面向垂直剛度的輕型車后門性能設(shè)計(jì)

王 丹，程 普，楊宇佳，崔 岸

（1.中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)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(huì)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(huì)造成漏風(fēng)、滲水、行駛過程中車門振動(dòng)及噪聲等問題，這都將對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)為：將帶鉸鏈的車門焊接總成固定在剛性臺(tái)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(tái)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(huì)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(duì)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(dòng)卡板鎖、一道密封、電動(dòng)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(duì)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(duì)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(tái)架試驗(yàn)

首先進(jìn)行700P樣車后車門總成垂直剛度臺(tái)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(tái)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(cè)定z向位移，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果見表1，按企業(yè)評(píng)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(tái)架試驗(yàn)

表1 700P后車門垂直剛度試驗(yàn)結(jié)果

由于對(duì)標(biāo)車型垂直剛度值較低，處于企業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值，對(duì)于A車產(chǎn)品開發(fā)，需首先確定合理的目標(biāo)值?？紤]到輕型車使用環(huán)境普遍較好，上下車不存在拉拽等錯(cuò)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(tái)架試驗(yàn)

700P后門鉸鏈總成活動(dòng)頁(yè)板為10 mm等厚鋼板，與鉸鏈軸套焊接形成單耳頁(yè)板，雙耳頁(yè)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(duì)鉸鏈總成進(jìn)行了垂直剛性臺(tái)架試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 700P后車門鉸鏈總成垂直剛度臺(tái)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(cè)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(yè)板在車身系x方向存在偏差，單耳頁(yè)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(yè)板x方向偏差對(duì)鉸鏈垂直剛度的影響可忽略不計(jì)。將鉸鏈的單耳頁(yè)板簡(jiǎn)化成圖5所示的剛架懸臂梁結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)比

圖5 鉸鏈單耳頁(yè)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)照簡(jiǎn)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(dòng)頁(yè)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(dòng)頁(yè)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(yè)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(duì)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(duì)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(wú)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(tái)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(duì)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(duì)標(biāo)車型700P鉸鏈間距為435 mm，后門垂直剛度臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)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(duì)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(duì)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(tái)架試驗(yàn)分析對(duì)比

圖12 A車后車門垂直剛度臺(tái)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(píng)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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