萬長東， 魯春艷， 王 敏， 宋秦中， 朱 珠

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104； 2.江蘇省3C產(chǎn)品智能制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 蘇州 215104；3.蘇州六者汽車科技有限公司，江蘇 蘇州 215104)

0 引 言

車門鉸鏈作為汽車車門的關(guān)鍵部件，其設(shè)計、布置、強度與剛度關(guān)系到車門使用性能，一些工程師和學(xué)者做了一些相關(guān)研究，同濟大學(xué)的孫從周與雷雨成，介紹了車門設(shè)計方法和過程,包括內(nèi)外板、門鎖、鉸鏈布置，運動校核,玻璃升降器布置，車門玻璃的設(shè)計[1]。奇瑞商用車公司的張朝林，提出了車門鉸鏈軸線布置是設(shè)計人員需要考慮的重要因素，重點對車門鉸鏈軸線內(nèi)傾角設(shè)計要點進行了分析[2]。湖北文理學(xué)院的秦濤等，采用有限元分析計算得到對應(yīng)的剛度值[3]。江淮汽車的胡建鋒側(cè)開門鉸鏈類型選擇標準、設(shè)計性能要求、鉸鏈布置設(shè)計等進行了研究[4]。北京汽車的高尚鵬等，基于鉸鏈布置要素分析和斷面設(shè)計分析，提出一種依據(jù)分縫線前后限制邊界的鉸鏈設(shè)計布置方法[5]。同濟大學(xué)的劉漪青以某項目車門為例，在布置鉸鏈軸線以及鉸鏈位置時，需要綜合考慮鉸鏈間距、軸線傾角、車門開啟角度等各方面因素，同時還需滿足車門提升量、車門剛度以及車門運動校核等要求[6]。徐州工程學(xué)院于瓊，以某斷裂的汽車車門鉸鏈為研究對象,進行了失效分析，材料化學(xué)成分不達標、應(yīng)力狀態(tài)不理想是造成汽車車門鉸鏈斷裂的根本原因[7]。江淮汽車的王大鵬闡明了鉸鏈軸線傾角設(shè)計在某車型車門設(shè)計過程中的應(yīng)用方法與思路，論述了鉸鏈軸線傾角設(shè)計在車門系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中的重要性[8]。一汽的王丹，基于行業(yè)標準及有限元仿真分析，進行某輕型車后門鉸鏈、鉸鏈加強板、后門鈑金結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[9]。江淮汽車的李文璽介紹了在造型設(shè)計階段基于造型CAS面的車門鉸鏈布置方法及其評價指標，同時基于產(chǎn)品制造公差進行車門鉸鏈布置和車門分縫布置分析校核[10]。

上述研究主要集中在車門鉸鏈的設(shè)計與布置，對其力學(xué)性能驗證的文獻較少，筆者首先進行鉸鏈的軸線、鉸鏈間距等方面的布置，并進行運動校核，進而依據(jù)國標進行承載計算。最終表明鉸鏈設(shè)計與布置結(jié)果滿足設(shè)計要求，為進一步開發(fā)提供了重要參考。

1 車門鉸鏈概述

(1) 車門鉸鏈基本構(gòu)成

車門鉸鏈是與車門和車身相聯(lián)接，能夠繞上下方向的同一軸線回轉(zhuǎn)且相互結(jié)合部件的總稱。

如圖1，車門上下鉸鏈，由固定件、旋轉(zhuǎn)件和鉸鏈銷三部分組成。旋轉(zhuǎn)件通過螺栓與車門相連接，固定件與車身相連接。在車門開閉過程中旋轉(zhuǎn)件和車門圍繞鉸鏈軸做旋轉(zhuǎn)運動。固定件對車門要求有限位保護作用。鉸鏈軸和轉(zhuǎn)動件間裝有軸套，鉸鏈軸套采用高耐磨材料制成。

圖1 車門鉸鏈結(jié)構(gòu)圖

(2) 車門鉸鏈布置要求

車門鉸鏈是車門總成中的受力構(gòu)件也是運動構(gòu)件，當(dāng)車門關(guān)閉時，車門上的承力件為門鎖和鉸鏈；當(dāng)打開車門時，車門的重力完全由鉸鏈來承受。鉸鏈軸線的布置會影響車門的開度、門柱的尺寸、以及車門開縫線的位置和形狀。

鉸鏈的布置設(shè)計包括鉸鏈軸線的確定、鉸鏈間距確定和開啟角度的確定三個步驟。在鉸鏈布置設(shè)計中，鉸鏈軸線確定和鉸鏈間距是重要的設(shè)計硬點。

在布置鉸鏈時，應(yīng)注意以下幾方面的問題：①根據(jù)外表面及車門分縫，確定鉸鏈軸線；②鉸鏈軸線布置越靠近車門外板和車門前端就越有利，避免干涉；軸線越靠近車門前端，門旋轉(zhuǎn)時，其對A、B柱的侵入量就越??；③車門繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)的過程中，保證車門與翼子板的間隙在3.5 mm以上；④車門上下鉸鏈的跨距應(yīng)大于車門橫向長度的1/3；⑤車門上下鉸鏈一定要同軸；⑥鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線一般都會要求有一定的內(nèi)傾角和前傾角，角度一般在1°～3°，來保證車門足夠的開度，而且可以避免車門打開的時候碰撞到路邊的臺階；使車門有自關(guān)力。

