羅燕 尹和儉 王華杰 肖介平 萬振 馬忠民
摘要: 針對某型車門下沉問題,通過臺架試驗獲得車門、鉸鏈和車身等各單因素下沉量和車門絞鏈系統(tǒng)整體下沉量,對單因素下沉量與系統(tǒng)整體下沉剛度進行線性擬合分析,得到車門鉸鏈系統(tǒng)各單因素與系統(tǒng)下沉剛度的相關(guān)度排序。對前、后車門分別選取相關(guān)度較高的單因素進行優(yōu)化,最終改進方案的仿真和試驗結(jié)果證明該方案可有效地提升車門下沉剛度。采用定量分析法可快速找出影響下沉剛度的敏感因素,并能夠快速生成優(yōu)化方案,為新車型設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞: 車門;下沉量;鉸鏈;剛度;優(yōu)化;有限元
Abstract: As to the issue of the door deflecting of a type of vehicle, the deflection of single factor (includes the door, the hinge and the body) and the deflection of the whole door hinge system are obtained by the bench test. The deflection of single factor is fitted to the deflection stiffness of whole system, and then the relevance ranking of single factor of door hinge system on system deflection stiffness is obtained. The front and rear doors are separately optimized by selecting the single factor with higher relevance. The simulation and test results prove that the scheme can effectively improve the door deflection stiffness. The quantitative analysis method can quickly find out the sensitive factors affecting the deflection stiffness, and then the optimization scheme can be generated quickly. The results provide a reference for the design of new vehicle.
Key words: door;deflection;hinge;stiffness;optimization;finite element
0 引 言
車門下沉是汽車開閉件系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問題。輕微的車門下沉會造成車門關(guān)閉不嚴、車門異響、車門鉸鏈剮蹭和鉸鏈變形等問題。車門下沉嚴重時甚至造成車門無法正常關(guān)閉,或者在行駛過程中車門意外打開等問題,給行車安全帶來隱患。
汽車車門是駕駛員和乘員與車外環(huán)境的屏障,可以起到隔絕車外噪音、防止外界物體撞擊等作用。車門的結(jié)構(gòu)形式很多,有旋轉(zhuǎn)門、推拉門、折疊門和外擺門等,后兩者主要用于大型客車上,貨車和轎車車門大多采用旋轉(zhuǎn)門,開門時旋轉(zhuǎn)方向可以向前(即順開門)也可以向后(即逆開門),順開門的車門在行車時比較安全。[1]
