董越,于超,聶振凱
(吉利汽車集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315336)
近年來客戶需求的多樣化引導(dǎo)汽車行業(yè)及其產(chǎn)品走向多元化、差異化。在中國市場,每年已有上百款全新及換代車型投放到各細(xì)分市場,形成差異化競爭。新車型及換代車型的開發(fā)已經(jīng)成為汽車企業(yè)發(fā)展和生存的必要條件。汽車輕量化是指在保證性能達(dá)標(biāo)的前提下盡可能減輕其整體質(zhì)量,以便提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染,已成為世界汽車發(fā)展的潮流。實(shí)驗(yàn)證明,汽車質(zhì)量降低一半,燃料消耗也會降低將近一半。
密封膠作為汽車生產(chǎn)必需的輔助材料,其應(yīng)用越來越廣泛。涂裝工藝用膠是汽車上用量最大的一類。因此減少汽車涂裝用膠量可以有效減輕整車質(zhì)量,減少排放。根據(jù)調(diào)研,目前主流汽車廠的單臺車涂膠量均在10 kg以上,占車身涂裝總質(zhì)量的一半以上,設(shè)計(jì)階段涂膠定義存在過定義、少定義、錯定義等各類問題,而后續(xù)實(shí)車又缺乏長期的相關(guān)性能驗(yàn)證,導(dǎo)致涂膠輕量化推進(jìn)較慢。
本文基于某公司推進(jìn)新車型涂膠定義輕量化專項(xiàng)工作中的經(jīng)驗(yàn),介紹了涂膠工序在輕量化工作中的應(yīng)用。
涂裝用膠的品種不多,卻是用量最多的一類,主要包含焊縫密封膠、車底抗石擊涂料、LASD(水性可噴涂隔音材料)、裙邊膠和指壓膠。
焊縫密封膠是一種膏狀密封膠,具有很好的觸變性,加熱塑化后具有一定的粘接強(qiáng)度、耐磨性、耐撓曲性,與電泳底漆有良好的結(jié)合力[1]。焊縫密封膠主要涂覆于車身鈑金件搭接焊縫區(qū)域,例如地板、機(jī)艙、外覆蓋件等需要密封與防腐的區(qū)域[1]。根據(jù)涂裝工藝,焊縫密封膠分為UBS(下車身自動密封)、粗密封和細(xì)密封。
車底抗石擊涂料,又稱UBC(也被指下車身自動抗石擊噴涂),主要應(yīng)用于車身底部、輪罩等容易發(fā)生石擊的部位,其作用是緩沖汽車高速行駛過程中諸如沙、石等物體對車身的強(qiáng)烈沖擊,提高車身抗腐蝕能力,延長使用壽命[2]。
LASD是一種基于丙烯酸類聚合物的可噴涂水性隔音阻尼涂料。其涂附于電泳層表面,并在涂裝車間完成烘烤固化,用于降低車身的噪聲和振動,提升NVH性能(即噪聲、振動和不平順性)。
裙邊膠是一種涂附在門檻裙邊位置的抗石擊膠,主要用于提升此處抗石擊性和防腐性,此外還需滿足涂層外觀要求和附著力指標(biāo)。
指壓膠是指壓密封膠的簡稱,實(shí)際上是一種密封膩?zhàn)?,用手指涂抹、壓?shí)。主要用于車身焊裝后所形成的較大縫隙的密封,以及凹凸不平處的修飾,等等。該材料在客車、越野車、重型卡車等車型中應(yīng)用較多,乘用車領(lǐng)域近年來因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,其應(yīng)用越來越少。
通過大量調(diào)研,結(jié)合拆解競品車所得信息,收集了行業(yè)內(nèi)優(yōu)秀競品的涂膠量及實(shí)車涂膠照片用于分析并尋找差距,部分結(jié)果如圖1所示。
圖1 不同公司轎車(a)與多功能越野車(b)的涂膠用量Figure 1 Dosage of sealant for sedans (a) and sport utility vehicles (b) manufactured by different companies
可見筆者所在公司現(xiàn)有產(chǎn)品的涂膠質(zhì)量較主流競品高出25% ~ 50%不等,涂膠存在較大的優(yōu)化空間。通過對比膠條長度、車身結(jié)構(gòu)、鈑金數(shù)量、底盤覆蓋件等方面,發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)車型涂膠定義主要存在如下問題:
(1) 下車身多數(shù)焊縫采用“三道膠”(即“焊裝膠 + UBS + 涂裝內(nèi)部涂膠”)定義,內(nèi)涂過多。
(2) 車底UBS與UBC大量重疊,UBS過定義。
(3) 車身有底護(hù)板或底盤件遮擋區(qū)仍使用了UBC,過度使用了抗石擊膠。
(4) UBC層過厚,且缺少區(qū)域細(xì)分。
(5) 車身鈑金分件過多,導(dǎo)致焊縫總長度過大,涂膠長度增加。
(6) 單防腐用膠運(yùn)用過多,需要優(yōu)化鍍鋅板的使用。
通過組織屬性、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等相關(guān)部門根據(jù)對標(biāo)結(jié)果共同制定了涂膠優(yōu)化方案及驗(yàn)證計(jì)劃(見表1),用于指導(dǎo)各車型具體工作的開展。
表1 涂膠方案優(yōu)化策略及驗(yàn)證計(jì)劃Table 1 Optimization strategies and verification methods of gluing plans
