王 丹，程 普，楊宇佳，崔 岸

（1.中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心，長春 130011；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長春 130025）

車門是汽車的關(guān)鍵總成之一，是開啟到一定角度供乘客上下車，并能保護(hù)乘客的關(guān)鍵部件。車門設(shè)計(jì)應(yīng)具有安全性、密封性、進(jìn)出方便性、操作舒適性、維修方便性等性能，同時(shí)要保證足夠的可靠性和耐久性。

按承受載荷的情況，車門剛度通常分為垂直剛度、橫向剛度、表面剛度、固定點(diǎn)剛度等。車門系統(tǒng)在承受垂直載荷時(shí)的抗變形能力，以及卸載后恢復(fù)原有形狀的能力被定義為車門的垂直剛度，它直接影響車門的下沉量，是車門剛度中最重要的指標(biāo)。車門垂直剛度不足會影響車門開關(guān)的可靠性，引起車門卡死及關(guān)閉力增大，嚴(yán)重時(shí)會造成漏風(fēng)、滲水、行駛過程中車門振動及噪聲等問題，這都將對乘坐舒適性造成嚴(yán)重影響。

按照企業(yè)車身開發(fā)試驗(yàn)規(guī)范，輕型車車門總成垂直剛度的具體評價(jià)指標(biāo)為：將帶鉸鏈的車門焊接總成固定在剛性臺架上，在門鎖處向下加載500 N，最大z向位移彈性變形≤5 mm，塑性變形≤0.5 mm。同時(shí)在CAE分析時(shí)應(yīng)考慮臺架試驗(yàn)值與CAE分析結(jié)果存在一定偏差（試驗(yàn)值偏大），因此CAE分析應(yīng)滿足z向位移小于3 mm。

引用格式：

由此可見，在不考慮側(cè)圍前立柱剛度的前提下，車門焊接總成的剛度及車門鉸鏈的剛度都會影響車門總成的垂直剛度指標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)要求及性能分析

某輕型車（A車）雙排駕駛室開發(fā)的對標(biāo)車型為700P，700P后門為整體式車門、平板內(nèi)飾、內(nèi)藏式電動卡板鎖、一道密封、電動玻璃升降器、鉸鏈限位器總成、一擋限位，最大開啟角度70°，鉸鏈間距435 mm。

按車身總布置的外廓尺寸、開度及配置情況，結(jié)合對標(biāo)車型及前門，展開A車后門設(shè)計(jì)，要求產(chǎn)品開發(fā)性能優(yōu)于對標(biāo)車型。

1.1 700P后車門及鉸鏈總成垂直剛度分析

1.1.1 車門總成臺架試驗(yàn)

首先進(jìn)行700P樣車后車門總成垂直剛度臺架試驗(yàn)，為產(chǎn)品開發(fā)提供參考數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)方法是將車門通過鉸鏈約束固定在剛性臺架上，車門處于實(shí)車關(guān)閉狀態(tài)，在門鎖處施加500 N的垂直向下的載荷，測定z向位移，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果見表1，按企業(yè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，700P后門垂直剛度為109 N/mm，剛度較低。

圖1 700P后車門總成垂直剛度臺架試驗(yàn)

表1 700P后車門垂直剛度試驗(yàn)結(jié)果

由于對標(biāo)車型垂直剛度值較低，處于企業(yè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值，對于A車產(chǎn)品開發(fā)，需首先確定合理的目標(biāo)值。考慮到輕型車使用環(huán)境普遍較好，上下車不存在拉拽等錯誤操作，加載500 N垂直靜載荷可以滿足實(shí)際使用工況。確定車門總成垂直剛度CAE分析500 N加載，z向位移≤3 mm。

在不考慮側(cè)圍前立柱剛度的前提下，車門總成垂直剛度主要受到鉸鏈結(jié)構(gòu)、鉸鏈間距及車門鈑金結(jié)構(gòu)的影響，將從這幾個(gè)方面逐一開展設(shè)計(jì)。

1.1.2 700P鉸鏈總成臺架試驗(yàn)

700P后門鉸鏈總成活動頁板為10 mm等厚鋼板，與鉸鏈軸套焊接形成單耳頁板，雙耳頁板料厚3.5 mm，如圖2所示。

圖2 700P后門鉸鏈總成

為判斷鉸鏈自身剛度是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，對鉸鏈總成進(jìn)行了垂直剛性臺架試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 700P后車門鉸鏈總成垂直剛度臺架試驗(yàn)