旋轉(zhuǎn)車門一般包括外板、內(nèi)板、窗框、鉸鏈、鎖和門窗附件等。車門內(nèi)板裝有玻璃升降器和鎖等附件,為裝配牢固,附件安裝位置一般都需要進行局部加強處理。為加強車門安全性,外板內(nèi)側(cè)一般安裝防撞桿。內(nèi)板與外板通過翻邊、黏合、滾焊等方式結(jié)合。鑒于內(nèi)、外板受力不同,為保障車門能夠承受較大的沖擊力,一般要求外板質(zhì)量輕而內(nèi)板剛度強。車門通過鉸鏈安裝在車身上,因此要求車門:(1)具有足夠的開度并能停留在最大開度上,以保證上下車方便;(2)安全可靠,能鎖住,行車或撞車時不會自動打開;(3)開關(guān)方便,玻璃升降方便;(4)具有良好的密封性能;(5)具有足夠的剛度,不易變形下沉,行車時不振響;(6)制造工藝性好,易于沖壓,便于安裝配件;(7)外形與整車相協(xié)調(diào)。[1]
使車門具有足夠剛度和強度,防止車門下沉,必須研究影響車門下沉剛度的相關(guān)因素。車門、鉸鏈和車身是影響車門鉸鏈系統(tǒng)下沉剛度的3個重要因素。對于車門剛度的評價,不同的汽車企業(yè)使用不同的標準[2],其中車門的靜力學性能主要包括車門窗框剛度、車門腰線剛度、抗凹強度、下沉剛度、內(nèi)板安裝點剛度和過開強度等。
國內(nèi)各商用車企業(yè)在車門開發(fā)過程中尤其重視車門鉸鏈的安全性能,通常采用試驗驗證和市場反饋2種方式評價車門鉸鏈剛度的合理性。[3]由于鉸鏈本身強度或者剛度不夠引起車門下沉的現(xiàn)象很少,大多數(shù)車門下沉是由于立柱或車門上鉸鏈安裝位置的強度和剛度不夠,無法支撐車門的質(zhì)量所致。[4]車門剛度是車門的重要性能指標,一般用載荷與載荷引起變形量的比值來表示,單位為N/mm。車門剛度包括側(cè)向剛度、垂直剛度、腰線剛度和表面剛度。[5]車門下沉剛度分析可以得到駕駛員或乘員利用車門支撐身體進出汽車時車門抵抗變形的能力。若車門剛度不足使車門受力集中區(qū)垂向位移過大,則會導致車門關(guān)閉受阻或閉合不嚴等現(xiàn)象。[6]
某型越野車在進行整車可靠耐久性試驗后,部分車輛產(chǎn)生車門鎖無法鎖止的問題,嚴重影響車輛正常使用。本文采用試驗和虛擬仿真手段,對該車型的車門鉸鏈系統(tǒng)整體(車門、鉸鏈和車身三者為整體)和各單因素(單獨車身、單獨車門、單獨鉸鏈)進行車門下沉剛度分析,得到車門鉸鏈系統(tǒng)整體下沉剛度和各單因素的下沉剛度,并通過線性擬合研究各單因素下沉剛度與系統(tǒng)整體下沉剛度的關(guān)系。
1 下沉剛度試驗
1.1 試驗樣品準備
試驗樣品包括車身、車門、鉸鏈、剛性車門和剛性鉸鏈,均來自公司試驗部。為保證試驗樣品不因重復使用而產(chǎn)生試驗誤差,前、后車門及其鉸鏈各需要2個,前、后剛性車門及其剛性鉸鏈也各需要2個。由于車身具有左前、左后、右前和右后4個安裝點,因此僅采用1臺車身即可滿足使用;剛性臺架前、后門通用,因此只需要1臺。
1.2 試驗過程
按照試驗規(guī)范要求,對前、后車門鉸鏈系統(tǒng)整體、單獨車門、單獨車身和單獨鉸鏈進行下沉剛度試驗,單因素臺架試驗流程與車門鉸鏈系統(tǒng)整體下沉剛度試驗流程大致相同,試驗現(xiàn)場照片見圖1,具體試驗流程如下。
(1)將白車身(或剛性臺架)固定,根據(jù)要求安裝車門(或剛性車門)、鉸鏈(或剛性鉸鏈)和墊片,并按照實際裝車要求施加扭矩。
(2)在車門鉸鏈正下方門檻位置安裝位移傳感器,以測量補償位移。
(3)將車門開啟,并使用工裝將開啟方向固定,保證車門與關(guān)閉狀態(tài)開度角為15°。
(4)在車門的鎖扣位置安裝位移傳感器,測量下沉位移。
(5)在門鎖安裝位置安裝帶有載荷傳感器的加載臂,以便施加垂向載荷。
(6)連接測量裝置,對總體試驗裝置進行拍照。
(7)先施加較小載荷(20 N)進行預(yù)加載并卸載,以消除試驗工裝安裝間隙。
(8)施加從0逐漸增大到800 N的載荷并卸載, 記錄每次試驗最大變形和卸載后殘余變形。
1.3 試驗結(jié)果
按照試驗規(guī)范分別進行前門和后門下沉剛度試驗,每組試驗進行3次,前、后門下沉剛度試驗加載力位移曲線分別見圖2和3(F為加載力,d為測量點位移),試驗結(jié)果分別見表1和2。
1.4 試驗數(shù)據(jù)分析
