鈑金式側(cè)門(mén)鉸鏈結(jié)構(gòu)形式與車(chē)門(mén)垂直剛度分析

滕平

【摘 要】文章分析汽車(chē)側(cè)門(mén)垂直剛度的影響因素，并重點(diǎn)分析鈑金式側(cè)門(mén)鉸鏈各結(jié)構(gòu)形式對(duì)車(chē)門(mén)垂直剛度的影響情況。對(duì)于鈑金式側(cè)門(mén)鉸鏈，文章首先分析了鉸鏈力臂、鉸鏈板材厚度、鉸鏈翻邊對(duì)車(chē)門(mén)垂直剛度影響的情況，并給出了定性分析結(jié)果及優(yōu)化方向。然后運(yùn)用Hypermesh和Nastran虛擬分析軟件，設(shè)定特定的約束、加載和測(cè)量方法，對(duì)鉸鏈安裝孔組的位置、鉸鏈加強(qiáng)筋的形式及位置在同等外部條件下進(jìn)行定量分析，為側(cè)門(mén)鉸鏈平臺(tái)化運(yùn)用提供了理論支撐。

【關(guān)鍵詞】側(cè)門(mén)鉸鏈;垂直剛度;車(chē)門(mén);鈑金

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）05-0045-03

1 汽車(chē)側(cè)門(mén)垂直剛度影響因素

汽車(chē)的側(cè)門(mén)（這里指前門(mén)和中門(mén)）除了要滿(mǎn)足人員進(jìn)出、車(chē)輛密封外，還需要有一定的強(qiáng)度和剛度保證車(chē)門(mén)的長(zhǎng)時(shí)間使用而不損壞。在各種剛度要求中，車(chē)門(mén)的垂直剛度尤為重要，它直接影響到車(chē)門(mén)長(zhǎng)時(shí)間使用后能否順利關(guān)閉。為了保證車(chē)門(mén)垂直剛度的實(shí)現(xiàn)，必須用系統(tǒng)性方法來(lái)處理各種零件的設(shè)計(jì)關(guān)系。從目前絕大部分汽車(chē)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，可以從如下幾個(gè)方面提升車(chē)門(mén)垂直剛度。

（1）白車(chē)門(mén)的剛度。重點(diǎn)考慮車(chē)門(mén)鉸鏈加強(qiáng)板與車(chē)門(mén)內(nèi)板、防撞桿、窗臺(tái)加強(qiáng)板及門(mén)鎖加強(qiáng)板的布置形式及各自的結(jié)構(gòu)形式。

（2）白車(chē)身的剛度。要保證A柱和B柱的腔體尺寸，如有條件可以適當(dāng)加大熱成型板材的使用量。

（3）鉸鏈的剛度。鉸鏈本身的結(jié)構(gòu)，比如力臂長(zhǎng)短、板材厚度、翻邊、安裝孔的位置、加強(qiáng)筋的形式及布置方向都會(huì)對(duì)鉸鏈的剛度產(chǎn)生重大影響。

（4）車(chē)門(mén)上、下鉸鏈的分布率。在車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)布置中，車(chē)門(mén)上、下鉸鏈的相對(duì)距離越遠(yuǎn)，其鉸鏈分布率越小，那么車(chē)門(mén)的垂直剛度越好。但是考慮到造型因素的影響，鉸鏈分布率也不能設(shè)計(jì)得過(guò)小，一般小于2.7為宜。

本文主要分析不同的鈑金式鉸鏈（也稱(chēng)為沖壓鉸鏈）結(jié)構(gòu)形式對(duì)側(cè)門(mén)垂直剛度的影響。

2 鈑金式側(cè)門(mén)鉸鏈結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)門(mén)垂直剛度的影響

2.1 鉸鏈力臂

鉸鏈力臂分L1力臂和L2力臂（如圖1所示）。 L1力臂是指鉸鏈軸線到車(chē)身側(cè)合頁(yè)的投影距離，投影方向按車(chē)身側(cè)合頁(yè)鉸鏈螺栓安裝面的法向方向。L2力臂是指鉸鏈軸線到車(chē)身車(chē)合頁(yè)上的鉸鏈安裝孔在X方向上的投影距離。L1和L2力臂，就是材料力學(xué)上所提到的懸臂梁結(jié)構(gòu)。

從力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，力臂L1越小剛度越好，結(jié)構(gòu)越緊湊。但是力臂變小以后，鉸鏈本身對(duì)造型的適應(yīng)能力就會(huì)下降：主要體現(xiàn)在力臂變小以后，如果車(chē)型的側(cè)門(mén)造型面的上、下方向和Y向尺寸落差大，此時(shí)為了滿(mǎn)足車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)的運(yùn)動(dòng)間隙，那么車(chē)門(mén)前后方向處的分縫從側(cè)門(mén)看是扭曲的（主要是鉸鏈安裝區(qū)域），外觀感知質(zhì)量差。所以，鉸鏈力臂不能太小，當(dāng)然力臂也不能太大，否則剛度難以保證。一般來(lái)說(shuō)，力臂L1按40～55 mm設(shè)計(jì)的性?xún)r(jià)比會(huì)更高;如果一定要使用大于55 mm懸臂的鉸鏈，此時(shí)使用鍛造鉸鏈更符合要求。力臂L2也是越小剛度越好，不過(guò)L2不能無(wú)限變小。力臂L2主要受到鉸鏈安裝工具的操作空間及鉸鏈本身結(jié)構(gòu)限制。在同等條件下，力臂L1每增加5 mm，車(chē)門(mén)的垂直剛度值會(huì)變差8%左右;力臂L2每增加1 mm，車(chē)門(mén)的垂直剛度值會(huì)變差0.7%左右。

