馬治軍 ，姚烈 ，于瑞賀

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 引言

車門系統(tǒng)，通過車門鉸鏈和限位器連接在車身上，繞著鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車門的開啟和關(guān)閉，是車身上相對獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。車門最大開度指車門名義打開的最大角度，一般指限位器的最大限位角度，推薦值為65°～75°[1]；但不排除某些車型，開啟角度設(shè)計(jì)小于65°，尤其是后門。當(dāng)車門開啟角度超過車門最大開度，稱為車門過開。

開發(fā)過程中，一般通過窗框剛度、門下沉剛度、門系統(tǒng)開閉耐久、關(guān)門濫用等試驗(yàn)評估車門系統(tǒng)性能。但未見OEM對車門系統(tǒng)的過開性能進(jìn)行試驗(yàn)考察，無法識(shí)別車門、鉸鏈和限位器抵抗超負(fù)荷過開門力作用的能力。

因此，本文作者重點(diǎn)針對7個(gè)市售車型(涵蓋合資品牌與自主品牌車型)后門進(jìn)行過開性能研究，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)M過開工況，考察車過開角度、過開失效等，評價(jià)車門過開狀態(tài)下性能，識(shí)別過開風(fēng)險(xiǎn)，并研究優(yōu)化設(shè)計(jì)提高車門過開可靠性，為車門過開性能開發(fā)提供借鑒。

1 車門過開試驗(yàn)設(shè)計(jì)

車門過開旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，產(chǎn)生角度、速度變換；鈑金、鉸鏈、限位器彈性變形與永久變形共同作用，運(yùn)動(dòng)過程較難測量。為實(shí)現(xiàn)測量和對比評估，車門過開近似轉(zhuǎn)化為在車門全開狀態(tài)下，車門打開方向緩慢加載載荷來模擬，等效過開工況產(chǎn)生的破壞效果。

試驗(yàn)方法：如圖1所示，車身完全約束至剛性平臺(tái)，對車身設(shè)置4個(gè)及以上的約束點(diǎn)。將車門安裝在車身上，開啟到最大角度，垂直車門開啟方向加載載荷。通過測試過開位移，并經(jīng)近似計(jì)算得出車門過開角度。

圖1 過開加載示意

圖中M1為車門初始位置;M2為車門加載后位置;L為測點(diǎn)到鉸鏈軸線距離;α為車門初始開啟角度;β為車門加載測點(diǎn)過開角;δ為門開啟位移;S為車門加載測點(diǎn)過開弧長;F1為加載載荷。

加載過程：通過剛度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載過程同步記錄施加載荷、位移。測試系統(tǒng)如圖2所示。

加載位置：車門鈑金內(nèi)板鎖體位置

加載速度：50 mm/min

加載方向：沿車門打開方向施加

加載方式：逐次加載至失效

圖2 過開加載實(shí)物示意

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 過開試驗(yàn)結(jié)果

7個(gè)市場車型車門按上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，重點(diǎn)記錄了限位器結(jié)構(gòu)形式、加載過程中失效模式、限位器臂與安裝面鈑金孔距離變化、初始限位器與玻璃最小間隙信息，試驗(yàn)信息見表1。

表1 過開試驗(yàn)信息

2.2 過開角度對比分析

過開位移在150～200 mm車型較多(BCDEF)，占比超過60%；車型A過開位移較小，車型G、H過開時(shí)位移較大，為車型A的2～3倍，加載過程中位移變化趨勢由慢到快，再變慢。這是由于在試驗(yàn)過程中，鉸鏈接觸限位滯后于限位器接觸1.5°～2°，起始只有限位器起限位作用，位移變化較快，在鉸鏈與限位器同時(shí)作用時(shí)，位移變化明顯變慢[2]。

因各車型車門尺寸差異，通過車門開啟角度評估車門過開性能具有客觀性。因此，根據(jù)位移進(jìn)一步推算過開角進(jìn)行比較分析，過開角計(jì)算公式為：

式中：δ為門開啟位移；L為測量點(diǎn)到鉸鏈軸線距離；β為測點(diǎn)過開角計(jì)算值;i為對應(yīng)車型序號(hào)。

經(jīng)計(jì)算處理，650 N加載車門過開角度如圖3所示,車型A過開角度約6°，過開曲線顯示出較好剛性。過開角度大于9°，將出現(xiàn)不同失效，可能由于鉸鏈或限位器或鈑金出現(xiàn)明顯塑性變形。對應(yīng)車型E、F、G，出現(xiàn)限位器斷、門下沉、鈑金開膠等結(jié)構(gòu)問題。過開角度在8°附近車型較多(B、C、D)，對應(yīng)車門結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)限位器或者鈑金結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)塑性變形，車門開始出現(xiàn)干涉玻璃問題。

圖3 各車型車門過開角度

車門過開試驗(yàn)過程中出現(xiàn)典型失效模式：a干涉玻璃、b限位器斷、c車門下沉、d鈑金脫膠，一般在設(shè)計(jì)前期，可以通過CAE分析、運(yùn)動(dòng)校核提前識(shí)別。但基于非過載正常使用的設(shè)計(jì)檢查，不能完全覆蓋過開使用工況中限位器干涉玻璃問題。文中重點(diǎn)對限位器干涉玻璃，致玻璃碎裂失效問題，以及相關(guān)因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。

