基于CATIA的汽車車門鉸鏈設計

摘要：文章論述了車門鉸鏈的設計過程，車門鉸鏈各個零部件的參數設計、干涉檢查、有限元分析全部都可以在CATIA軟件中進行，應用CATIA軟件做簡單模型的有限元分析不僅結果可靠，還可以大大提高了工作效率。

關鍵詞：CATIA；車門鉸鏈；有限元分析

中圖分類號：U463.343 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）08-0005-02

車門作為汽車車身的設計中的重要組成部分，它的設計過程直接影響著兩側前后翼字板、頂蓋、車門框等相關結構的設計，同時車門作為一個旋轉運動件，在關閉的時候必須滿足車身整體的造型要求。作為支撐車門旋轉的重要附件鉸鏈就顯得尤為重要，它將直接影響車門的使用性能。一個良好的鉸鏈設計應該具備質量輕、剛度大、易安裝等優點。鉸鏈的種類很多，現代轎車車身廣泛采用合頁式鉸鏈，它的剛度比較高，采用隱蔽式布置。為此，本文就以某車型為例，重點介紹車門鉸鏈的設計過程。

1 鉸鏈的設計

1.1 車門鉸鏈的跨距要求

鉸鏈把車門與車身本體連接在一起，車門在關閉的時候，車門門鎖與鉸鏈是承力件；車門打開的時候，很明顯車門的重量都由車門鉸鏈來承擔。因此引起車門下沉的主要原因是車門與鉸鏈、立柱與鉸鏈連接剛度不足。為了加強其連接剛度，除了在鉸鏈安裝部位加裝加強板外，在布置鉸鏈時，要盡量加大兩鉸鏈之間的間距，改善其受力狀況。通常上下鉸鏈的跨距Z與車門長度L之比為Z/L>1/3，而且上鉸鏈的上端到下鉸鏈的下端要保證350 mm以上。設計車型為微型轎車，車門相對較小，同時考慮到車身造型的需要，兩鉸鏈的間距選擇330 mm。

1.2 鉸鏈的軸線設計

鉸鏈軸線的位置會影響車門體和翼子板的分縫線位置、車門的自動閉合趨勢等。限制車門鉸鏈軸線的參數主要有車門傾角。我們把鉸鏈軸線在xz平面上的投影與z軸之間的夾角稱為車門前后傾角，向后為后傾，向前為前傾。建議后傾角在2°以內，為了車門開啟時能同時舉起車門，車門一般都是后傾。門內、外傾角：鉸鏈軸線在yz平面上的投影與z軸之間的夾角稱之為內外傾角。內傾角一般在2°以內，為了車門關閉時有自關的趨勢，車門鉸鏈軸線都是內傾的，如圖1所示。

為了保證車門在打開的時候不與其他部件產生運動干涉，鉸鏈軸線要盡量外移。下面介紹鉸鏈的一種確定方法：

①將所需替換的分縫線（車門外板和翼子板之間的分割線）和車門外板數模參數調入到CATIA中。

②鉸鏈軸線的正向求作方法。以yz面作為草圖基準面，以分縫線作為參考線，在到分縫線沿Y方向的距離為b處做傾角為α的直線L1，該直線要做足夠長，其中α為鉸鏈初步設計的內傾角度，一般在2°以內。b為鉸鏈中心到分縫線的最短距離在x面上的投影距離。設計時在滿足車門鉸鏈安裝方便的前提下應使得b值盡量小，以防增大車門開口線的回轉半徑，在車門開啟時與翼子板干涉。

③鉸鏈軸線的側向求作方法。以xz面作為草圖基準面，以分縫線作為參考線，在xz面上到開口線投影距離為c的地方做傾角為β的直線L2，同樣該直線也要足夠長，其中b為鉸鏈中心到分縫線的最短距離在y面上的投影，β為初步設計的后傾角其大小在2°以內。其中總傾斜角度β的傾斜方向及大小到分縫線的傾斜方向、大小應相應。最后分別過兩條直線向xz和yz面做垂面，兩個垂面的交線既是要求的鉸鏈軸線。

依據上面的方法，所設計車型的內傾角定為2°，后傾角為1.4°。

1.3 鉸鏈的數模設計

車門鉸鏈與車門和側圍的連接方式一般有螺栓連接和焊接。由于焊接引起的變形較大，同時按照后不能調整安裝位置，現普遍采用螺栓連接的方式。在考慮到鉸鏈使用時的磨損、承壓等工作環境下，同時參照其他類型鉸鏈的基礎上，我們設計了本車型所用的鉸鏈數模如圖2、圖3所示。