2.2 鉸鏈板材厚度

鉸鏈板材厚度對(duì)剛度會(huì)有影響，但是不完全是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。在某些情況下，板材厚度是剛度敏感因素，而某些情況下則不是。此外，鉸鏈板材越厚，沖壓成型越難。綜合考慮，鉸鏈板材取4.0～5.0 mm為宜，同時(shí)配合使用抗拉強(qiáng)度不小于400 MPa的材料，效果會(huì)更好。

2.3 鉸鏈翻邊

在鈑金件設(shè)計(jì)中，鈑金的翻邊對(duì)剛度的提升會(huì)起到事半功倍的效果，也是最常用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案。但是，不是所有的地方加翻邊都會(huì)有同樣的效果，具體情況還需具體分析。例如，圖1的零件就應(yīng)根據(jù)CAE分析的應(yīng)力分布圖（如圖2所示）來(lái)增加翻邊。

由圖2中的應(yīng)力分布圖可知，對(duì)于高應(yīng)力區(qū)，在零件沖壓成型和運(yùn)動(dòng)避讓允許的情況下，翻邊能加多高就加多高，最小應(yīng)保證12 mm。為此，在做此處的翻邊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)事先做好其他區(qū)域?qū)Υ颂幍募s束邊界，然后根據(jù)這些邊界重新擬合此處鉸鏈翻邊的切邊線。

對(duì)于圖2中的低應(yīng)力區(qū)，翻邊高度對(duì)剛度影響不敏感，一般取6 mm即可，多了會(huì)增加成本，也不符合當(dāng)下輕量設(shè)計(jì)的要求。

2.4 鉸鏈安裝孔組的位置

對(duì)于目前常見(jiàn)的鈑金式鉸鏈，其門(mén)側(cè)合頁(yè)的安裝孔因距離鉸鏈軸線相對(duì)較近，其安裝孔的位置對(duì)于車(chē)門(mén)垂直剛度不敏感。所以，門(mén)側(cè)合頁(yè)的安裝孔一旦設(shè)計(jì)完成，后續(xù)新設(shè)計(jì)的鉸鏈一般都不會(huì)再更改安裝孔的位置。

車(chē)身側(cè)合頁(yè)上安裝孔距離軸線相對(duì)較遠(yuǎn)，這些安裝孔位置不同，車(chē)門(mén)垂直剛度也會(huì)有變化。但是，這些安裝孔因結(jié)構(gòu)的原因，其空間布置相對(duì)靈活。所以，我們可以通過(guò)調(diào)整這些安裝孔后形成不同的孔組組合來(lái)分析其對(duì)車(chē)門(mén)垂直剛度的影響。

為了研究準(zhǔn)確性，我們用Hypermesh和Nastran軟件對(duì)特定鉸鏈進(jìn)行分析，具體分析方法說(shuō)明如下。

（1）模型：采用鉸鏈力臂為55 mm的鈑金式上鉸鏈和鈑金式下鉸鏈，上、下鉸鏈的各合頁(yè)材料為SAPH400，上、下鉸鏈的合頁(yè)厚度為4.5 mm;上鉸鏈的車(chē)身側(cè)合頁(yè)上的兩個(gè)安裝孔呈水平方向布置，下鉸鏈的車(chē)身側(cè)合頁(yè)上的兩個(gè)安裝孔呈垂直方向布置;上、下鉸鏈的軸線傾角：內(nèi)傾3.1°;上、下鉸鏈的跨距（即上鉸鏈的上部鉸鏈襯套上端面到下鉸鏈的下部鉸鏈襯套下端面的距離）為414 mm。

（2）約束：上鉸鏈的車(chē)身側(cè)合頁(yè)和下鉸鏈的車(chē)身側(cè)合頁(yè)的兩個(gè)安裝點(diǎn)SPC=123 456;上鉸鏈的門(mén)側(cè)合頁(yè)和下鉸鏈的門(mén)側(cè)合頁(yè)SPC=12 345（放開(kāi)高度方向自由度）。

