王典1 王海軍2

1. 中國第一汽車股份有限公司 吉林長春 1300112. 山東水星博惠汽車部件股份有限公司 山東德州 253300

1 前言

目前，在國內(nèi)專用汽車推拉門的設(shè)計(jì)中，關(guān)閉舒適性能方面的研究一直沒有得到設(shè)計(jì)人員足夠的重視，相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)沒有確定，這給產(chǎn)品品質(zhì)的評(píng)價(jià)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。車門關(guān)閉力是影響車門關(guān)閉舒適性的關(guān)鍵因素，關(guān)閉力的大小與車門的關(guān)閉速度成正比，研究均以速度這一指標(biāo)進(jìn)行[1]。

下面以一港口專用牽引車駕駛室后車門的設(shè)計(jì)開發(fā)案例，對(duì)專用汽車推拉門設(shè)計(jì)開發(fā)過程進(jìn)行總結(jié)。通過車門關(guān)閉速度試驗(yàn)對(duì)專用汽車推拉門舒適的關(guān)閉速度進(jìn)行求解，并引入專用汽車推拉門的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

針對(duì)以往車門設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，很多評(píng)價(jià)指標(biāo)都要等到產(chǎn)品試制階段，才能經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證確定產(chǎn)品是否滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)。這種產(chǎn)品開發(fā)模式風(fēng)險(xiǎn)高，時(shí)間長，成本高，已不能適應(yīng)目前數(shù)字化時(shí)代的產(chǎn)品開發(fā)需求。為此，通過數(shù)學(xué)方法對(duì)專用汽車推拉門最小關(guān)門速度V進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)，得出這一評(píng)價(jià)指標(biāo)的理論計(jì)算分析方法。

2 產(chǎn)品定義

2.1 主要參數(shù)

港口專用牽引車駕駛室后車門的具體參數(shù)如下：車輛側(cè)門離地高度為1 440 mm，且門側(cè)腳踏空間不足，不利于乘員上下車，乘員主要利用后車門上下車，側(cè)門主要用于傳遞單據(jù)。結(jié)合港口專用牽引車后車門的使用工況進(jìn)行前期產(chǎn)品定義如下：

a.開啟方式：推拉。駕駛室后側(cè)有貨箱，無法布置旋轉(zhuǎn)門，為滿足車門后部空間小且需滿足乘員上下車的需求，故推拉門為最佳方案。

b.結(jié)構(gòu)形式：框架式。開發(fā)時(shí)間短，開發(fā)費(fèi)用低，整體剛度好。

c.總體尺寸：642 mm×1 805 mm×60 mm；后車門通過空間為515 mm，可同時(shí)供乘員上下車。

d.總成質(zhì)量：26 kg。根據(jù)車門尺寸及項(xiàng)目要求確定。

e.內(nèi)飾：平板內(nèi)飾?？紤]到推拉門若采用有造型的凸起內(nèi)飾，車門開關(guān)時(shí)會(huì)與后圍干涉。

f.鉸鏈總成：采用滾動(dòng)軸承式，固定在拉門框架上側(cè)。滾動(dòng)軸承強(qiáng)度好，且已形成系列化，產(chǎn)品質(zhì)量有保證、成本低。

g.密封形式：一道半密封。防止水和灰塵進(jìn)入車內(nèi)，保證駕駛室內(nèi)的水、氣密封滿足要求。

h.門鎖：具有雙側(cè)鎖止功能卡板鎖。在炎熱的季節(jié)，駕駛員習(xí)慣開著后門開車；并且當(dāng)牽引車未搭載貨箱時(shí)，駕駛員習(xí)慣打開后門向后看倒車。此兩種情況下保持車門在完全開啟狀態(tài)下鎖止更為安全。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

車門關(guān)閉力研究一直受到各大汽車生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注[4]。微車中門推拉門試驗(yàn)準(zhǔn)則，在車門關(guān)閉過程中，當(dāng)車門到達(dá)門洞中間位置時(shí)，車門關(guān)門速度V≤1 m/s，車門能夠鎖止，為微車車門關(guān)閉舒適性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。經(jīng)過使用工況比較，專用汽車推拉門關(guān)門工況與微車中門關(guān)門工況一致，對(duì)專用汽車推拉門也采用車門關(guān)閉速度這一評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)車門關(guān)閉速度V的取值方法以提升產(chǎn)品品質(zhì)為導(dǎo)向，在試驗(yàn)與方程計(jì)算中取小值。

2.2.1 車門關(guān)閉速度試驗(yàn)[1]

根據(jù)體重選出輕、中、重試驗(yàn)人員若干，在沒有安裝門洞密封條的樣車上模擬關(guān)門，通過試驗(yàn)儀器測得試驗(yàn)人員感覺較為舒適的關(guān)門速度，每人3次取平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車門關(guān)閉速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（部分）