3.1.1 底板下部
有護(hù)板防護(hù)的區(qū)域(如隔熱板、油箱、排氣管等大面積遮擋可視為護(hù)板)不再采用抗石擊膠。根據(jù)石擊頻次及強(qiáng)度,將無護(hù)板防護(hù)的區(qū)域細(xì)分為重點(diǎn)和一般防護(hù)區(qū)域(如圖2所示),UBC層厚度相應(yīng)設(shè)定為0.8 ~ 1.2 mm和0.6 ~ 1.0 mm。
圖2 車身底板下部防護(hù)程度分級Figure 2 Classification of protection levels for lower underbody
3.1.2 輪罩
輪罩區(qū)為石擊極高風(fēng)險區(qū),對抗石擊性能的要求為全車之最,所需厚度建議參考表2。
表2 輪罩區(qū)域UBC厚度建議Table 2 Thickness of underbody coating for wheel house
3.1.3 其他
迎風(fēng)面區(qū)域應(yīng)噴涂UBC,如圖3所示。針對護(hù)板覆蓋區(qū)域,小于覆蓋邊界30 mm的區(qū)域應(yīng)涂覆UBC,但應(yīng)避開安裝點(diǎn)(見圖4)。需要進(jìn)行遮蔽的孔及螺栓,遮蔽區(qū)域最多不能超過邊緣以外25 mm(見圖5)。
圖3 車底迎風(fēng)面涂覆UBC示例Figure 3 Example showing how to spray underbody coating for windward of underbody
圖4 在護(hù)板覆蓋區(qū)域噴涂UBC的示意圖Figure 4 Schematic diagram of spraying underbody coating at the area covered by guard plate
圖5 孔及螺栓周圍UBC噴涂示意圖Figure 5 Schematic diagram of spraying underbody coating around holes and bolts
車身涂裝焊縫密封膠按作用可分為兩種:一種只起防腐作用,另一種同時起密封和防腐作用。原則上設(shè)計(jì)時應(yīng)首先考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu),盡量減少使用單一作用的焊縫密封膠。在設(shè)計(jì)焊縫密封膠時需緊密結(jié)合焊裝膠,減少膠定義,避免過定義。
車身焊縫密封膠因各車型結(jié)構(gòu)不同而存在較大差異,首先對全車焊縫進(jìn)行分類(如圖6所示),再按照以下策略執(zhí)行:
圖6 車身焊縫的分類Figure 6 Classification of body weld
(1) 所有直通車內(nèi)的焊縫要求采用“焊裝膠 + 車外涂裝膠”,車內(nèi)涂裝膠建議取消或盡量減少,如將三道膠減少為二道。
(2) 對于所有不通外的焊縫,不定義涂裝膠。
(3) 對于所有不通車內(nèi)的焊縫,根據(jù)所處區(qū)域、所選板材及結(jié)構(gòu),建議對存在中高風(fēng)險的焊縫定義焊縫密封膠,低風(fēng)險的焊縫則不定義或少定義,通過板材選型來規(guī)避風(fēng)險,如采用鍍鋅板等自身具有較好耐腐蝕能力的板材。
(4) 車外焊縫如處在UBC定義范圍內(nèi),建議取消焊縫密封膠,只保留UBC。
(5) 對于拼接或加強(qiáng)板等的焊接,建議連接焊縫設(shè)計(jì)為不直通車外的焊縫,取消搭接縫密封膠定義。
(6) 對于可成型的沖壓件,在平衡工藝、成本的同時,盡量減少鈑金分件,從而縮短需要定義焊縫密封膠的焊接縫長度。
(7) 能設(shè)計(jì)不通車外的焊縫時應(yīng)盡量避免,如后圍內(nèi)外板搭接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見圖7)。
圖7 后圍內(nèi)板、外板焊縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)Figure 7 Weld structures of rear internal and exterior plates
(1) SUV、MPV車型以及中高檔轎車全部采用門檻護(hù)板方案,從而取消裙邊膠。
(2) 低檔轎車盡量采用門檻護(hù)板,如無護(hù)板,參考圖8來定義噴涂區(qū)域。
圖8 裙邊膠噴涂區(qū)域Figure 8 Areas to be sprayed with side skirt adhesive
(3) 裙邊膠噴涂厚度300 ~ 500 μm。
(1) 水平面的LASD厚度不大于3 mm,立面的LASD厚度不大于2 mm,頂面不建議采用LASD。
(2) LASD噴涂區(qū)域尺寸要求50 ~ 100 mm寬,或?yàn)槠浔稊?shù),以滿足機(jī)器人噴涂的要求。
(3) LASD噴涂避免覆蓋堵蓋、貼片和焊縫密封膠。
因指壓膠存在易老化、脫落等風(fēng)險,新車型、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要避免較大孔洞或縫隙的存在,不考慮使用指壓膠,代之以焊縫密封膠,以滿足密封要求。
