基于水管理的乘用車門檻梁設(shè)計(jì)

李仲奎 李豫 舒培超

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

汽車的密封防水性能對(duì)于駕乘體驗(yàn)和車輛質(zhì)量有重要影響，一輛優(yōu)質(zhì)的汽車不僅需要具備高質(zhì)量的車身強(qiáng)度和動(dòng)力性能，還需要具備出色的密封防水能力[1]。車身的各部件，以及各部件相互連接的區(qū)域，都可能成為車身進(jìn)水的通道。其中，門檻梁是腔體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)車身防水有著至關(guān)重要的影響。目前，鮮有文獻(xiàn)資料對(duì)乘用車車身門檻梁的防水進(jìn)行報(bào)道。實(shí)際上，影響門檻梁水密的因素很多，門檻梁防水是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。很多車身結(jié)構(gòu)工程師、NVH 工程師對(duì)門檻梁防水設(shè)計(jì)都存在一定的誤解。對(duì)此，文章從防水角度探討了乘用車車身門檻梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

1 乘用車門檻梁概述

1.1 門檻梁介紹

門檻梁是乘用車車身重要的零部件，位于車身前地板兩側(cè)，車門洞的下方，是車身邊部的縱向梁，如圖1所示。

圖1 門檻梁位置

門檻梁的前端和車身A 柱下端相連，中段和B 柱下端相連，后端和C 柱下端相連。由于門檻梁、A 柱、B柱、C 柱皆為腔體，并且都是多層板焊接的腔體，因此門檻梁的防水難度較高。

1.2 門檻梁斷面結(jié)構(gòu)

門檻梁的斷面結(jié)構(gòu)形式，如圖2 所示。一般情況下，門檻梁由門檻梁里板、門檻梁中間加強(qiáng)板和門檻梁外板（局部側(cè)圍外板）構(gòu)成，如圖2a 所示。車身前地板和門檻梁里板貼合焊接。部分車型的側(cè)圍外板的下端直接搭接到門檻梁加強(qiáng)板的中部，如圖2b 所示。此種結(jié)構(gòu)門檻梁的外側(cè)一般安裝門檻梁外飾板。

門檻梁外板，即側(cè)圍外板，一般選用普通鋼板材料，主要起到體現(xiàn)造型面的裝飾、密封作用。門檻梁里板及門檻梁中間加強(qiáng)板一般選用高強(qiáng)度鋼板或超高強(qiáng)度鋼板，是載荷傳遞路徑的承載體。除了承擔(dān)正面碰撞、側(cè)面碰撞部分載荷傳遞路徑功能，門檻梁對(duì)提升側(cè)面碰撞性能及柱碰性能都有至關(guān)重要的影響[2]。對(duì)此，門檻梁內(nèi)部通常會(huì)布置一些加強(qiáng)件，如圖3 所示。

圖3 門檻梁內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件

為滿足車身電泳時(shí)電泳液在門檻梁內(nèi)部的流通，門檻梁內(nèi)截面處的加強(qiáng)件要設(shè)置過孔，用作電泳液的流通通道。斷面Ⅱ的門檻梁和斷面Ⅰ的門檻梁內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)類似。

2 門檻梁防水策略分析

2.1 門檻梁的密封界面

由于門檻梁是腔體結(jié)構(gòu)，其防水的首要任務(wù)就是確定門檻梁腔體內(nèi)是否允許進(jìn)水。若做到門檻梁腔體內(nèi)不進(jìn)水，則門檻梁外板、門檻梁下止口、門檻梁前后端部和門檻梁下底面都必須是密封的。實(shí)際上，很難達(dá)到這些部位的完全密封，首先門檻梁的加強(qiáng)板、里板都不是一個(gè)整體的板，存在搭接接頭，也就存在工藝要求的縫隙，尤其是門檻梁內(nèi)有舉升點(diǎn)支架加強(qiáng)板，如圖4所示；其次，門檻梁外板、門檻梁里板底部，以及門檻梁前后端部的孔洞也未必做到有效密封。若要做到門檻梁內(nèi)不進(jìn)水，需要額外做大量的密封工作和增加較多的成本。對(duì)此，市場(chǎng)上大多數(shù)車輛的門檻梁內(nèi)腔都是進(jìn)水的。

