鈑金式側門鉸鏈結構形式與車門垂直剛度分析

滕平

【摘 要】文章分析汽車側門垂直剛度的影響因素，并重點分析鈑金式側門鉸鏈各結構形式對車門垂直剛度的影響情況。對于鈑金式側門鉸鏈，文章首先分析了鉸鏈力臂、鉸鏈板材厚度、鉸鏈翻邊對車門垂直剛度影響的情況，并給出了定性分析結果及優化方向。然后運用Hypermesh和Nastran虛擬分析軟件，設定特定的約束、加載和測量方法，對鉸鏈安裝孔組的位置、鉸鏈加強筋的形式及位置在同等外部條件下進行定量分析，為側門鉸鏈平臺化運用提供了理論支撐。

【關鍵詞】側門鉸鏈;垂直剛度;車門;鈑金

【中圖分類號】U463.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0045-03

1 汽車側門垂直剛度影響因素

汽車的側門（這里指前門和中門）除了要滿足人員進出、車輛密封外，還需要有一定的強度和剛度保證車門的長時間使用而不損壞。在各種剛度要求中，車門的垂直剛度尤為重要，它直接影響到車門長時間使用后能否順利關閉。為了保證車門垂直剛度的實現，必須用系統性方法來處理各種零件的設計關系。從目前絕大部分汽車的結構來看，可以從如下幾個方面提升車門垂直剛度。

（1）白車門的剛度。重點考慮車門鉸鏈加強板與車門內板、防撞桿、窗臺加強板及門鎖加強板的布置形式及各自的結構形式。

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

（3）鉸鏈的剛度。鉸鏈本身的結構，比如力臂長短、板材厚度、翻邊、安裝孔的位置、加強筋的形式及布置方向都會對鉸鏈的剛度產生重大影響。

（4）車門上、下鉸鏈的分布率。在車門結構布置中，車門上、下鉸鏈的相對距離越遠，其鉸鏈分布率越小，那么車門的垂直剛度越好。但是考慮到造型因素的影響，鉸鏈分布率也不能設計得過小，一般小于2.7為宜。

本文主要分析不同的鈑金式鉸鏈（也稱為沖壓鉸鏈）結構形式對側門垂直剛度的影響。

2 鈑金式側門鉸鏈結構對車門垂直剛度的影響

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身側合頁的投影距離，投影方向按車身側合頁鉸鏈螺栓安裝面的法向方向。L2力臂是指鉸鏈軸線到車身車合頁上的鉸鏈安裝孔在X方向上的投影距離。L1和L2力臂，就是材料力學上所提到的懸臂梁結構。

從力學的角度來說，力臂L1越小剛度越好，結構越緊湊。但是力臂變小以后，鉸鏈本身對造型的適應能力就會下降：主要體現在力臂變小以后，如果車型的側門造型面的上、下方向和Y向尺寸落差大，此時為了滿足車門開關時的運動間隙，那么車門前后方向處的分縫從側門看是扭曲的（主要是鉸鏈安裝區域），外觀感知質量差。所以，鉸鏈力臂不能太小，當然力臂也不能太大，否則剛度難以保證。一般來說，力臂L1按40～55 mm設計的性價比會更高;如果一定要使用大于55 mm懸臂的鉸鏈，此時使用鍛造鉸鏈更符合要求。力臂L2也是越小剛度越好，不過L2不能無限變小。力臂L2主要受到鉸鏈安裝工具的操作空間及鉸鏈本身結構限制。在同等條件下，力臂L1每增加5 mm，車門的垂直剛度值會變差8%左右;力臂L2每增加1 mm，車門的垂直剛度值會變差0.7%左右。

2.2 鉸鏈板材厚度

鉸鏈板材厚度對剛度會有影響，但是不完全是線性對應關系。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，同時配合使用抗拉強度不小于400 MPa的材料，效果會更好。

2.3 鉸鏈翻邊

在鈑金件設計中，鈑金的翻邊對剛度的提升會起到事半功倍的效果，也是最常用的設計結構方案。但是，不是所有的地方加翻邊都會有同樣的效果，具體情況還需具體分析。例如，圖1的零件就應根據CAE分析的應力分布圖（如圖2所示）來增加翻邊。

由圖2中的應力分布圖可知，對于高應力區，在零件沖壓成型和運動避讓允許的情況下，翻邊能加多高就加多高，最小應保證12 mm。為此，在做此處的翻邊設計時，應事先做好其他區域對此處的約束邊界，然后根據這些邊界重新擬合此處鉸鏈翻邊的切邊線。

