无法排出，则在积气的地方，电泳漆膜厚度会很低，后期很容易生锈，所以所有可能在浸渍工艺中封住气体的腔穴和凹陷，必须设计适当的排气孔和排气特征以排除。

4 顶盖横梁轻量化设计

面对日益严峻的油耗法规，世界各国汽车企业都在采取积极的措施以推动汽车产品的节能减排，对燃油汽车来说，轻量化是一种有效的手段。 汽车轻量化是一项复杂的系统工程，它是在成本控制与性能改进条件下，通过轻量化结构设计与轻量化材料和制造技术在整车产品上的集成应用而实现的产品减重。

汽车设计的轻量化已经成为了各个车厂设计过程中必不可少的因素之一，并且贯穿在汽车设计的整个流程中。顶盖横梁的轻量化设计主要有以下几种：

图3 顶盖横梁涂胶槽设计

图4 顶盖横梁排气孔、漏液孔设计

（1）顶盖横梁最基础的轻量化方案是降低顶盖横梁的重量，即在保证顶盖横梁性能前提下，尽量开减重孔，一般提出的方案需要通过CAE 软件的分析，并进行优化，给予方案数据支持，保证目标性和准确性，避免过度轻量化设计，影响顶盖横梁的性能，增加后期更改费用。

（2）中高端车型较常使用使用补强胶片等顶盖增强型材料来增加顶盖性能，补强材料同时可以替代部分顶盖横梁，实现顶盖的轻量化。补强胶片一般采用高分子聚合物环氧树脂做基材，加之固化剂，可实现高温固化，附加到顶盖钣金件上后，可以增加顶盖的强度和刚度，有效提高顶盖总成的模态、 NVH性能，但成本一般也较高。

图5 某使用增加型隔音垫车型顶盖总成结构

（3）汽车顶盖设计为全景天窗顶盖，现代汽车常用的顶盖轻量化设计方法，可以减少大部分的顶盖横梁，同时还可以提升汽车档次，让车子更加美观，同时增加车厢内光线，让后排乘客感觉的更舒适。设计天窗顶盖既要考虑到天窗的外观与制造，又不能对车身刚度造成影响，设计难度较大，天窗的设计也需要经过大量的分析和试验才能完成，研发成本较高，同时也相应增加整车的成本，售价较高。

图6 全景天窗版顶盖总成结构

5 结语

本文按照汽车结构件的一般设计流程，论述了顶盖横梁的设计方法和要点。在设计顶盖横梁等车身结构件的时候，首先需要充分考虑零件在车身结构中的主要作用，满足零件的刚度和强度要求，其次是考虑零件与其他系统的搭接匹配问题，同时兼顾零件的制造工艺、性能要求，在此基础上再进行轻量化设计，提高整车竞争力，同时设计时辅助CAE等软件分析和零部件、整车试验等手段，提前发现问题，完善设计。随着汽车工业的不断发展，客户的消费需求和汽车认识在不断提高，汽车的评价标准有了很大改变，各个汽车主机厂的竞争也在加剧。汽车要有竞争力，要得到市场的认可，就需要有更高的设计水平和制造水平，提高整车质量，同时进行成本控制，提升性价比。相信随着我们不断的学习探索，不断进步，我们设计水平、制造水平的不断的提高和完善，我国自主汽车行业将更具竞争力。