將單獨車身、單獨車門和單獨鉸鏈臺架試驗得到的下沉量與車門鉸鏈系統(tǒng)整體下沉剛度進行線性擬合,得到各單因素與系統(tǒng)整體下沉剛度的線性擬合相關(guān)度,結(jié)果見表3。線性擬合相關(guān)度表示該因素對下沉剛度的影響程度,其絕對值越大表明該因素對車門下沉剛度影響越大。均方根誤差表示模型擬合得到的下沉剛度與實測下沉剛度的誤差,其值越小越好。決定因數(shù)表示預(yù)測值與真實值的接近程度,其值越接近于1越好。
由表3可知,車身、車門和鉸鏈3個單因素下沉量對整體下沉剛度線性擬合的均方根誤差均較小,說明3個單因素下沉量與整體下沉剛度相關(guān)性較好。在前門的3個因素中,單獨車門下沉量與整體下沉剛度相關(guān)度最大,可認為改變車門下沉量對整體下沉剛度影響最大,鉸鏈次之,因此在后續(xù)改進前門整體下沉剛度方案設(shè)計時,可從車門和鉸鏈結(jié)構(gòu)著手。在后門的3個因素中,單獨鉸鏈對整體下沉剛度影響最顯著,車身次之,因此在改進后門整體下沉剛度方案設(shè)計時,可從鉸鏈和車身著手。
2 仿真分析
有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限且按一定方式相互聯(lián)系在一起的分片單元組合體,在每一個單元內(nèi)用近似函數(shù)表示求解域上待求的未知場,因此未知場函數(shù)或其導數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為未知量,進而使一個連續(xù)無限自由度問題離散為有限自由度問題。求解這些未知量后,可通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值,從而得到整個求解域的近似值。[7]
2.1 有限元模型
根據(jù)車輛設(shè)計部門提供的幾何數(shù)據(jù)信息、焊接信息、質(zhì)量質(zhì)心信息和試驗部門搭建的臺架信息,分別建立白車身、白車門、鉸鏈、剛性車門、剛性鉸鏈和固定臺架的有限元模型。材料厚度小于5 mm的鈑金結(jié)構(gòu)采用基本尺寸為10 mm的四邊形殼單元進行模擬,材料厚度大于5 mm的鈑金結(jié)構(gòu)采用實體單元進行模擬。
連接關(guān)系主要有焊點連接、二氧化碳保護焊連接和膠連接等3種。在HyperMesh中,焊點連接采用ACM(shell gap)單元進行模擬,二氧化碳保護焊連接采用RIGIDS單元進行模擬,膠連接采用ADHESIVES單元進行模擬。建模時還要關(guān)注連接單元的選擇和自由度的設(shè)置是否合適。CAD模型幾何描述包含很多幾何細節(jié)特征(如圓角、小孔等),在有限元分析時需要用很小的單元才能精確模擬,導致模型求解時間過長,因此應(yīng)對這些細節(jié)進行合理簡化,以便于網(wǎng)格劃分和計算分析。
系統(tǒng)整體下沉剛度分析示意見圖4。
將車身模型、車門模型和鉸鏈模型連接起來,車門開啟15°,按照與試驗相同的固定位置對仿真臺架施加約束,在門鎖安裝位置施加開啟方向約束,對車門施加z向載荷800 N。
單獨車身下沉剛度分析示意見圖5。將車身模型與剛性車門模型和剛性鉸鏈模型連接起來,車門開啟15°,按照與試驗相同的固定位置對仿真臺架施加約束,在剛性車門鎖安裝位置施加開啟方向約束,對剛性車門施加z向載荷800 N。
單獨車門下沉剛度分析示意見圖6。將車門模型與剛性鉸鏈模型和固定臺架模型連接起來,車門開啟15°,按照與試驗相同的固定位置對仿真臺架施加約束,在門鎖安裝位置施加開啟方向約束,對車門施加z向載荷800 N。
單獨鉸鏈下沉剛度分析示意見圖7。將鉸鏈模型與剛性車門模型和固定臺架模型連接起來,車門開啟15°,按照與試驗相同的固定位置對仿真臺架施加約束,對剛性車門施加開啟方向約束,對剛性車門施加z向載荷800 N。
2.2 仿真結(jié)果分析
采用Abaqus軟件進行仿真分析,所用材料力學性能曲線采用軟件數(shù)據(jù)庫中的材料曲線,分析結(jié)果見表4。