試驗(yàn)方法是將鉸鏈固定在剛性門上，鉸鏈間距300 mm，在離鉸鏈軸線1 m處向下施加500 N的垂直載荷，測得鉸鏈的垂直剛度，見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知，700P后門鉸鏈垂直剛度過低，是導(dǎo)致車門總成垂直方向變形量超出限值的重要原因。

表2 700P后車門鉸鏈總成垂直剛度試驗(yàn)結(jié)果

1.1.3 鉸鏈力學(xué)模型計(jì)算

將700P后車門鉸鏈總成逆向數(shù)據(jù)與A車鉸鏈比較，同軸情況下，雙耳頁板在車身系x方向存在偏差，單耳頁板在車身系y方向存在偏差，如圖4所示。但由于在門鎖處垂直加載，鉸鏈x方向受到擠、拉兩種形式的力，但力矩不變，故雙耳頁板x方向偏差對鉸鏈垂直剛度的影響可忽略不計(jì)。將鉸鏈的單耳頁板簡化成圖5所示的剛架懸臂梁結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行簡要分析[1]。

圖4 700P后車門鉸鏈總成與A車后車門鉸鏈總成對比

圖5 鉸鏈單耳頁簡化模型

式中：M1為BC段彎曲力矩；P為C端加載載荷；l1為BC段長度。

分段求內(nèi)力方程如下：

式中：T2為B最大彎曲力矩。

計(jì)算各段的變形能：

BC段：

式中：UBC是BC桿變形能；E為彈性模量；I1為BC桿慣性矩；b1為BC桿寬度；h1為BC桿厚度。

AB段：

式中：fc為C點(diǎn)位移量；P為C端垂直載荷；UAB為AB桿變形能；UBC為BC桿變形能。

通過以上推導(dǎo)可以看出C點(diǎn)位移主要受到外力以及各段長度及各段橫截面的尺寸影響。

C點(diǎn)位移主要受到l1、l2以及各段橫截面的尺寸b和h的影響。減小l1、l2，以及增大b和h均可減小C點(diǎn)的下移量。

對照簡化模型，700P后門鉸鏈總成與某輕型車后門鉸鏈比較，l2較大，C點(diǎn)位移量較大，即剛度較差。

1.2 A車鉸鏈設(shè)計(jì)及性能分析

由于B柱外板不可拆卸，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)車門鉸鏈x、y、z三個(gè)方向都可以進(jìn)行調(diào)整，只能采取懸臂式鉸鏈結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的鉸鏈由于活動頁板的固定點(diǎn)離鉸鏈軸中心距離較遠(yuǎn)，因此剛度較常規(guī)的鉸鏈相比要差。

A車鉸鏈總成活動頁板與軸套為整體式鍛件，懸臂式結(jié)構(gòu)，壁厚10 mm，彎臂結(jié)構(gòu)局部加厚，兩點(diǎn)固定于車門總成上；固定頁板為沖壓件，料厚4 mm，二點(diǎn)固定在側(cè)圍上，如圖6所示。AB桿慣性矩；b2為AB桿寬度；h2為AB桿厚度；G為切變模量；It2為AB極慣性矩。

圖6 A車后門鉸鏈總成

對A車鉸鏈進(jìn)行500 N加載的車門垂直剛度CAE分析，分析結(jié)果如圖8和表3所示。由CAE分析結(jié)果可知，現(xiàn)有產(chǎn)品后門鉸鏈最大z向位移為1.45 mm，垂直剛度為344 N/mm。通過對比CAE分析結(jié)果，鉸鏈自身剛度滿足剛性門下沉彈性變形不得大于3 mm的要求。

1.3.3 患者服藥后的耐受程度［3］ Ⅰ度:完全可以接受，愿意接受第2次檢查。Ⅱ度:饑餓感及大便次數(shù)增多，但仍可以接受。Ⅲ度:無法耐受，拒絕再次接受此類檢查。Ⅰ度+Ⅱ度為患者能夠接受，Ⅲ度為患者不耐受。

表3 現(xiàn)有鉸鏈垂直剛度CAE分析

圖7 鉸鏈總成垂直剛度CAE分析示意圖

2 改進(jìn)措施及臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 增加鉸鏈間距

為提高車門總成剛度， 綜合考慮車門受力情況，在滿足結(jié)構(gòu)布置的前提下加大鉸鏈間距，可提高車門垂直剛度，有效防止車門下沉。為分析鉸鏈布置對車門垂直剛度的影響，保持鉸鏈及車門結(jié)構(gòu)不變，依次變化鉸鏈間距，分別進(jìn)行500 N加載的CAE分析，得到不同間距下加載點(diǎn)的z向位移。分析結(jié)果見表4。