對于圖2中的低應力區，翻邊高度對剛度影響不敏感，一般取6 mm即可，多了會增加成本，也不符合當下輕量設計的要求。

2.4 鉸鏈安裝孔組的位置

對于目前常見的鈑金式鉸鏈，其門側合頁的安裝孔因距離鉸鏈軸線相對較近，其安裝孔的位置對于車門垂直剛度不敏感。所以，門側合頁的安裝孔一旦設計完成，后續新設計的鉸鏈一般都不會再更改安裝孔的位置。

車身側合頁上安裝孔距離軸線相對較遠，這些安裝孔位置不同，車門垂直剛度也會有變化。但是，這些安裝孔因結構的原因，其空間布置相對靈活。所以，我們可以通過調整這些安裝孔后形成不同的孔組組合來分析其對車門垂直剛度的影響。

為了研究準確性，我們用Hypermesh和Nastran軟件對特定鉸鏈進行分析，具體分析方法說明如下。

（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、下鉸鏈的各合頁材料為SAPH400，上、下鉸鏈的合頁厚度為4.5 mm;上鉸鏈的車身側合頁上的兩個安裝孔呈水平方向布置，下鉸鏈的車身側合頁上的兩個安裝孔呈垂直方向布置;上、下鉸鏈的軸線傾角：內傾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：上鉸鏈的車身側合頁和下鉸鏈的車身側合頁的兩個安裝點SPC=123 456;上鉸鏈的門側合頁和下鉸鏈的門側合頁SPC=12 345（放開高度方向自由度）。

（3）加載：設上鉸鏈的門側合頁上兩個安裝點連線的中心點作為P1點（該點設為上鉸鏈上的一個點），設下鉸鏈的門側合頁上兩個安裝點連線的中心點作為P2點（該點設為下鉸鏈上的一個點）;取距離上、下鉸鏈軸線為1 000 mm且與P1點、P2點距離相等的點，該點命名為P3點。將P1點、P2點、P3點作為剛性連接點連接起來，然后在P3點處加載垂直向下的力，力的大小為800 N，同時考慮上、下鉸鏈的自重。

取車身側合頁上最靠近鉸鏈軸線的那個點沿著該合頁上兩個安裝點連線的方向測量時，該最近點距離鉸鏈軸線的距離為L。然后對鉸鏈不同孔組（即不同的L值）的情況采用上述分析方法分析后，其加載點處的位移量（也是下垂量，是垂直剛度的另外一種表達方式）及鉸鏈最大應力見表1。

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

根據表1的分析數值，我們可以用不同的鉸鏈孔組組合來適應不同的車輛外造型，但是鉸鏈組本身的垂直剛度卻不會有大的變化。這就給鉸鏈布置帶來更大的靈活性。

2.5 鉸鏈加強筋的形式及位置

對于鈑金式的車門鉸鏈，其車身側合頁及門側合頁一般都是選用抗拉強度不小于400 MPa的材料。這種材料強度雖好，但是其沖壓成型性不是非常好。所以，設計鉸鏈能太依賴于材料的冷拉延率來滿足剛度要求。為此，需要從其他方面來考慮提高鉸鏈本身的剛度，比如加強筋。

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

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

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計不同的鉸鏈加強筋形式和不同的加強筋布置方向，具體的分析結果見表2和表3。

從表2中的數據可以看出，三角形的加強筋比圓形的加強筋對鉸鏈的垂直剛度的提高不但沒有好處，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誘導變形的結構;而圓形筋，在鉸鏈上、下方向是一個拱橋形結構，相對來說剛度保持更好。

從表3中的數據可以看出，水平方向布置的加強筋比豎直方向布置的加強筋對保證鉸鏈垂直剛度效果更好，其變化量為6%左右。之所以造成這種結果，最主要的原因如下：鉸鏈在上、下方向受力時，豎直方向布置的加強筋因為結構空間問題，沒有辦法將筋條尺寸做大，所以沒有將更多的力傳遞分散開;而水平布置的加強筋情況剛好相反。

3 結語

車門垂直剛度是側門結構設計好壞一個重要評價指標，而車門鉸鏈本身的結構剛度是車門垂直剛度指標中重要的一環。以上的分析是基于鈑金式側門鉸鏈結構經過幾十年發展后的基礎上進行優化改進的，從零件質量保證及成本上考慮，經過優化后的鉸鏈應作為平臺化鉸鏈來使用。

參 考 文 獻

[1]韋學麗.汽車鈑金加強筋的作用及設計要點[J].企業科技與發展，2015（2）：15-17.

[2]王鈺棟.HyperMesh & HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]胡建鋒.基于CATIA的側門鉸鏈布置設計[J].汽車實用技術，2018（8）.

[責任編輯：鐘聲賢]