面向垂直剛度的輕型車后門性能設計

王 丹，程 普，楊宇佳，崔 岸

（1.中國第一汽車集團公司技術中心，長春 130011；2.吉林大學 汽車工程學院，長春 130025）

車門是汽車的關鍵總成之一，是開啟到一定角度供乘客上下車，并能保護乘客的關鍵部件。車門設計應具有安全性、密封性、進出方便性、操作舒適性、維修方便性等性能，同時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、固定點剛度等。車門系統在承受垂直載荷時的抗變形能力，以及卸載后恢復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。車門垂直剛度不足會影響車門開關的可靠性，引起車門卡死及關閉力增大，嚴重時會造成漏風、滲水、行駛過程中車門振動及噪聲等問題，這都將對乘坐舒適性造成嚴重影響。

按照企業車身開發試驗規范，輕型車車門總成垂直剛度的具體評價指標為：將帶鉸鏈的車門焊接總成固定在剛性臺架上，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。同時在CAE分析時應考慮臺架試驗值與CAE分析結果存在一定偏差（試驗值偏大），因此CAE分析應滿足z向位移小于3 mm。

引用格式：

由此可見，在不考慮側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影響車門總成的垂直剛度指標。

1 設計要求及性能分析

某輕型車（A車）雙排駕駛室開發的對標車型為700P，700P后門為整體式車門、平板內飾、內藏式電動卡板鎖、一道密封、電動玻璃升降器、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，結合對標車型及前門，展開A車后門設計，要求產品開發性能優于對標車型。

1.1 700P后車門及鉸鏈總成垂直剛度分析

1.1.1 車門總成臺架試驗

首先進行700P樣車后車門總成垂直剛度臺架試驗，為產品開發提供參考數據。

試驗方法是將車門通過鉸鏈約束固定在剛性臺架上，車門處于實車關閉狀態，在門鎖處施加500 N的垂直向下的載荷，測定z向位移，如圖1所示。試驗結果見表1，按企業評價標準，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架試驗

表1 700P后車門垂直剛度試驗結果

由于對標車型垂直剛度值較低，處于企業評價標準臨界值，對于A車產品開發，需首先確定合理的目標值?？紤]到輕型車使用環境普遍較好，上下車不存在拉拽等錯誤操作，加載500 N垂直靜載荷可以滿足實際使用工況。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構、鉸鏈間距及車門鈑金結構的影響，將從這幾個方面逐一開展設計。

1.1.2 700P鉸鏈總成臺架試驗

700P后門鉸鏈總成活動頁板為10 mm等厚鋼板，與鉸鏈軸套焊接形成單耳頁板，雙耳頁板料厚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計目標，對鉸鏈總成進行了垂直剛性臺架試驗，如圖3所示。

圖3 700P后車門鉸鏈總成垂直剛度臺架試驗

試驗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，測得鉸鏈的垂直剛度，見表2。由試驗結果可知，700P后門鉸鏈垂直剛度過低，是導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結果

1.1.3 鉸鏈力學模型計算

將700P后車門鉸鏈總成逆向數據與A車鉸鏈比較，同軸情況下，雙耳頁板在車身系x方向存在偏差，單耳頁板在車身系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，故雙耳頁板x方向偏差對鉸鏈垂直剛度的影響可忽略不計。將鉸鏈的單耳頁板簡化成圖5所示的剛架懸臂梁結構，并進行簡要分析[1]。

圖4 700P后車門鉸鏈總成與A車后車門鉸鏈總成對比

圖5 鉸鏈單耳頁簡化模型

式中：M1為BC段彎曲力矩；P為C端加載載荷；l1為BC段長度。

分段求內力方程如下：

式中：T2為B最大彎曲力矩。

計算各段的變形能：

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。

通過以上推導可以看出C點位移主要受到外力以及各段長度及各段橫截面的尺寸影響。

C點位移主要受到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點的下移量。

對照簡化模型，700P后門鉸鏈總成與某輕型車后門鉸鏈比較，l2較大，C點位移量較大，即剛度較差。

1.2 A車鉸鏈設計及性能分析

由于B柱外板不可拆卸，同時要實現車門鉸鏈x、y、z三個方向都可以進行調整，只能采取懸臂式鉸鏈結構。這種結構的鉸鏈由于活動頁板的固定點離鉸鏈軸中心距離較遠，因此剛度較常規的鉸鏈相比要差。