圖4 門檻梁上舉升點(diǎn)加強(qiáng)板縫隙

若是允許門檻梁腔體內(nèi)進(jìn)水，則門檻梁防水的途徑主要就依賴門檻梁里板的密封，同時(shí)要保證門檻梁上止口的密封、門檻梁里板與地板搭接面的密封，如圖5 所示。

圖5 門檻梁的密封界面

2.2 側(cè)圍底部膨脹片的布置

乘用車車身的A 柱、B 柱、C 柱腔體底段位置通常都布置有膨脹片，如圖6 所示，膨脹片的首要功能是隔聲降噪，其次就是防水。圖6 中的膨脹片有防止門檻梁腔體內(nèi)的水上竄到A 柱、B 柱、C 柱腔體內(nèi)的作用。由于 A 柱、B 柱都是由 3 層板構(gòu)成，因此 A 柱、B 柱中同一位置的膨脹片都分為兩部分，這樣才能將腔體截面徹底阻斷。對(duì)于C 柱底段位置也有中間加強(qiáng)板時(shí)，也需要同時(shí)布置2 個(gè)膨脹片。為提升膨脹片的隔斷效果，膨脹片需盡量選擇在規(guī)整的結(jié)構(gòu)處，同一位置2 個(gè)腔體的膨脹片盡量對(duì)齊。

圖6 乘用車車身側(cè)圍底部的膨脹片布置

在腔體截面處布置膨脹片，也需要考慮電泳液的流通通道，當(dāng)腔體截面較大時(shí)，膨脹片上預(yù)留的孔洞也較大。在車身經(jīng)過電泳線之后進(jìn)入烘烤線時(shí)，膨脹片才發(fā)泡將腔體沿截面隔斷[3]。

2.3 門檻梁里板上孔洞的封堵

門檻梁里板上，一般會(huì)布置焊接定位孔、涂裝用防電磁屏蔽孔、線束卡扣孔、護(hù)板卡扣孔、加油口蓋開啟拉絲卡扣孔等，有時(shí)也會(huì)布置搭鐵點(diǎn)防轉(zhuǎn)孔、安全帶固定點(diǎn)防轉(zhuǎn)孔。對(duì)此，工藝孔務(wù)必要貼堵片或裝堵蓋密封，卡扣孔必須要用自帶密封功能的卡扣，或改為螺柱[4]。尤其是門檻梁里板的前部，嚴(yán)禁開設(shè)不能密封的孔。某車型門檻梁里板前部線束卡扣不帶有密封功能，為驗(yàn)證其進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)大小，將線束卡扣拆卸，然后將車輛駛?cè)胨罱咏?00 mm 的深水區(qū)，稍作片刻停留，在汽車即將駛離涉水池的瞬間緊急制動(dòng)，就會(huì)看到門檻梁內(nèi)的水從卡扣孔處如同噴泉狀冒出，如圖7 所示。因此，如果卡扣不帶密封功能，必然發(fā)生進(jìn)水。

圖7 深水區(qū)制動(dòng)時(shí)A 柱下端敞開孔的進(jìn)水

此外，嚴(yán)禁在具有密封界面的門檻梁里板上設(shè)置防轉(zhuǎn)孔，可采用其它無孔的結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)防轉(zhuǎn)。圖8 示出帶防轉(zhuǎn)卡鉤的固定點(diǎn)，這些結(jié)構(gòu)都禁止用在門檻梁里板上。

圖8 帶防轉(zhuǎn)卡鉤的固定點(diǎn)

