郭曉青

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，通常用CAE分析和臺架試驗(yàn)兩種方法來評價(jià)車門的垂直剛度水平。在工程設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)完成后，通過Nastran有限元分析軟件，將帶鉸鏈的車門焊接總成模擬實(shí)際情況進(jìn)行約束，然后在門鎖處向下加載一定的力，計(jì)算門鎖處的最大垂直位移和卸載后的殘余塑性變形量。在開發(fā)驗(yàn)證和生產(chǎn)階段，將樣件進(jìn)行垂直剛度臺架試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證車門剛度是否滿足要求。由于CAE分析結(jié)果與臺架試驗(yàn)結(jié)果必然存在一定偏差，最終以樣件的臺架試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，其必須滿足產(chǎn)品開發(fā)初期定義的剛度性能指標(biāo)。

按照企業(yè)現(xiàn)有的車門剛度評價(jià)方法[1]，無論商用車還是乘用車，車門總成垂直剛度的評價(jià)指標(biāo)為: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≤0.5mm。由此可見，在不考慮側(cè)圍前立柱剛度的前提下，車門焊接總成和車門鉸鏈的剛度都會(huì)影響車門總成的垂直剛度指標(biāo)[2]。

2 問題描述及分析

2012年2月，黑龍江達(dá)連河煤礦的某款偏置駕駛室自卸車用戶反饋，車輛在行駛2萬公里后，車門出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象，并且車門鉸鏈已發(fā)生可見變形，如圖1所示。

初步判斷，該偏置駕駛室自卸車車門鉸鏈剛度不足是導(dǎo)致車門下沉的原因之一，同時(shí)車門焊接總成剛度不足也有可能導(dǎo)致車門下沉，具體原因需要結(jié)合CAE分析和臺架試驗(yàn)進(jìn)一步判斷。

2.1 500 N加載下車門垂直剛度CAE分析

按照現(xiàn)有評價(jià)方法對帶車門鉸鏈的車門焊接總成進(jìn)行垂直剛度CAE分析，驗(yàn)證其垂直剛度是否滿足要求。通過CAE分析可知，其車門剛度為102 N/mm（表1），剛度指標(biāo)在臨界值，并且與其它幾款商用車車門相比剛度值較低（表2）。

表1 車門閉合狀態(tài)下偏置駕駛室自卸車車門原始結(jié)構(gòu)垂直剛度分析結(jié)果

表2 幾款商用車車門的垂直剛度

偏置駕駛室自卸車的使用工況比乘用車及普通商用車要惡劣的多，在實(shí)際使用中出現(xiàn)了較為明顯的車門下沉現(xiàn)象，說明需要重新判斷加載500 N是否滿足偏置駕駛室自卸車車門的實(shí)際使用工況。

2.2 加載值的確定

加載值的確定必須符合實(shí)際使用工況。由于偏置駕駛室自卸車屬于專用車輛，與普通商用車相比上、下車方便性較差，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)駕駛員經(jīng)常按壓或拉拽車門上的關(guān)門扶手上、下車，車門所受載荷較大，這就要求車門剛度及強(qiáng)度更高。

根據(jù)以上實(shí)際使用工況，試驗(yàn)人員選取了4位不同體重的人員，按照駕駛員的實(shí)際使用情況分別進(jìn)行上、下車操作，并對車門拉手處所受的實(shí)際垂直載荷進(jìn)行測量，最終換算到門鎖處的最大垂直靜載荷為401 N（表3），換算成瞬間動(dòng)載荷（通常是靜載荷的兩倍）為800 N。

表3 上、下車車門受力數(shù)據(jù)

考慮到不同駕駛員體重的差異性，并參考國外汽車生產(chǎn)企業(yè)的中重型載貨汽車車門垂直剛度評價(jià)基準(zhǔn)，最終確定偏置駕駛室自卸車車門垂直剛度的加載指標(biāo)為1000 N，最大加載點(diǎn)Z向位移≤5 mm，即垂直剛度應(yīng)大于200 N/mm。