A車鉸鏈總成活動頁板與軸套為整體式鍛件，懸臂式結構，壁厚10 mm，彎臂結構局部加厚，兩點固定于車門總成上；固定頁板為沖壓件，料厚4 mm，二點固定在側圍上，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A車鉸鏈進行500 N加載的車門垂直剛度CAE分析，分析結果如圖8和表3所示。由CAE分析結果可知，現有產品后門鉸鏈最大z向位移為1.45 mm，垂直剛度為344 N/mm。通過對比CAE分析結果，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:饑餓感及大便次數增多，但仍可以接受。Ⅲ度:無法耐受，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 改進措施及臺架試驗驗證

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，在滿足結構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。為分析鉸鏈布置對車門垂直剛度的影響，保持鉸鏈及車門結構不變，依次變化鉸鏈間距，分別進行500 N加載的CAE分析，得到不同間距下加載點的z向位移。分析結果見表4。

表4 不同間距下的加載點z向位移

通過數據統計可知，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。

對標車型700P鉸鏈間距為435 mm，后門垂直剛度臺架試驗值為109 N/mm，剛度指標處于企業標準的臨界值。為優于對標車型，在滿足結構布置的前提下，A車后門考慮增加鉸鏈間距，將上鉸鏈上移50 mm，使其達到485 mm。

2.2 車門鈑金結構垂直剛度分析

車門焊接總成剛度主要受到斷面形式、材料及料厚的影響，參照對標車型700P結構，考慮前后門通用性等因素，將鉸鏈間距設置為485 mm，完成車門鈑金結構設計。隨后提交CAE，對帶鉸鏈的車門焊接總成進行了500 N垂直加載CAE分析，如圖8所示，得出的分析結論和數據見表5[2]。

從仿真結果看，最大z向位移超出規范限值，垂直剛度不足，低于設計標準。此時排除鉸鏈因素，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果

2.3 鉸鏈加強板改進設計

通過仿真分析，鉸鏈周圍局部應力不大，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，鉸鏈加強板繞上、下鉸鏈產生扭轉，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。對鉸鏈加強板進行改進設計，減小鉸鏈加強板不規則切口面積，使其連成一體，從而增大鉸鏈加強板在車門內板上的覆蓋面積，加強上、下鉸鏈間的連接形式，對鉸鏈在車門內板上的固定起到加強作用，改進設計結果如圖11所示[3]。

圖9 應力云圖

圖11 鉸鏈加強板新舊方案比較

對優化后的鉸鏈與車門焊接總成進行500 N加載CAE分析，其中車門閉合狀態新方案垂直剛度為168 N/mm，加載點位移2.97 mm；車門打開狀態新方案垂直剛度為187 N/mm，加載點位移2.68 mm，見表6。由數據可知，通過再次優化，車門總成的加載點位移有了一定改善，達到了預定目標，結果滿足設計要求。

表6 A車后車門垂直剛度再次優化之后分析結果

2.4 試制樣件臺架試驗驗證

根據上述優化設計結果進行樣件試制，并通過臺架試驗進行驗證。試驗方法同圖1，如圖12所示，與700P對標車的試驗結果見表7。

由表7可知，通過鉸鏈結構優化、增加鉸鏈間距和車門鈑金結構加強等途徑，A車后門垂直剛度設計達到了預期的效果，與對標車相比，垂直剛度明顯高，滿足設計要求。

表7 車門垂直剛度臺架試驗分析對比

圖12 A車后車門垂直剛度臺架試驗

3 結論

（1）影響車門垂直剛度的因素主要有車門寬度、鉸鏈間距、鉸鏈結構及其安裝孔附近加強件的結構等。在車門結構設計中，主要關注的是鉸鏈剛度和車門剛度。為便于具體分析與設計，車門總成剛度評價指標需分解到各部件上。

（2）在滿足結構布置的條件下，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）車門靜態剛度計算分析在車門結構設計和優化過程中起著非常重要的作用，可以通過CAE分析來校核各個設計方案是否滿足了剛度需求，并提出相應的優化方案，減少產品后期更改的可能性，同時也可以提高設計師的工作效率。

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