2.2.2 繪制直方圖

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制直方圖，如圖1所示，可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

圖1 數(shù)據(jù)分布直方圖

2.2.3 關(guān)門速度計(jì)算

根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律，列出試驗(yàn)樣本滿足方程式，正態(tài)分布曲線見圖2。

圖2 正態(tài)分布曲線

汽車車身附件的設(shè)計(jì)通常須滿足95%用戶的使用需求，求解V即為95%的用戶感覺舒服的關(guān)門速度范圍。關(guān)門速度求解示意圖圖3所示，方程如下：

圖3 關(guān)門速度求解示意圖

解得V=1.2 m/s。

由車門關(guān)閉速度試驗(yàn)驗(yàn)證可知，95%的用戶可以接受的關(guān)閉速度為1.2 m/s，小于1.2 m/s則更佳。為提高產(chǎn)品品質(zhì)，將關(guān)門速度引入專用汽車推拉門評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值設(shè)定為V≤1 m/s，保證95%以上的用戶對(duì)關(guān)門速度滿意。

2.3 產(chǎn)品零件構(gòu)成

專用汽車推拉門由車門FRP外板、車門玻璃、鋁合金內(nèi)飾蓋板、車門框架總成及車門附件組成。圖4所示為專用汽車推拉門零部件組成爆炸圖。

圖4 專用汽車推拉門產(chǎn)品組成爆炸圖

3 產(chǎn)品斷面設(shè)計(jì)

3.1 鉸鏈斷面設(shè)計(jì)

鉸鏈導(dǎo)軌斷面尺寸為49 mm×38 mm，料厚為2 mm。圖5為車門鉸鏈斷面圖。

圖5 車門鉸鏈斷面

3.2 門洞密封斷面設(shè)計(jì)

為減少車門推拉過程中車門對(duì)密封條的摩擦，減小開關(guān)門力，車門采取梯形斷面，外表面平行于后圍。設(shè)計(jì)要求保證車門外表面與駕駛室整體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，確保車門密封性，減小開關(guān)門力，提升用戶舒適性。圖6為車門門洞密封斷面圖。

圖6 車門門洞密封斷面圖

3.3 窗口橫向斷面設(shè)計(jì)

車門與門洞密封條形成面密封。后圍粘接一道密封條，駕駛室內(nèi)部不可見，當(dāng)車門關(guān)閉時(shí)形成密封，提升美觀性的同時(shí)提高密封性能。圖7為窗口橫向斷面圖。

圖7 窗口橫向斷面圖

3.4 門鎖斷面設(shè)計(jì)

門鎖實(shí)現(xiàn)雙側(cè)鎖止功能，保證車門能夠在關(guān)閉和全開狀態(tài)下鎖止；門鎖集成內(nèi)外把手和鎖芯，操作簡單，集成性強(qiáng)。圖8為門鎖斷面圖。

圖8 門鎖斷面圖

3.5 下裝配導(dǎo)軌斷面設(shè)計(jì)

下裝配導(dǎo)軌采用POM材料，自潤滑性好，內(nèi)襯金屬骨架，通過螺栓連接固定在后圍上，拆裝方便，牢固可靠。圖9為下裝配導(dǎo)軌斷面圖。

3.6 緩沖塊斷面設(shè)計(jì)

緩沖塊采用橡膠材料，當(dāng)車門開啟時(shí)可以緩解車門的慣性沖擊，起到保護(hù)車門及門鎖的作用。圖10為緩沖塊斷面圖。

圖9 下裝配導(dǎo)軌斷面圖

圖10 緩沖塊斷面圖

4 車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 車門金屬框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖11所示為車門金屬框架爆炸圖，表2為車門金屬框架構(gòu)件清單，金屬框架總質(zhì)量為13.8 kg。

4.2 車門附件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后車門附件包括車門玻璃、門鎖、鎖環(huán)、鉸鏈、緩沖塊、下裝配導(dǎo)軌、門洞密封條和后圍密封條。其中，車門關(guān)閉力大小的影響因素，密封條可占到20%～50%[5]，同時(shí)具有緩沖關(guān)門沖擊，減輕汽車在行車過程中振動(dòng)的作用[6]。車門附件總質(zhì)量為26 kg。

表2 金屬框架構(gòu)件清單

圖12 車門附件圖

5 CAE分析

CAE分析使用Nastran軟件完成。導(dǎo)軌材料采用St12冷軋鋼，料厚2 mm。約束鉸鏈導(dǎo)軌和下裝配導(dǎo)軌，對(duì)車門中梁Z向加載500 N（如圖13），經(jīng)CAE分析后，導(dǎo)軌的最大應(yīng)力為56.08 MPa，最大位移0.021 mm（如圖14）。