2.3 1000 N加載下的車門垂直剛度CAE分析

對帶鉸鏈的車門焊接總成進(jìn)行了 1000 N垂直加載CAE分析，同時(shí)為了分別判斷車門鉸鏈剛度與車門焊接總成剛度，增加了車門鉸鏈自身在1000 N加載下的剛度分析，如圖2所示。

從CAE分析結(jié)果可知，在1000 N加載下，車門+鉸鏈的最大Z向位移達(dá)到9.8 mm，不滿足Z向位移≤5 mm的要求，如圖3、表4所示；且車門內(nèi)板及鉸鏈的局部應(yīng)力值較高（圖4），均高于限值，說明鉸鏈剛度及車門焊接總成剛度都較差。因此，需要對鉸鏈及車門焊接總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，提高剛度。

表4 車門閉合狀態(tài)下1000 N加載時(shí)車門垂直剛度

3 改進(jìn)措施

3.1 鉸鏈結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1.1 鉸鏈垂直剛度試驗(yàn)

為近一步判斷該偏置鉸鏈自身剛度，對鉸鏈進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)臺架下的垂直剛度試驗(yàn)，并與其它同類車型的鉸鏈進(jìn)行剛性對比。

試驗(yàn)方法: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，測定施力點(diǎn)的Z向位移（圖5）[5]。

在同等試驗(yàn)條件下，共測量了5種鉸鏈，該偏置鉸鏈剛度為117N/mm（最大位移為4.25 mm），和其結(jié)構(gòu)類似的J5R鉸鏈剛度為177 N/mm（最大位移為2.85 mm），其它3種常規(guī)結(jié)構(gòu)鉸鏈剛度范圍從250～333N/mm（最大位移為 2～1.49mm）。由此可見，該偏置駕駛室自卸車鉸鏈的垂直剛度與其它鉸鏈相比較低。

3.1.2 原因分析

由于偏置駕駛室自卸車的前立柱外板不可拆卸，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)車門鉸鏈的X、Y、Z 3個(gè)方向都可以進(jìn)行調(diào)整，因此車門鉸鏈借用了某款輕型車的后門鉸鏈，其固定頁板為沖壓件，材料厚度為3 mm，活動(dòng)頁板為懸臂式結(jié)構(gòu)的鍛件，壁厚為10 mm，在端部與鉸鏈軸套焊接。此種結(jié)構(gòu)由于活動(dòng)頁板固定點(diǎn)離鉸鏈軸中心距離較遠(yuǎn)，因此導(dǎo)致鉸鏈剛度與常規(guī)鉸鏈相比要差（圖 6、圖 7、圖 8）。

考慮到結(jié)構(gòu)其與常規(guī)鉸鏈相比的特殊性，初步確定改進(jìn)后偏置鉸鏈的垂直剛度目標(biāo)值為:在標(biāo)準(zhǔn)剛性臺架上測試，剛度值為200 N/mm以上（最大位移為2.5 mm以下）；CAE分析時(shí)，在實(shí)際車門狀態(tài)下，1000 N加載，剛度值為400 N/mm以上（最大位移為2.5 mm以下）。

3.1.3 具體改進(jìn)措施

通過圖4中鉸鏈的應(yīng)力云圖可見，鉸鏈固定頁板及活動(dòng)頁板的凸臂處都是應(yīng)力集中及變形較大的地方，因此針對以上部位進(jìn)行以下結(jié)構(gòu)改進(jìn)（圖9）。對固定頁板的形狀進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)加強(qiáng)鉸鏈軸周圍部位，同時(shí)將頁板材料厚度由3 mm改為4 mm，并增加固定頁板與立柱的固定面尺寸及固定點(diǎn)數(shù)量；取消活動(dòng)頁板與軸套的焊接方式，將活動(dòng)頁板與軸套改為整體鍛件，并對彎臂形狀進(jìn)行優(yōu)化和局部加厚。

3.2 車門焊接總成結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過對鉸鏈、車門+鉸鏈的CAE分析結(jié)果可知，偏置駕駛室自卸車車門焊接總成的自身剛度也較差。排除鉸鏈的影響，在1000 N加載情況下，車門焊接總成的最大變形達(dá)到3.1 mm。結(jié)合鉸鏈的改進(jìn)目標(biāo)，要想實(shí)現(xiàn)1000 N加載下車門+鉸鏈的最大位移≤5 mm，車門焊接總成的垂直剛度CAE分析值應(yīng)滿足最大位移≤1.3 mm的要求。