涂裝膠按用途主要分為2類,即NVH性能和防腐性,而匹配的驗(yàn)證方法有白車身氣密性測試[3]、整車氣密性測試(見圖9)、整車NVH性能評估以及整車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)。所有車型的涂膠策略都需要經(jīng)過實(shí)車整車驗(yàn)證,評價合格后方能批量推廣應(yīng)用。選取目標(biāo)車型,依據(jù)上述策略制定了適合該車型的涂膠優(yōu)化方案,并制作樣車開展了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。
圖9 白車身(a)和整車(b)氣密性驗(yàn)證試驗(yàn)Figure 9 Air tightness test for white body (a) and whole vehicle (b)
根據(jù)實(shí)車評價結(jié)果,涂膠策略實(shí)施前后,白車身和整車氣密性均能達(dá)成設(shè)計(jì)指標(biāo),數(shù)據(jù)上無明顯差異。整車NVH性能主觀評價方面無明顯差別,滿足車型設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。NVH性能滿足企標(biāo)和車型設(shè)計(jì)要求。而從強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)靜態(tài)以及拆解后評價的結(jié)果(見圖10)可知,涂膠實(shí)施后車身的腐蝕等級及狀態(tài)滿足企標(biāo)的要求,符合車型設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖10 強(qiáng)化腐蝕車驗(yàn)證Figure 10 Evaluation of whole-vehicle accelerated corrosion test
根據(jù)前期策略制定了各車型分別對應(yīng)的涂膠方案,并經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證,部分車型的實(shí)施效果列于表3。
表3 部分優(yōu)化方案及成果Table 3 Some optimized schemes and the results of their implementation
通過多車型多輪實(shí)車驗(yàn)證,筆者的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化和提升了前期制定的策略,并整理成冊,完善到企業(yè)內(nèi)部的《車身防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)文件中,用于支持后續(xù)新車型的設(shè)計(jì)。
同時,將涂膠定義相關(guān)要求完善到了MR(制造需求)清單中,用于支持后續(xù)新車型開發(fā)過程中的SE(同步工程)分析工作,確保在滿足整車質(zhì)量的前提下,實(shí)現(xiàn)涂膠定義及涂裝制造成本的最優(yōu)化。
輕量化已成為汽車發(fā)展的主要方向,涂膠是涂裝減重的關(guān)鍵工序,而涂膠實(shí)施結(jié)果對整車防腐及NVH性能起著至關(guān)重要的作用,涂膠定義的優(yōu)化已成為新車型開發(fā)的重點(diǎn)工作之一。
為保證產(chǎn)品質(zhì)量,降低單車制造成本,達(dá)成整車降重,提升產(chǎn)品競爭力的需求,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、驗(yàn)證階段都需要對產(chǎn)品的搭接結(jié)構(gòu)、板材選用、密封膠條的定義等多方面進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊蛧?yán)格的驗(yàn)證。既要避免設(shè)計(jì)不良而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格,也要嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量過剩,避免造成制造成本增加、車輛增重、設(shè)備改造投資浪費(fèi)等問題。
涂膠定義優(yōu)化驗(yàn)證是一個多部門統(tǒng)籌工作,在實(shí)際工作中要充分協(xié)調(diào)好上下游部門,共同參與組織方案的評審、制作與驗(yàn)證,并嚴(yán)格根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果推進(jìn)落實(shí),做好質(zhì)量、成本的平衡。同時,在開展工作時,要做好組織過程資產(chǎn)的積累,及時總結(jié),推進(jìn)產(chǎn)品、涂膠定義等項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化,提升后續(xù)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。