某轎車(chē)車(chē)門(mén)防撞梁和鉸鏈的優(yōu)化分析

夏 威，占 州，賴(lài)福林

（九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西 九江332005）

0 引言

車(chē)門(mén)作為車(chē)身的關(guān)鍵組件，是汽車(chē)車(chē)身上的一個(gè)極其重要的總成。車(chē)門(mén)連接車(chē)內(nèi)乘客與外部，從人機(jī)工程方面考慮，車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)對(duì)汽車(chē)的舒適性和安全性來(lái)說(shuō)有著巨大的影響。乘用車(chē)車(chē)門(mén)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度，保證應(yīng)對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)的耐沖擊力以及與側(cè)碰時(shí)的耐撞性力等，不至于發(fā)生嚴(yán)重變形，影響安全性能。因此，在保證車(chē)門(mén)剛度和強(qiáng)度以及各項(xiàng)性能的前提條件下，滿(mǎn)足車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，就顯得十分重要[1]。本文進(jìn)行的前車(chē)門(mén)防撞梁和鉸鏈的優(yōu)化分析，目的是為了使車(chē)門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，性能更加優(yōu)越，在滿(mǎn)足車(chē)門(mén)質(zhì)量的前提下，使其剛度及強(qiáng)度達(dá)到要求。

1 防撞梁和鉸鏈的結(jié)構(gòu)分析

車(chē)門(mén)一般由車(chē)門(mén)門(mén)體、車(chē)門(mén)附件和車(chē)門(mén)內(nèi)飾三部分組成[2]，本文主要針對(duì)前車(chē)門(mén)體的防撞梁和車(chē)門(mén)附件的鉸鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 車(chē)門(mén)防撞梁

車(chē)門(mén)防撞梁是指在車(chē)門(mén)內(nèi)部加上橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是用來(lái)加強(qiáng)車(chē)輛側(cè)面剛度、強(qiáng)度，提高防撞抵抗的能力，以提升側(cè)面安全性能。查資料可得圓截面的吸能效果最好，因此采用圓管結(jié)構(gòu)，根據(jù)車(chē)門(mén)內(nèi)外板的長(zhǎng)度和附件的布置設(shè)計(jì)，防撞梁長(zhǎng)度取為1 011 mm，一般其截面半徑為33～36 mm，取R=35 mm，厚度為2 mm，兩端通過(guò)連接件焊接在門(mén)內(nèi)部上。

本文中前車(chē)門(mén)防撞梁采用08Al優(yōu)質(zhì)碳素鋼材料，在進(jìn)行防撞桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證時(shí)，汽車(chē)受到側(cè)撞時(shí)可看成一個(gè)剛性物體對(duì)車(chē)門(mén)以及車(chē)門(mén)內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行擠壓，故沖擊力的大小可以約等于在撞擊接觸面上受到的擠壓力，根據(jù)動(dòng)量守恒定律得，該力的計(jì)算公式為：

式中：Fq為側(cè)面碰撞中的撞擊局部的接觸力，單位為N。

m為撞擊車(chē)輛的質(zhì)量與駕駛員質(zhì)量之和；本文所選汽車(chē)質(zhì)量為1 515 kg；人的質(zhì)量取正常成人的體重，取駕駛員的質(zhì)量65 kg，故m=1 580 kg。

v為撞擊速度：在高速碰撞情況下，碰撞速度取1 201 km/h，即 33 m/s。

t為撞擊時(shí)間：正常情形下汽車(chē)撞擊的時(shí)間短，作用時(shí)間取為120 ms。

根據(jù)上述取值，并代入（1）中得，

根據(jù)材料力學(xué)對(duì)桿類(lèi)零件強(qiáng)度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：

其中，接觸截面的應(yīng)力計(jì)算公式如下所示：

A為圓管截面的面積，將R=35 mm，t=2 mm，r=R-t=33 mm，故本文中防撞桿截面面積計(jì)算公式如下所示：A= π（R2-r2）= π（352-332）＝427.04 mm2

將 Fq＝ 434 500 N，A=427.04 mm2，其中，根據(jù)所選材料代入式（2）得，

通過(guò)驗(yàn)證，本文中的防撞梁桿在汽車(chē)高速碰撞時(shí)，不會(huì)發(fā)生斷裂而失去吸收撞擊能的作用，符合許用應(yīng)力要求，因此防撞梁設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

1.2 車(chē)門(mén)鉸鏈

上、下兩個(gè)鉸鏈將車(chē)門(mén)安裝在門(mén)柱上，實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)與門(mén)柱的連接。在車(chē)門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下，由兩個(gè)鉸鏈、門(mén)鎖及定位器共同支撐車(chē)門(mén)重力，而在車(chē)門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下，由鉸鏈來(lái)支撐車(chē)門(mén)的全部重力。鉸鏈軸線(xiàn)的布局位置會(huì)改變車(chē)門(mén)的開(kāi)度大小，上、下鉸鏈的間距L與車(chē)門(mén)長(zhǎng)度Z之比為L(zhǎng)/Z＜1/3，而且上鉸鏈的上部與下鉸鏈的下部之間的距離≥330 mm[3]。