（3）加載：設(shè)上鉸鏈的門(mén)側(cè)合頁(yè)上兩個(gè)安裝點(diǎn)連線的中心點(diǎn)作為P1點(diǎn)（該點(diǎn)設(shè)為上鉸鏈上的一個(gè)點(diǎn)），設(shè)下鉸鏈的門(mén)側(cè)合頁(yè)上兩個(gè)安裝點(diǎn)連線的中心點(diǎn)作為P2點(diǎn)（該點(diǎn)設(shè)為下鉸鏈上的一個(gè)點(diǎn)）;取距離上、下鉸鏈軸線為1 000 mm且與P1點(diǎn)、P2點(diǎn)距離相等的點(diǎn)，該點(diǎn)命名為P3點(diǎn)。將P1點(diǎn)、P2點(diǎn)、P3點(diǎn)作為剛性連接點(diǎn)連接起來(lái)，然后在P3點(diǎn)處加載垂直向下的力，力的大小為800 N，同時(shí)考慮上、下鉸鏈的自重。

取車(chē)身側(cè)合頁(yè)上最靠近鉸鏈軸線的那個(gè)點(diǎn)沿著該合頁(yè)上兩個(gè)安裝點(diǎn)連線的方向測(cè)量時(shí)，該最近點(diǎn)距離鉸鏈軸線的距離為L(zhǎng)。然后對(duì)鉸鏈不同孔組（即不同的L值）的情況采用上述分析方法分析后，其加載點(diǎn)處的位移量（也是下垂量，是垂直剛度的另外一種表達(dá)方式）及鉸鏈最大應(yīng)力見(jiàn)表1。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，雖然上、下鉸鏈孔組距離有所不同，但是其加載點(diǎn)的位移量變化都不大，最大變化量為1.5%;鉸鏈本身的最大應(yīng)力變化也不是太大，最大變化量為1.0%。

根據(jù)表1的分析數(shù)值，我們可以用不同的鉸鏈孔組組合來(lái)適應(yīng)不同的車(chē)輛外造型，但是鉸鏈組本身的垂直剛度卻不會(huì)有大的變化。這就給鉸鏈布置帶來(lái)更大的靈活性。

2.5 鉸鏈加強(qiáng)筋的形式及位置

對(duì)于鈑金式的車(chē)門(mén)鉸鏈，其車(chē)身側(cè)合頁(yè)及門(mén)側(cè)合頁(yè)一般都是選用抗拉強(qiáng)度不小于400 MPa的材料。這種材料強(qiáng)度雖好，但是其沖壓成型性不是非常好。所以，設(shè)計(jì)鉸鏈能太依賴(lài)于材料的冷拉延率來(lái)滿(mǎn)足剛度要求。為此，需要從其他方面來(lái)考慮提高鉸鏈本身的剛度，比如加強(qiáng)筋。

在不明顯增加零件重量的情況下，好的鈑金加強(qiáng)筋可以顯著提升零件本身的剛度和強(qiáng)度性能，是鈑金輕量化設(shè)計(jì)的重要措施。

對(duì)于鈑金的加強(qiáng)筋，其形式有圓形筋（也稱(chēng)管狀筋）、方形筋、梯形筋、三角筋等。不同的零件對(duì)筋條選用的情況也不一樣，具體用什么樣的加強(qiáng)筋要具體情況具體分析。以下根據(jù)鈑金式鉸鏈的特點(diǎn)選取圓形筋和三角筋及其不同的布置方向進(jìn)行對(duì)比分析。

CAE分析基本同上述描述的方法，但是分析模型有所變化：只考慮在同一組鉸鏈孔組中設(shè)計(jì)不同的鉸鏈加強(qiáng)筋形式和不同的加強(qiáng)筋布置方向，具體的分析結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，三角形的加強(qiáng)筋比圓形的加強(qiáng)筋對(duì)鉸鏈的垂直剛度的提高不但沒(méi)有好處，而且還降低了，變差量為0.7%左右。之所以造成這種結(jié)果，最主要的原因如下：該三角筋在鉸鏈上、下方向的受力上起到了一個(gè)誘導(dǎo)變形的結(jié)構(gòu);而圓形筋，在鉸鏈上、下方向是一個(gè)拱橋形結(jié)構(gòu)，相對(duì)來(lái)說(shuō)剛度保持更好。

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，水平方向布置的加強(qiáng)筋比豎直方向布置的加強(qiáng)筋對(duì)保證鉸鏈垂直剛度效果更好，其變化量為6%左右。之所以造成這種結(jié)果，最主要的原因如下：鉸鏈在上、下方向受力時(shí)，豎直方向布置的加強(qiáng)筋因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)空間問(wèn)題，沒(méi)有辦法將筋條尺寸做大，所以沒(méi)有將更多的力傳遞分散開(kāi);而水平布置的加強(qiáng)筋情況剛好相反。

3 結(jié)語(yǔ)

車(chē)門(mén)垂直剛度是側(cè)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，而車(chē)門(mén)鉸鏈本身的結(jié)構(gòu)剛度是車(chē)門(mén)垂直剛度指標(biāo)中重要的一環(huán)。以上的分析是基于鈑金式側(cè)門(mén)鉸鏈結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展后的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的，從零件質(zhì)量保證及成本上考慮，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的鉸鏈應(yīng)作為平臺(tái)化鉸鏈來(lái)使用。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]王鈺棟.HyperMesh & HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]胡建鋒.基于CATIA的側(cè)門(mén)鉸鏈布置設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2018（8）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]