表4 不同間距下的加載點(diǎn)z向位移

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，鉸鏈間距每增加50 mm，垂直剛度提高約為15%。因此，增加鉸鏈間距是提高車門剛度的有效途徑。

對標(biāo)車型700P鉸鏈間距為435 mm，后門垂直剛度臺架試驗(yàn)值為109 N/mm，剛度指標(biāo)處于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值。為優(yōu)于對標(biāo)車型，在滿足結(jié)構(gòu)布置的前提下，A車后門考慮增加鉸鏈間距，將上鉸鏈上移50 mm，使其達(dá)到485 mm。

2.2 車門鈑金結(jié)構(gòu)垂直剛度分析

車門焊接總成剛度主要受到斷面形式、材料及料厚的影響，參照對標(biāo)車型700P結(jié)構(gòu)，考慮前后門通用性等因素，將鉸鏈間距設(shè)置為485 mm，完成車門鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨后提交CAE，對帶鉸鏈的車門焊接總成進(jìn)行了500 N垂直加載CAE分析，如圖8所示，得出的分析結(jié)論和數(shù)據(jù)見表5[2]。

從仿真結(jié)果看，最大z向位移超出規(guī)范限值，垂直剛度不足，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)排除鉸鏈因素，說明車門總成剛度較差。

圖8 CAE分析車門垂直剛度加載示意圖

表5 后車門鉸鏈總成垂直剛度分析結(jié)果

2.3 鉸鏈加強(qiáng)板改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過仿真分析，鉸鏈周圍局部應(yīng)力不大，如圖9所示，但上、下鉸鏈局部位移變化明顯，在車身系y方向上，鉸鏈加強(qiáng)板繞上、下鉸鏈產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，下鉸鏈附近y向變形約為4.5 mm，如圖10所示。因此，分析車門剛度不足的主要原因是由于鉸鏈加強(qiáng)板中間斷開處與里板開口重合，上、下鉸鏈間連接形式較弱。對鉸鏈加強(qiáng)板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，減小鉸鏈加強(qiáng)板不規(guī)則切口面積，使其連成一體，從而增大鉸鏈加強(qiáng)板在車門內(nèi)板上的覆蓋面積，加強(qiáng)上、下鉸鏈間的連接形式，對鉸鏈在車門內(nèi)板上的固定起到加強(qiáng)作用，改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖11所示[3]。

圖9 應(yīng)力云圖

圖11 鉸鏈加強(qiáng)板新舊方案比較

對優(yōu)化后的鉸鏈與車門焊接總成進(jìn)行500 N加載CAE分析，其中車門閉合狀態(tài)新方案垂直剛度為168 N/mm，加載點(diǎn)位移2.97 mm；車門打開狀態(tài)新方案垂直剛度為187 N/mm，加載點(diǎn)位移2.68 mm，見表6。由數(shù)據(jù)可知，通過再次優(yōu)化，車門總成的加載點(diǎn)位移有了一定改善，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 A車后車門垂直剛度再次優(yōu)化之后分析結(jié)果

2.4 試制樣件臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行樣件試制，并通過臺架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)方法同圖1，如圖12所示，與700P對標(biāo)車的試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可知，通過鉸鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增加鉸鏈間距和車門鈑金結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等途徑，A車后門垂直剛度設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果，與對標(biāo)車相比，垂直剛度明顯高，滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 車門垂直剛度臺架試驗(yàn)分析對比

圖12 A車后車門垂直剛度臺架試驗(yàn)

3 結(jié)論

（1）影響車門垂直剛度的因素主要有車門寬度、鉸鏈間距、鉸鏈結(jié)構(gòu)及其安裝孔附近加強(qiáng)件的結(jié)構(gòu)等。在車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要關(guān)注的是鉸鏈剛度和車門剛度。為便于具體分析與設(shè)計(jì)，車門總成剛度評價(jià)指標(biāo)需分解到各部件上。

（2）在滿足結(jié)構(gòu)布置的條件下，鉸鏈間距越大越好，鉸鏈間距每增加50 mm，車門總成垂直剛度提升15%。

（3）車門靜態(tài)剛度計(jì)算分析在車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中起著非常重要的作用，可以通過CAE分析來校核各個(gè)設(shè)計(jì)方案是否滿足了剛度需求，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，減少產(chǎn)品后期更改的可能性，同時(shí)也可以提高設(shè)計(jì)師的工作效率。

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