下式中F1表示作用在車(chē)門(mén)手柄上沿豎直方向的分力，F(xiàn)2、F3分別表示作用在鉸鏈處的沿水平和豎直兩個(gè)方向的分力，G為車(chē)門(mén)重力。

由材料力學(xué)理論得，可忽略剪應(yīng)力F3的作用，則下鉸鏈處的應(yīng)力可表示以下形式為：

由式（6），車(chē)門(mén)外型和附件設(shè)計(jì)基本確定后，F(xiàn)1、G、a、b為定值。為減小σ1，只有加大鉸鏈中心線(xiàn)高度，或加大鉸鏈的橫截面積[4]。當(dāng)F2減小時(shí)，σ1減小，則鉸鏈提高，有利于防止車(chē)門(mén)的下垂。一般情況下，L=300-500 mm，本文取為415 mm，Z/L約為0.345，稍大于1/3。本設(shè)計(jì)中F1=（17.9±1.4）N，取為18 N，h=12 mm，a=660 mm，b=1 000 mm，l=50 mm，將數(shù)據(jù)代入公式（4）、（5）、（6）得：

2 車(chē)門(mén)易損件的優(yōu)化分析

2.1 車(chē)門(mén)易損件的三維模型的建立

車(chē)門(mén)防撞梁結(jié)構(gòu)通過(guò)的拉伸、抽殼即可得到其三維模型，如圖1所示。其兩端連接部分為鈑金件可由沖壓命令得到。車(chē)門(mén)鉸鏈分為三部分分別為上部、下部和連接銷(xiāo)釘。在零件設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用草圖編輯器繪制基本輪廓，再通過(guò)拉伸、凹槽、抽殼等命令得到三維模型，然后在轉(zhuǎn)配設(shè)計(jì)中按相對(duì)位置進(jìn)行裝配，從而得到鉸鏈的三維模型。如圖2所示。

圖1 車(chē)門(mén)防撞梁的三維模型

圖2 車(chē)門(mén)鉸鏈的三維模型

2.2 車(chē)門(mén)防撞梁的優(yōu)化分析

將車(chē)門(mén)防撞梁導(dǎo)入至ANSYS軟件中進(jìn)行線(xiàn)性靜力結(jié)構(gòu)分析，本文所建立的車(chē)門(mén)防撞梁網(wǎng)格單元體尺寸設(shè)置為10 mm，四邊形形狀。可得車(chē)門(mén)防撞梁在受載荷101.75 MPa下，車(chē)門(mén)防撞梁的主要應(yīng)力、應(yīng)變變形在中部和兩端位置，最大變形位移為2.596 mm，受到的最大應(yīng)力為511 450 MPa，如圖3，4所示。為加強(qiáng)剛度，可在防撞梁兩端設(shè)置加強(qiáng)板，中部設(shè)置支承部件，以減少振動(dòng)和變形[5]。

圖3 車(chē)門(mén)防撞梁的應(yīng)力分析云圖

圖4 車(chē)門(mén)防撞梁的應(yīng)變分析云圖

2.3 車(chē)門(mén)鉸鏈的優(yōu)化分析

本文所建立的鉸鏈的劃分為六面體網(wǎng)格，鉸鏈?zhǔn)┘蛹s束和載荷的方法與防撞梁相似，分別在上、下鉸鏈上設(shè)置固定約束，并在鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)板處施加一個(gè)Z方向的-150 N的力，即承受車(chē)門(mén)豎直向下的自身重力，鉸鏈在承受車(chē)門(mén)自重150 N后，上鉸鏈的最大應(yīng)變位移為2.27×10-4mm，下鉸鏈的最大應(yīng)變位移為1.76×10-4mm，如圖5、圖6所示。上鉸鏈的最大應(yīng)力為45.06 MPa，下鉸鏈的最大應(yīng)力為35.19 MPa。上下鉸鏈的應(yīng)力集中在銷(xiāo)軸位置，且其值遠(yuǎn)小于鉸鏈許用應(yīng)力值280 MPa，如圖7、圖8所示。

圖5 上鉸鏈的應(yīng)變分析云圖

圖6 下鉸鏈的應(yīng)變分析云圖

圖7 上鉸鏈的應(yīng)力分析云圖

由于車(chē)門(mén)鉸鏈在車(chē)門(mén)的頻繁開(kāi)啟和關(guān)閉中，在這種循環(huán)載荷的作用下就有可能會(huì)出現(xiàn)疲勞失效，故對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析，可得車(chē)門(mén)上、下鉸鏈的壽命分析云圖，如圖9、圖10所示，本文采用結(jié)構(gòu)鋼的鉸鏈的疲勞壽命均為次，達(dá)到鉸鏈耐久性的要求。

圖9 下鉸鏈壽命分析云圖

圖10 下鉸鏈壽命分析云圖

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)從安全性出發(fā)，進(jìn)行汽車(chē)前車(chē)門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證駕乘人員的安全。通過(guò)分析車(chē)門(mén)易損件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布，很好地改善車(chē)門(mén)易損件的結(jié)構(gòu)。前車(chē)門(mén)的安全設(shè)計(jì)對(duì)駕乘人員有重要的保護(hù)作用，具有一定的意義。