約束鉸鏈導(dǎo)軌和下裝配導(dǎo)軌，對(duì)車門中梁X向加載500 N（如圖15），經(jīng)CAE分析后，導(dǎo)軌的最大應(yīng)力為87.31 MPa，最大位移0.121 mm（如圖16）。對(duì)Z和X向的加載分析，導(dǎo)軌的應(yīng)力和位移都較小，滿足使用要求。

圖13 CAE分析結(jié)果a

圖14 CAE分析結(jié)果b

圖15 CAE分析結(jié)果c

圖16 CAE分析結(jié)果d

6 計(jì)算驗(yàn)證

以往車門設(shè)計(jì)開發(fā)模式，評(píng)價(jià)指標(biāo)通常是在產(chǎn)品試制階段，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證確定產(chǎn)品是否滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)高，時(shí)間長，成本高。通過專用汽車推拉門已知的零件參數(shù)，利用數(shù)學(xué)方法對(duì)專用汽車推拉門最小關(guān)門速度V進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)，求得評(píng)價(jià)指標(biāo)的理論計(jì)算方法，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段得知車門的關(guān)閉速度，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

影響專用汽車推拉門關(guān)閉速度的因素包括車門結(jié)構(gòu)、自重、鉸鏈、門鎖、導(dǎo)軌、緩沖塊、氣阻效應(yīng)、密封條及使用環(huán)境等[8]，其中，車門自重、密封條、導(dǎo)軌和氣阻效應(yīng)對(duì)其影響最大，在不考慮氣阻效應(yīng)和其他附件影響的條件下，利用密封條、導(dǎo)軌和車門自重對(duì)車門關(guān)閉的阻力所做負(fù)功進(jìn)行推導(dǎo)，求取專用車推拉門最小關(guān)門速度V。計(jì)算推導(dǎo)過程如下：

密封斜面與車門外表面的斜度控制在3°以內(nèi)，從門洞密封條與車門接觸到車門關(guān)閉，車門通過的長度為總通過長度（車門寬度）的三分之一左右為宜，否則將影響車門厚度，占用車內(nèi)空間。

6.1 門洞密封條做功推導(dǎo)

門洞密封條做功示意如圖17、18所示，門洞密封條橫向長度為L，豎向長度為H；假設(shè)車門推拉時(shí)，當(dāng)門洞密封條與車門剛接觸時(shí)，門洞密封條與車門未接觸長度為b，當(dāng)車門關(guān)閉時(shí)門洞密封條壓縮量為a，當(dāng)門洞密封條壓縮量為x時(shí)，門洞密封條與車門接觸長度為L－b+y，車門關(guān)閉時(shí)門洞密封條每米長度的正壓力為C，則：

根據(jù)試驗(yàn)得知，門洞密封條每米長度正壓力與壓縮量可以簡化成成線性比例關(guān)系，圖19所示。

圖17 車門運(yùn)動(dòng)俯視圖

圖18 門洞密封條示意圖

圖19 門洞密封條每米長度正壓力與壓縮量關(guān)系圖

可列公式求得門洞密封條上下兩端對(duì)車門的阻力所做的功：

式中，F(xiàn)橫壓為當(dāng)門洞密封條壓縮量為x時(shí)，門洞密封條上下兩端作用在車門的正壓力；μ2為車門與門洞密封條的橫向摩擦系數(shù)；F橫阻為當(dāng)門洞密封條壓縮量為x時(shí)，門洞密封條上下兩端作用在車門上的阻力；W橫為車門關(guān)閉過程中，門洞密封條上下兩端對(duì)車門的阻力所做的功。

設(shè)豎向門洞密封條與車門接觸到車門關(guān)閉的行程為U，如圖20所示。則當(dāng)門洞密封條的壓縮量為x時(shí)，可以求得車門關(guān)閉過程中，門洞密封條左右兩端對(duì)車門的阻力所做的功。

式中，μ1為車門與門洞密封條的豎向摩擦系數(shù)；F豎壓為當(dāng)門洞密封條壓縮量為x時(shí)，門洞密封條左右兩端作用在車門上的正壓力；F豎阻為當(dāng)門洞密封條壓縮量為x時(shí)，門洞密封條左右兩端作用在車門上的阻力；W豎為車門關(guān)閉過程中，門洞密封條左右兩端對(duì)車門的阻力所做的功。

圖20 豎向門洞密封條剖面示意圖

6.2 后圍密封條做功推導(dǎo)

根據(jù)試驗(yàn)得知，后圍密封條每米長度正壓力與壓縮量可以簡化成線性比例關(guān)系，如圖21所示。設(shè)當(dāng)車門關(guān)閉時(shí)后圍密封條壓縮量為d，此時(shí)后圍密封條每米長度的正壓力為E，后圍密封條與車門的接觸長度為S，則可以求得后圍密封條對(duì)車門的阻力所做的功：