2.4 門檻梁里板與前地板搭接面的密封

乘用車車身前地板與門檻梁里板搭接處一般定義涂裝焊縫密封膠進(jìn)行密封。對(duì)于三廂轎車，一般在地板上方布置座椅橫梁，在地板下方從前至后，使用一條涂膠線可以解決前地板與門檻梁里板之間的密封問題，如圖9 和圖10 所示。

圖9 三廂車前地板與門檻梁里板搭接結(jié)構(gòu)

圖10 地板邊部的涂膠線

對(duì)于大型SUV 車型，除了前地板上方有座椅橫梁，一般在前地板下方也布置橫梁。若是前地板上方、下方的橫梁相互錯(cuò)位，并有一定的距離，可以通過在地板上下方間斷性涂抹焊縫密封膠，并設(shè)置一定的重疊量，以解決前地板與門檻梁里板之間的密封問題。若是前地板上方、下方的橫梁相對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致地板上方、下方都不能涂抹焊縫密封膠時(shí)，可考慮在布置橫梁的局部位置定義點(diǎn)焊密封膠，先通過焊接時(shí)對(duì)貼合面之間涂抹點(diǎn)焊膠解決局部密封問題，其余位置能定義焊縫密封膠的區(qū)域繼續(xù)定義焊縫密封膠。

2.5 門檻梁上止口的密封

門檻梁上止口一般是由門檻梁里板、門檻梁中間加強(qiáng)板、門檻梁外板3 層板焊接，并且很少有車型在這3 層板之間定義點(diǎn)焊密封膠，因此當(dāng)門檻梁內(nèi)的水上竄到止口處，門檻梁上止口也會(huì)存在水密的問題。此外，門檻梁里板、門檻梁加強(qiáng)板也多是2～3 個(gè)件焊接，存在接頭的縫隙，如圖11 所示，門檻梁上止口有水出入不可避免。

圖11 門檻梁上止口處的鈑金接頭縫隙

一旦門檻梁在前車門下止口處存在搭接面縫隙，當(dāng)汽車駛?cè)肷钏畢^(qū)后，在駛離的瞬間緊急制動(dòng)時(shí)，門檻梁內(nèi)的水受慣性作用向前竄，并在門檻梁腔體前部形成沖擊力，沿著門檻梁上止口的縫隙噴涌而出，再受到門止口密封條的阻擋分成2 路，一路流向車身外部，一路流向車身內(nèi)部，水流方向，如圖12 所示。

圖12 門檻梁內(nèi)的水在緊急制動(dòng)時(shí)的流向

將某車型前門門檻護(hù)板拆除后，駛?cè)肷钏畢^(qū)，片刻之后將汽車快速開出，并瞬間踩下制動(dòng)踏板，就能看到車前門內(nèi)側(cè)的門檻梁里板頂部有大量的水涌進(jìn)來，如圖13 所示。

圖13 車前門下止口處進(jìn)水

解決門檻梁上止口進(jìn)水的措施，就是盡量消除門檻梁上止口的縫隙。增加點(diǎn)焊密封膠定義，固然能消除縫隙，但是需要在焊裝線上增加涂膠設(shè)備的投資，并且單車成本也會(huì)相應(yīng)增加。此外包含門檻梁外板、門檻梁中間加強(qiáng)板的側(cè)圍總成在與包含門檻梁里板的下車體進(jìn)行合拼焊時(shí)，門檻梁上止口焊接面處于豎直狀態(tài)，膠涂抹在立面上容易脫落下掉，不僅造成密封效果降低，還會(huì)引起焊接時(shí)外溢的膠著火，引發(fā)安全事故。故此，通過在搭接面之間涂抹點(diǎn)焊膠解決密封問題，實(shí)際上不僅增加成本，還有一定的難度。

另外一種消除縫隙的方式就是在門檻梁處嚴(yán)禁鈑金分塊，進(jìn)而達(dá)到無接頭縫隙的效果。門檻梁里板與側(cè)圍A 柱里板的分塊位置應(yīng)定義在A 柱下端膨脹片的上方；相應(yīng)地，門檻梁中間加強(qiáng)板與側(cè)圍A 柱中間加強(qiáng)板的分塊位置也定義在側(cè)圍A 柱下端膨脹片的上方。即使有接頭縫隙也是在膨脹片上方無接觸水的區(qū)域，達(dá)到門檻梁上止口區(qū)域都是平板與平板貼合、幾乎無縫隙的狀態(tài)。

