魏宇 李津

摘 要： 車門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一方面是為了安裝在車門上的附件功能的實(shí)現(xiàn)，另一方面是保護(hù)駕駛員和乘員的安全。基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是從車門的模態(tài)、剛度以及強(qiáng)度等性能目標(biāo)考慮，使設(shè)計(jì)工程師盡可能在設(shè)計(jì)過程中以性能設(shè)計(jì)為核心，使結(jié)構(gòu)、材料等能夠服務(wù)于性能設(shè)計(jì)，并達(dá)成性能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 性能;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

一、 引言

車門的設(shè)計(jì)是基于造型可行，首先是滿足附件功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車門附件的功能正常發(fā)揮是最基本要求，也是最重要的一項(xiàng)要求。在整車的壽命周期里，附件的功能能否一直處于正常，同時(shí)能否保護(hù)駕乘人員的安全，是一項(xiàng)較高的要求，在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，前期預(yù)先定義車門的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度以及耐久性能目標(biāo)，是保證產(chǎn)品功能和壽命的有效手段。文章基于車門模態(tài)、車門垂直剛度、車門側(cè)面強(qiáng)度等性能目標(biāo)，探討如何基于以上性能目標(biāo)進(jìn)行車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

二、車門模態(tài)

為了避免車門總成和外界的激勵(lì)產(chǎn)生共振，需要定義出合理的車門模態(tài)，由于模態(tài)是基礎(chǔ)性能，需要從車門總成整體考慮和設(shè)計(jì)。車門模態(tài)包含窗框模態(tài)、內(nèi)板模態(tài)、外板模態(tài)及防撞梁模態(tài)，前兩項(xiàng)要求大于30Hz，外板模態(tài)要求大于45 Hz，防撞梁模態(tài)要求大于55 Hz，以避免因共振等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞。

材料厚度對模態(tài)有著至關(guān)的影響，在斷面設(shè)計(jì)時(shí)，我們會(huì)通過對標(biāo)或經(jīng)驗(yàn)初步定義材料的厚度。車門總成中，車門內(nèi)板對車門的模態(tài)影響因子最大，基于輕量化和模態(tài)的考慮，內(nèi)板可采用激光拼焊板技術(shù)，拼接線可按照前端厚板一般占到內(nèi)板總長的五分之一來定義，后期綜合質(zhì)量目標(biāo)和性能目標(biāo)，根據(jù)CAE的分析結(jié)果和沖壓分析情況，最終確定拼接線的位置以及前后兩塊料的厚度，避免盲目追求模態(tài)目標(biāo)導(dǎo)致車門總成質(zhì)量無法輕量化，或者盲目追求輕量化而犧牲模態(tài)目標(biāo)的片面性，為協(xié)調(diào)輕量化和模態(tài)目標(biāo)提供了可行的途徑。

通過多個(gè)車型的CAE分析和總結(jié)：車門總成采用滾壓窗框時(shí)，窗框和車門內(nèi)板總成的連接結(jié)構(gòu)對模態(tài)影響較大，尤其是窗框插入車門內(nèi)板總成的長度以及該配接區(qū)域的焊接方式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，窗框插入車門內(nèi)板總成的長度一般大于120mm，窗框和內(nèi)板在Z方向上至少采用兩個(gè)三層焊，如圖1所示，內(nèi)板邊沿和窗框需增加兩處二氧化碳保護(hù)焊，如圖2所示，以提高車門總成的模態(tài)。

由于車門內(nèi)外板除了周邊的包邊外，中間區(qū)域沒有其他的焊接和螺栓連接，因此常采用外板加強(qiáng)板和防撞梁與外板通過減震膠進(jìn)行粘接，外板加強(qiáng)板一般設(shè)計(jì)有如圖3所示的膠槽，防撞梁與外板在涂膠位置的間距一般在3～6mm之間，超過6mm時(shí)可以設(shè)計(jì)如圖4的防撞梁支架，在支架上做出膠槽，在改善模態(tài)的同時(shí)，對外板的抗凹性也有明顯效果。

三、 車門垂直剛度

在車門的性能目標(biāo)中，垂直剛度也是很重要的一項(xiàng)內(nèi)容，垂直剛度的好與差，關(guān)系著車門受到自重或外力時(shí)，車門總成的彈性變形量和塑性變形量大小。車門總成（含鉸鏈）垂向剛度可參考表1：

（一）當(dāng)超出目標(biāo)值時(shí)，就可能導(dǎo)致以下現(xiàn)象

①車門前部與周邊件的分縫間隙上大下小，車門后部與周邊件的分縫上小下大。

②車門開閉過程和周邊件產(chǎn)生干涉的風(fēng)險(xiǎn)加大，甚至無法正常關(guān)閉車門。

③由于密封間隙變化導(dǎo)致密封條局部變形嚴(yán)重，進(jìn)而出現(xiàn)滲水或漏風(fēng)等。

④鎖扣和鎖體異常磨損以及開閉過程的異響產(chǎn)生，同時(shí)關(guān)閉力增大。

（二）影響車門垂直剛度的因素和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①車門寬度 基于造型優(yōu)先原則和商品性原則，垂直剛度的改進(jìn)不再考慮這一因素。

②鉸鏈結(jié)構(gòu)和材料，在門的下垂量和力矩穩(wěn)定性反面，鍛造鉸鏈相比沖壓鉸鏈有優(yōu)勢，也是高檔車較多采用鍛造鉸鏈的原因。材料上一般選擇抗拉強(qiáng)度不低于440MPa，沖壓鉸鏈常選用SAPH440。