式中，F(xiàn)側(cè)為當(dāng)后圍密封條壓縮量為u時(shí)，后圍密封條作用在車門上的阻力；W側(cè)為車門關(guān)閉過程中，后圍密封條對(duì)車門的阻力所做的功。

圖21 后圍密封條每米長度正壓力與壓縮量關(guān)系圖

6.3 上導(dǎo)軌做功推導(dǎo)

根據(jù)阻力公式：

式中，F(xiàn)3為上導(dǎo)軌作用在車門上的阻力；m為車門整備質(zhì)量；g為重力加速度；μ3為車門鉸鏈軸承與上導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。得到上導(dǎo)軌對(duì)車門阻力所做的功為：

式中，W3為車門在門洞中間位置，車門關(guān)閉過程中，上導(dǎo)軌對(duì)車門的阻力所做的功。

6.4 下導(dǎo)軌做功推導(dǎo)

下導(dǎo)軌處受到的壓力F下壓為門洞密封條作用于車門壓力的一半，可得公式：

可以求得下導(dǎo)軌對(duì)車門的阻力所做的功為：

式中，μ4為車門與下導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)；F下阻為當(dāng)門洞密封條壓縮量為x時(shí)，下導(dǎo)軌作用在車門上的阻力；W下阻為車門關(guān)閉過程中，下導(dǎo)軌對(duì)車門的阻力所做的功。

6.5 求最小關(guān)門速度

根據(jù)動(dòng)能定理：

得到最小關(guān)門速度計(jì)算公式：

式中，L為門洞密封條橫向長度，L=0.515 m；H為門洞密封條豎向長度，H=1.68 m；b為門洞密封條與車門剛接觸時(shí)，門洞密封條與車門未接觸長度，b=0.206m；C為車門關(guān)閉時(shí)門洞密封條每米長度的正壓力，C=35 N/m；U為豎向門洞密封條與車門接觸到車門關(guān)閉的行程，U=0.022m；E為后圍密封條每米長度的正壓力，E=60 N/m；S為后圍密封條與車門的接觸長度，S=1.733 m；d為車門關(guān)閉時(shí)門側(cè)密封條壓縮量，d=0.006 m；m為車門整備質(zhì)量，m=26 kg；g為重力加速度，g=10 m/s2；μ為車門與門洞密封條的豎向摩擦系數(shù)，1μ1=0.72；μ2為車門與門洞密封條的橫向摩擦系數(shù)，μ2=0.68；μ3為車門鉸鏈軸承與上導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，μ3=0.04；μ4為車門與下導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，μ4=0.14。

將數(shù)值代入最小關(guān)門速度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，求得專用汽車推拉門關(guān)門速度V=0.8 m/s＜1 m/s，專用汽車推拉門設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語

文章以一港口專用牽引車駕駛室后車門的設(shè)計(jì)開發(fā)為案例，總結(jié)了專用汽車推拉門的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。通過車門關(guān)閉速度試驗(yàn)對(duì)專用汽車推拉門的關(guān)閉速度進(jìn)行求解，得到專用汽車推拉門關(guān)閉的舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)：最小關(guān)門速度V≤1 m/s，此值可作為此類產(chǎn)品的參考評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用到產(chǎn)品的品質(zhì)評(píng)價(jià)中，提升產(chǎn)品品質(zhì)。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到專用汽車推拉門最小關(guān)閉速度這一評(píng)價(jià)指標(biāo)的理論計(jì)算方法，可應(yīng)用于專用汽車推拉門評(píng)價(jià)指標(biāo)的理論設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)算，大幅度降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。設(shè)計(jì)開發(fā)人員對(duì)于類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)可引用借鑒。

[1]王典,柏 鐵彬,王 丹等.商用車門密封條對(duì)車門關(guān)閉舒適性影響的研究[J].汽車制造業(yè),2017(01/02):51-53.

[2]高文森.潘偉.大學(xué)數(shù)學(xué)-隨機(jī)數(shù)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]秦榮榮,崔可維.機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]楊蕾 ,張 淑敏 ,李應(yīng)軍.面向最優(yōu)關(guān)門能量的轎車車門設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造,2006.44(3):40-42.

[5]狄廷芳.轎車車門關(guān)閉能量優(yōu)化[J].上海汽車,2013(7):23-25.

[6]王海軍,張勇護(hù),張寶春.密封條壓縮力特性及耐重復(fù)性壓縮的測試[J].汽車制造業(yè),2008(12):86-87.

[7]杜 家政,隋允康,盧緒智等.MSC. Nastran軟件高級(jí)用戶入門指南及工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[8]劉亮,劉莉,冀晨超.汽車車門關(guān)閉力評(píng)價(jià)方法及影響因素[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2012(19):17-21.