由表4可知,下沉剛度仿真分析所得結(jié)果與試驗測得數(shù)據(jù)存在較大差異,最高達61.46%,但在仿真和試驗結(jié)果中各單因素下沉剛度排序一致,如前門各單因素下沉剛度排序依次為單獨車門、單獨車身、單獨鉸鏈,后門各單因素下沉剛度排序依次為單獨車門、單獨鉸鏈、單獨車身。誤差來源主要有虛擬模型簡化、計算精度低、有限元模型與實際產(chǎn)品間的差異(包括板材厚度、材料曲線、制造、裝配等工藝造成的誤差)等,因此仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果存在差異是不可避免的。常規(guī)CAE仿真采用等厚度、零應(yīng)力和零應(yīng)變的板材零件裝配成的車門模型,實際上車門模型的內(nèi)、外板經(jīng)過沖壓成形后,上述狀態(tài)值均已發(fā)生變化,因此,車門初始受力模型不能反映車門真實狀態(tài)是導致仿真結(jié)果不精確的主要原因。[812]但是,其仿真結(jié)果的方向是正確的,可以為優(yōu)化設(shè)計提供參考方向。
3 方案改進和驗證
3.1 改進方案
針對前門,根據(jù)前文可知,提升單獨前門、單獨鉸鏈下沉量對前門系統(tǒng)下沉剛度提升最明顯。考慮到改變鉸鏈結(jié)構(gòu)模具費用較高,且該車型已量產(chǎn),不宜進行過大變更,因此分別針對前門和車身鉸鏈安裝處提出改進方案。在進行方案改進時發(fā)現(xiàn),無論對車門還是車身,與其他位置相比,加強鉸鏈安裝位置(尤其是上鉸鏈位置)附近剛度對下沉剛度提升最為有效,因此方案設(shè)計如下:(1)車門優(yōu)化方案是在前門內(nèi)部鉸鏈處安裝加強板,在靠近上鉸鏈位置增加三角形安裝立板,使車門側(cè)鉸鏈安裝處剛度增大、抵抗變形能力增強;(2)車身優(yōu)化方案是在前門連接車身處,即在A柱靠近上鉸鏈位置增設(shè)加強板。前門鉸鏈系統(tǒng)優(yōu)化方案示意見圖8,其中劃圈位置為增設(shè)的加強板。
針對后門,根據(jù)前文數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,提升鉸鏈和車身結(jié)構(gòu)剛度對下沉剛度提升最明顯,在鉸鏈不宜進行大變更的條件下分別針對車身和車門進行改進,方案設(shè)計如下:(1)車門優(yōu)化方案是在后門內(nèi)部靠近鉸鏈安裝位置增設(shè)加強板;(2)車身優(yōu)化方案是改進后門連接車身處結(jié)構(gòu),即在B柱靠近上鉸鏈位置增設(shè)加強板,使車身側(cè)鉸鏈安裝處抵抗變形能力增強。后門鉸鏈系統(tǒng)優(yōu)化方案示意見圖9,其中劃圈位置為增設(shè)的加強板。
3.2 改進效果驗證
對前、后車門鉸鏈系統(tǒng)優(yōu)化方案進行下沉剛度仿真分析,根據(jù)改善效果篩選最終方案,并對最終方案進行下沉剛度試驗。車門鉸鏈系統(tǒng)改進前、后仿真與試驗下沉剛度對比見表5。
4 結(jié) 論
通過研究車門鉸鏈系統(tǒng)各單因素對鉸鏈系統(tǒng)整體下沉剛度的影響,得出以下結(jié)論。
(1)確定一種定量分析車門鉸鏈系統(tǒng)各單因素與下沉剛度相關(guān)度的方法:通過臺架試驗測得各單因素下沉量,再將各單因素下沉量與系統(tǒng)整體下沉量進行線性擬合,得到各單因素下沉量與系統(tǒng)整體下沉量相關(guān)度大小排序,選取高相關(guān)度的因素進行方案改進,下沉剛度提升明顯。
(2)本文車型車門鉸鏈系統(tǒng)各單因素與系統(tǒng)整體下沉剛度相關(guān)度較高的因素分別為:對于前門,單獨車門下沉量對系統(tǒng)下沉剛度影響最大,鉸鏈次之;對于后門,單獨鉸鏈下沉量對系統(tǒng)下沉剛度的影響顯著,車身次之。這一結(jié)果可為同類型車型快速制定改進方案指明方向。
(3)進行方案改進時,與其他位置相比,不論對車門還是車身,加強鉸鏈安裝位置(尤其是上鉸鏈位置)附近剛度都對下沉剛度提升較為有效。
(4)對改進前、后的車門進行下沉剛度試驗與仿真分析對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn),仿真分析結(jié)果變化趨勢與試驗結(jié)果變化趨勢一致,說明改進方案效果明顯,可為同類車型改進和新車型設(shè)計提供參考。
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(編輯 武曉英)