1.3.1 限位器凸輪盤的設計

限位器的凸輪盤主要是用來對車門的開度進行限位。本車設計的車門最大開度為60°，為了保證車門在最大開度時不與翼子板相撞，保證車門停留在最大開度處，凸輪盤就顯得尤為重要了。凸輪板上做有四個凹槽，保證車門有四個常用開度。位置0為車門的關閉時扭簧所在的位置；位置1為車門在開啟角為3。時扭簧的位置；繼續開啟車門，鉸鏈轉動克服了扭簧力，扭簧就會滾入2位置，車門對應開度為30°。再開車門就會達到其最大開度為60°，對應扭簧滑入凸輪盤3位置，適合寬物體出入。限位器結構如圖4所示。

1.3.2 扭簧受力分析

由于扭簧在工作時，尤其是打開車門的時候，開門力矩有很大一部分要克服扭簧的產生的阻力矩，因此此時要計算扭簧產生最大阻力矩的大小，如果扭簧產生的阻力過大，就會使得車門開啟力過大，如果扭簧產生的阻力過小，限位器就起不到限位的作用，影響汽車的安全性。下面對扭簧扭矩進行簡單的計算。

扭簧受到扭矩作用其扭矩大小與扭角的關系為：

式中，T為扭矩；θ為扭簧的轉角；E為扭簧材料對應的彈性模量；I為慣性矩；D為扭簧直徑；N為扭簧工作圈數。

已知扭簧的材料為60Si2Mn，限位器在第一限位處時其產生的阻力矩是最大的，以此狀態來計算其阻力矩。其彈性模量E=206 GPa，d=3.5 mm，θ=sin2.63°，D=40 mm，帶入數據計算本車型中人開啟車門時的施力點與鉸鏈軸線的大致距離是1 050 mm，也就是施力臂的長度，這樣就可以計算人開啟車門時要克服的扭簧阻力大概需要30 N，實際上開啟車門的力比這個力還要小一點，因為車門在剛開啟的時候壓縮的密封條也會產生一部分動力。圖5為扭簧的工作簡圖。

1.4 車門運動干涉檢查

車門在打開時必須能保證其最大開啟角大于設計最大角度3°左右，設計時車門與翼子板的分縫線間隙為4 mm，同時車門在開關時與翼子板的最小間隙在1.8～2.5 mm。最小間隙一般出現在車門剛開啟時（3～8°內）及車門外板最大凸弧面處。

車門在打開過程中，不能和鉸鏈本體及鉸鏈本體固定螺栓干涉。推薦最小間隙3～5 mm。圖6是在CATIA中進行車門運動分析的截圖，主要查看車門外板和翼子板干涉的情況。

1.5 鉸鏈有限元分析

車門在打開或者關閉的時候，車門的總重量基本都有鉸鏈承受，尤其是在車門打開的時候。這樣就要求車門鉸鏈有一定剛性，保證鉸鏈在長時間使用時塑性變形得到一定的控制。同時，汽車在發生側向撞擊時，車門會承受較大的撞擊力量，在車門承受撞擊時，車門鉸鏈不能脫開致使車門被撞入成員廂內危害乘員安全，這就要求鉸鏈具有一定的強度。所以，在做車門鉸鏈設計時需要對鉸鏈進行有限元分析，來校核鉸鏈銷軸孔的壁厚、銷軸的強度等。

對鉸鏈進行靜態應力分析之前要對其進行網格劃分和施加載荷。對一般實體分析單元類型一般選擇四面體單元，施加載荷時鉸鏈的工作狀態一般選擇其在車門打開時的情況。圖7、圖8就是其有限元分析的結果。

從圖7、圖8我們可以看到，車門在打開時的內應力分布比較集中的位置是在鉸鏈的銷軸位置，其內應力是55.3 MPa，上下鉸鏈情況基本一致，但是其大小還是遠小于鉸鏈的許用應力值，滿足設計需要。但是，由于銷軸是個活動件，在車門開關的時候要經常磨損，這里又是應力集中區，在制造的時候我們就要考慮對其進行特殊工藝耐磨處理處理。

2 結 論

本文所用的所有車身部件都是在CATIA中完成的，其中對車門鉸鏈的有限元分析也是在CATIA的GSA模塊中進行的，這樣就省去了數模在CAD軟件和CAE軟件中相互轉化的步驟，省去了在CAE軟件中創建數模或者修改數模的麻煩，提高了工作效率為整車設計節約了時間。同時CATIA對一些簡單的數模進行有限元分析得出的結果也是比較精確和可信的。

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