③鉸鏈布置，以上下鉸鏈襯套外端面間的距離與鎖嚙合點(diǎn)到鉸鏈軸線的比值大于0.4。由于鉸鏈間距每增加10mm，通過CAE分析得知垂直剛度可以提高3 % ，所以在造型和結(jié)構(gòu)可行的情況下，盡可能加大鉸鏈間距，以提高車門剛度。

④鉸鏈側(cè)車門結(jié)構(gòu) 如果車門內(nèi)板采用激光拼焊板，鉸鏈螺母板與內(nèi)板在焊接時(shí)，焊點(diǎn)盡可能接近螺母邊緣;如果采用加強(qiáng)板形式，上下鉸鏈加強(qiáng)板最好做成一個(gè)件，如果是分開的兩個(gè)件，最好是上鉸鏈加強(qiáng)板和下鉸鏈加強(qiáng)板搭接后焊接成一個(gè)整體，有利于車門垂直剛度提升。

四、 車門側(cè)面強(qiáng)度

國家標(biāo)準(zhǔn)GB15743-95《轎車側(cè)門強(qiáng)度》規(guī)定了“三種”壓力的要求和試驗(yàn)的“壓頭”定義。C-NCAP的2018版碰撞無論在側(cè)面碰撞臺(tái)車質(zhì)量和位置，還是在侵入目標(biāo)和假人傷害評價(jià)指標(biāo)上，都比2015版更嚴(yán)格。在各類交通事故中，側(cè)面碰撞帶來的傷亡占各類碰撞的三分之一，側(cè)面強(qiáng)度的優(yōu)劣反應(yīng)出車門對乘員的保護(hù)程度。在車身設(shè)計(jì)過程中，除了側(cè)圍B柱結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)外，車門總成的結(jié)構(gòu)和選材需要特別關(guān)注。

在SEG（Style engineer group）階段，進(jìn)行附件布置和斷面設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要完成密封面的設(shè)計(jì)和防撞梁的布置。如果防撞梁采用熱成型，防撞梁的布置相對簡單，受外板造型影響較小;如果采用圓管形式，防撞梁布置除了考慮碰撞試驗(yàn)的移動(dòng)壁障外，還需要根據(jù)外板的造型變化，考慮防撞與外板間的涂膠距離和涂膠位置。無論采用哪種防撞梁，都需要判斷出車門防撞梁和側(cè)圍外板的重合度C值（見圖5），該值得大小直接影響到側(cè)碰時(shí)侵入量的大小以及侵入速度的快與慢，能否有效保護(hù)乘員，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。防撞梁的材料采用高強(qiáng)鋼16MnAl或熱成型鋼BR1500HS。為了滿足柱碰要求，根據(jù)需要在車門腰線位置的內(nèi)板和加強(qiáng)板之間增加如圖6所示的小直徑防撞梁。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20071《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》中4.3項(xiàng)的“特殊要求”規(guī)定：碰撞試驗(yàn)過程中，車門不得開啟，碰撞試驗(yàn)后，不使用工具可以打開車門。由于外拉手底座在開發(fā)過程中，形狀和結(jié)構(gòu)相對變化不大。考慮到碰撞時(shí)鎖的狀態(tài)穩(wěn)定，需考慮如圖7所示配重塊和玻璃的安全距離S，布置時(shí)一般不小于12mm。因此在SEG階段，通過校核外把手位置的CAS面和玻璃大面的距離，保證碰撞過程中不會(huì)因外拉手底座的變形導(dǎo)致車門鎖出現(xiàn)錯(cuò)誤的動(dòng)作。

五、 安裝點(diǎn)剛度

車門總成中涉及的安裝點(diǎn)較多，為了使車門附件的性能正常，需要合理設(shè)定每類安裝點(diǎn)的剛度。采用局部性能局部設(shè)計(jì)的思路，在內(nèi)板整體形貌設(shè)計(jì)后，需要根據(jù)局部的安裝點(diǎn)性能要求進(jìn)行內(nèi)板的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。基于剛度和沖壓工藝考慮，車門內(nèi)板主筋設(shè)計(jì)如圖8所示：高度H取6mm左右，筋的小端寬度W取13mm左右，沖壓角度α取20°～30°。在設(shè)計(jì)每個(gè)安裝點(diǎn)的孔位時(shí)，都要做出翻邊或加強(qiáng)，考慮局部成型特征和優(yōu)化，同時(shí)還不能影響總裝;需要設(shè)計(jì)加強(qiáng)件時(shí)，關(guān)注加強(qiáng)件與內(nèi)板形成的腔體大小和焊點(diǎn)布置的合理性，結(jié)合CAE分析的結(jié)果，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升安裝點(diǎn)剛度。通過以上途徑仍然不能達(dá)到安裝點(diǎn)剛度時(shí)，需要在材料厚度、材料種類以及安裝點(diǎn)剛度目標(biāo)值之間做出平衡。

以上基于性能目標(biāo)的車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，在車門總成初版結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需要CAE進(jìn)行模態(tài)、剛度和強(qiáng)度的分析，車門設(shè)計(jì)工程師再根據(jù)CAE分析的變形圖和結(jié)果，結(jié)合車門總成的邊界條件制訂改善方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后繼續(xù)CAE分析，滿足性能目標(biāo)后，在DV和PV階段進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，保證車門總成性能目標(biāo)最終達(dá)成。

參考文獻(xiàn)：

[1]易輝成.基于剛度和模態(tài)的車門結(jié)構(gòu)件料厚多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[2]中國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 15743—1995轎車側(cè)門強(qiáng)度[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

作者簡介：? 魏宇，李津，南京金龍客車制造有限公司。