車門焊接總成為內(nèi)外板沖壓焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)外板材料厚度均為1.0 mm，鉸鏈加強(qiáng)板厚度為2.0 mm，外板窗口加強(qiáng)板和加強(qiáng)梁材料厚度為1.0 mm，門鎖加強(qiáng)板厚度為2.0 mm（圖10）。

通過車門焊接總成的應(yīng)力云圖（圖11）可見，車門內(nèi)板上、下鉸鏈固定面的應(yīng)力集中及變形較大，因此針對以上部位進(jìn)行以下結(jié)構(gòu)改進(jìn)（圖12），同時(shí)需考慮盡量在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上更改，減少后期改進(jìn)的模具投入。將車門鉸鏈加強(qiáng)板材料厚度增加到2.5 mm。在原有車門鉸鏈加強(qiáng)板的基礎(chǔ)上增加上、下兩處加強(qiáng)板并與車門內(nèi)板焊接，材料厚度為2.5 mm。在原有鉸鏈加強(qiáng)板上、下鉸鏈固定面處增加2個(gè)U型加強(qiáng)件，以提高此處的抗變形能力。

3.3 改進(jìn)后的車門CAE分析

對改進(jìn)后的車門鉸鏈及車門焊接總成進(jìn)行1000 N加載CAE分析，改進(jìn)后的車門及鉸鏈最大位移為3.3 mm，垂直剛度與原結(jié)構(gòu)相比增加了3倍，鉸鏈垂直剛度提高到454 N/mm，車門垂直剛度提高到303 N/mm，改進(jìn)效果較為理想（圖13、表5）。

表5 改進(jìn)后的車門在1000 N加載下垂直剛度

4 車門設(shè)計(jì)建議

通過此次工作，在今后的商用車車門設(shè)計(jì)中，有以下幾點(diǎn)建議:

a.車門剛度評價(jià)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)車輛實(shí)際使用情況確定，避免出現(xiàn)轎、輕、中重車型的車門評價(jià)指標(biāo)完全相同的不合理現(xiàn)象。同時(shí)在CAE分析時(shí)應(yīng)考慮到臺架試驗(yàn)值與CAE分析結(jié)果存在一定偏差（試驗(yàn)值位移量偏大），預(yù)留一定的安全系數(shù)。

b.為便于具體分析與改進(jìn)，車門剛度的評價(jià)指標(biāo)需分解到影響剛度的各部件上，對鉸鏈剛度和車門焊接總成剛度分別進(jìn)行評價(jià)，提高改進(jìn)的效率和可行性。

c.要充分考慮車輛的實(shí)際使用工況來定義車門鉸鏈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，中重型商用車的車門鉸鏈結(jié)構(gòu)要區(qū)別于輕型車，固定頁板和活動(dòng)頁板盡可能采用鑄件或鍛件一體成型，頁板材料厚度要在6 mm以上，鉸鏈軸直徑至少在10 mm以上，并按照強(qiáng)度要求合理選擇材料。

d.車門鉸鏈加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，鉸鏈加強(qiáng)板多選用高強(qiáng)度鋼板，材料厚度為2.5 mm，結(jié)構(gòu)形式采用整體式，加強(qiáng)板的上部延伸到車門前框，下部延伸到車門內(nèi)板底部，并與車門內(nèi)板充分焊接。

1 崔高勤.汽車試驗(yàn)技術(shù)手冊（上冊）.吉林:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1993:613～616.

2 李衛(wèi)平，樂玉漢.基于有限元的汽車前車門下沉剛度校核與改進(jìn)方法.北京汽車，2008（6）:8～10.

3 郭竹亭.汽車車身設(shè)計(jì)（下）.吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1994:107.

4 烏春霞.汽車車門剛度的仿真分析與試驗(yàn)研究:[學(xué)位論文].長春:吉林大學(xué)，2007.

5 郝琪.基于計(jì)算機(jī)模擬的車門下沉剛度改進(jìn)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2006，20（2）:7～10.