2.6 門檻梁與B 柱連接處的處理

乘用車車身B 柱里板與門檻梁搭接位置，由于不是車門止口處，無需安裝密封條，因此在設(shè)計(jì)上往往考慮不夠充分。部分工程師為了提升接頭剛度，將B 柱里板下端與門檻梁里板搭接處設(shè)計(jì)成帶有臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，如圖14 中虛線所示的區(qū)域；或是在門檻梁上搭接邊處焊接安全帶卷收器固定支架，因支架較厚而存在較大的工藝縫隙，不利于車身密封，也存在進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。

圖14 B 柱里板下端接頭結(jié)構(gòu)

圖6 所示的B 柱膨脹片布置，實(shí)際上對(duì)B 柱里板與門檻梁里板之間的焊接起不到密封作用，因此在設(shè)計(jì)B 柱里板與門檻梁里板之間的搭接時(shí)，要考慮消除自身縫隙。

3 門檻梁設(shè)計(jì)實(shí)例及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 某車型門檻梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按前文分析，某車型門檻梁里板、門檻梁中間加強(qiáng)板的前端分塊位置都位于A 柱下端膨脹片位置的上方，如圖15 所示，為避免門檻梁上止口縫隙。門檻梁里板頂面不設(shè)置門檻護(hù)板卡扣孔，如圖16 所示，門檻護(hù)板采用門止口安裝卡夾進(jìn)行固定。

圖15 某車型門檻梁結(jié)構(gòu)

圖16 某車型門檻梁里板結(jié)構(gòu)

此外，門檻梁里板上不設(shè)置不能密封的防轉(zhuǎn)孔，門檻梁里板上的工藝孔都貼堵片進(jìn)行密封，線束卡扣自帶密封功能。門檻梁里板與前地板之間焊縫采用地板下方涂抹一整條焊縫密封膠密封。B 柱里板與門檻梁里板搭接面位置處消除搭接縫隙的存在。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

先是按較為嚴(yán)苛的上海地標(biāo)DB 31T634—2012《電動(dòng)乘用車運(yùn)行安全和維護(hù)保障技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行涉水試驗(yàn)，門檻梁處無進(jìn)水現(xiàn)象發(fā)生。后采用極端工況試驗(yàn)，先讓汽車在300 mm 深的水池中浸泡10 min，接著讓汽車快速駛離，在離開水池的瞬間緊急制動(dòng)，讓門檻梁內(nèi)的水向前竄動(dòng)，同樣未發(fā)現(xiàn)門檻梁處進(jìn)水。

4 結(jié)論

門檻梁防水的最終目的是禁止車外的水流入乘客艙內(nèi)部，一種解決方案是將水擋在門檻梁外側(cè)，不允許門檻梁腔體內(nèi)進(jìn)水，進(jìn)而阻止水進(jìn)入乘客艙；另一種解決方案是允許門檻梁腔體內(nèi)進(jìn)水，但是不允許水流入乘客艙內(nèi)。相比之下，前者密封難度較高，后者密封相對(duì)容易。采用后者的防水方案可以解決市場(chǎng)上大多數(shù)車輛的門檻梁進(jìn)水問題，但是仍需要做大量的密封工作，包括門檻梁里板的自身密封、門檻梁上止口的密封、門檻梁里板與前地板搭接面的密封，以及A、B、C柱下端與門檻梁連接處的密封等。

通過分析和驗(yàn)證，若是在門檻梁開發(fā)過程中充分考慮密封性能設(shè)計(jì)，只要將密封界面的密封性能做到位，在不降低強(qiáng)度性能、不增加成本的情況下，門檻梁仍可達(dá)到較高的防水性能。