2 車門鉸鏈軸線的確定

根據(jù)以上布置要求，對車門鉸鏈軸線進行確定。鉸鏈軸線在整車坐標下的XZ和YZ平面內(nèi)的位置是確定的，因此分別對軸線在兩個平面上的投影線進行拉伸得到兩個面，這兩個面相交線即為鉸鏈的軸線。在設(shè)計過程中做兩條投影線時，要按照以上講述的原則和要求進行約束，如圖2，XZ平面上鉸鏈軸線與垂直方向夾角為α，YZ平面上鉸鏈軸線與垂直方向夾角β。最后按前述布置鉸鏈的注意事項，要通過不斷地調(diào)整這兩條直線的位置來得到合適的鉸鏈軸線，如圖3所示。通過上述布置設(shè)計得到鉸鏈軸線的布置結(jié)果：軸線內(nèi)傾角3°，后傾角3°。

圖2 XZ平面與YZ平面鉸鏈軸線夾角

圖3 鉸鏈軸線 圖4 鉸鏈間距

3 鉸鏈間距的確定

如果鉸鏈布置空間允許，鉸鏈間距設(shè)置得越大越好。越大，鉸鏈在“X”縱向方向上受力越小，同時，也可以有效地防止門下垂。但實際設(shè)計中，由于受到各種條件的制約，比如車身、A柱、B柱的形狀等，常導(dǎo)致鉸鏈間距無法設(shè)置得足夠大；

但經(jīng)驗表明，鉸鏈間距Lh與鉸鏈鎖柱間距Ld的比值不小于1/3。如圖4所示。

則：

式中：Lh=404 mm，Ld=957 mm。

4 鉸鏈運動仿真校核

在車門開閉過程中，可能出現(xiàn)的干涉位置只有前門與A柱翼子板、門與鉸鏈。在裝配設(shè)計模塊對可能出現(xiàn)干涉的位置做剖面，然后在DMU運動機構(gòu)模塊將車門沿中心線旋轉(zhuǎn)，從圖中可以得知車門和A柱翼子板間有足夠的安全距離。如圖5～7所示，經(jīng)過上述校核過程，得出鉸鏈的布置結(jié)果符合要求。

圖5 鉸鏈YZ平面剖面 圖6 鉸鏈XY平面剖面(車門關(guān)閉)

5 車門鉸鏈的承載計算

(1) 邊界條件

按照國標《GB 15086-2013 汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》，規(guī)定每個門鉸鏈系統(tǒng)應(yīng)承受11 110 N縱向負荷，不能脫開；每個門鉸鏈系統(tǒng)應(yīng)能承受9 000 N的橫向載荷和11 000 N的縱向載荷，與車身連接鉸鏈座固定，如圖8所示。

圖7 鉸鏈XY平面剖面(車門開啟) 圖8 車門上下鉸鏈受力情況

(2) 材料參數(shù)

鉸鏈座和鉸鏈板的材料為汽車結(jié)構(gòu)鋼SAPH440，軸等零件材料為45#鋼，如表1所列。

表1 鉸鏈結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

(3) 網(wǎng)格劃分

如圖9所示，鉸鏈構(gòu)件劃分網(wǎng)格，單元尺寸按2 mm進行控制，采用高階單元，單元以六面體為主，網(wǎng)格數(shù)量64 659，節(jié)點數(shù)量186842。

圖9 鉸鏈單元網(wǎng)格

(4) 有限元計算結(jié)果

①X向載荷工況下的結(jié)果 如圖10所示，上鉸鏈最大應(yīng)力366 MPa，如圖11上鉸鏈軸最大應(yīng)力246 MPa。如圖12上鉸鏈軸最大應(yīng)力127 MPa，下鉸鏈軸最大應(yīng)力224 MPa。

圖10 上鉸鏈X方向載荷應(yīng)力結(jié)果 圖11 下鉸鏈X向載荷應(yīng)力結(jié)果

圖12 上下鉸鏈軸X方向載荷應(yīng)力結(jié)果

②Y向載荷工況下的結(jié)果 如圖13所示，上鉸鏈最大應(yīng)力126 MPa，如圖14，下鉸鏈最大應(yīng)力118 MPa，如圖15，上鉸鏈軸最大應(yīng)力149 MPa，下鉸鏈軸最大應(yīng)力115 MPa。

圖13 上鉸鏈Y方向載荷應(yīng)力結(jié)果 圖14 下鉸鏈Y方向載荷應(yīng)力結(jié)果

圖15 上下鉸鏈軸X方向載荷應(yīng)力結(jié)果

對表2所列，三種工況(XYZ向)進行比較，可以看到三種工況剛度及強度均能夠滿足評價要求。

表2 鉸鏈強度比較分析

6 結(jié) 論

通過對車門鉸鏈軸線及間距重要參數(shù)進行布置設(shè)計，然后開展強度剛度計算，最終滿足了鉸鏈設(shè)計布置及力學(xué)性能要求，為進一步產(chǎn)品開發(fā)提供了較好的設(shè)計依據(jù)。

(1) 鉸鏈軸線決定著內(nèi)傾角及前傾角，對車門的回正和承載等有重要影響，鉸鏈軸線的布置結(jié)果為軸線內(nèi)傾角3°，后傾角3°。

(2) 上下鉸鏈間距，對車門剛度有重要影響，鉸鏈間距Lh與鉸鏈鎖柱間距Ld的比值為0.42，滿足了不小于1/3的要求。

(3) 鉸鏈在承受縱向和橫向載荷時，鉸鏈及鉸鏈軸滿足了鉸鏈滿足了國標GB15086-2013對鉸鏈的強度要求。