3 限位器干涉玻璃因素分析

根據(jù)失效現(xiàn)狀、實(shí)驗(yàn)還原及CAE分析，對7款車型中限位器干涉玻璃失效原因分析：干涉玻璃問題均出現(xiàn)在金屬彈簧限位器(B、D、F)，金屬彈簧限位器安裝面與端部距離較橡膠彈簧限位器大，加載過程中較早出現(xiàn)限位器臂與安裝面鈑金孔干涉；限位器變形位置集中在限位器臂與鈑金孔干涉位置，且限位器安裝面鈑金出現(xiàn)較大變形，推測過開限位器干涉玻璃問題結(jié)構(gòu)方面影響因素：(1)限位器安裝面到限位器端部距離；(2)限位器與鈑金孔干涉情況；(3)限位器安裝面剛度。繼續(xù)對干涉玻璃的可能結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行對比試驗(yàn)，以期得出較優(yōu)設(shè)計(jì)。

3.1 限位器安裝面與端部距離對干涉玻璃問題影響

為對比限位器安裝面與端部距離差異對干涉玻璃問題影響，針對F車型，進(jìn)行一組金屬彈簧限位器和橡膠彈簧限位器對比試驗(yàn)，兩個(gè)試驗(yàn)樣本僅限位器結(jié)構(gòu)差異，如圖4所示，金屬彈簧限位器較橡膠彈簧限位器安裝面與端部距離大18 mm。

圖4 金屬彈簧限位器和橡膠彈簧限位器結(jié)構(gòu)

加載過程限位器與玻璃最小間隙變化如圖5所示，加載過程中，金屬彈簧限位器與玻璃最小間隙減小較快，說明限位器安裝面與端部距離越大，限位器變形對限位器與玻璃間隙影響越大，越容易出現(xiàn)干涉玻璃。

圖5 限位器與玻璃最小間隙變化曲線

3.2 限位器安裝面鈑金孔尺寸對干涉玻璃問題影響

為研究限位器安裝面鈑金孔尺寸對干涉玻璃問題影響，如圖6所示，通過對鈑金孔進(jìn)行改制，限位器鈑金孔單邊增大2 mm，增大與限位器臂間隙，并與未擴(kuò)前進(jìn)行對比試驗(yàn)。

圖6 限位器安裝面鈑金孔擴(kuò)孔示意

加載過程中限位器接觸鈑金孔時(shí)過開力值與干涉玻璃時(shí)過開力值對比如圖7所示，由圖可知，鈑金擴(kuò)孔2 mm，限位器干涉鈑金孔時(shí)的過開力值增大近1倍(320～600 N)，干涉玻璃過開力增大100 N(由600 N提升到700 N)。車門過開時(shí)，限位器臂與鈑金切邊干涉，干涉位置如圖8所示。

圖7 過開力值對比

圖8 限位器臂碰觸安裝面鈑金示意

此時(shí)限位器臂形成杠桿支點(diǎn)，易造成限位器臂折彎；對比可知，適當(dāng)增大限位器與安裝面鈑金孔間隙，避免接觸，有助于改善限位器干涉玻璃問題。

3.3 不同鈑金結(jié)構(gòu)對干涉玻璃問題影響

安裝面加強(qiáng)鈑料厚增加，直接改善的是安裝面鈑金剛度，考慮到限位器安裝面剛度對改善限位器與玻璃間隙影響明顯，進(jìn)一步進(jìn)行2K因子DOE試驗(yàn)，分析影響安裝面剛度的敏感因子，指導(dǎo)限位器安裝面剛度提升設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)因子如圖9所示，以翻邊高度(A)，Z向高度(B)，匹配面高度(C)，厚度(D)四因子兩水平，響應(yīng)敏感度如圖10所示，可以看出：翻邊高度為最敏感因子,厚度影響很大,Z向高度影響也較大,Z向高度和翻邊高度交互影響,匹配面高度影響很小。擬合得到對應(yīng)經(jīng)驗(yàn)方程，可用于設(shè)計(jì)初期限位器。

圖9 限位器安裝面剛度結(jié)構(gòu)因子

圖10 限位器安裝面剛度因子效應(yīng)

計(jì)算結(jié)果(Y1)的系數(shù)估計(jì)，使用安裝面剛度核算(未編碼單位的數(shù)據(jù)R-Sq=99.73%，R-Sq(預(yù)測)=99.13%，R-Sq(調(diào)整)=99.56%):

Y=2.194 60-0.164 337A-0.505 250D+

0.000 873 750A·B-0.002 430 00B-0.010 450 0C

通過DOE試驗(yàn)分析可以得出結(jié)論：限位器安裝面加強(qiáng)板翻邊高度對安裝面剛度最為敏感。后續(xù)限位器加強(qiáng)板設(shè)計(jì)上，在空間滿足條件下增加翻邊結(jié)構(gòu)及Y向匹配。

4 過開受力模型分析

車門系統(tǒng)過開過程受力分析如圖11所示，車門受外力Fdoor開啟，車門繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)，加載點(diǎn)到軸線的距離Ldoor，限位器起到限制門旋轉(zhuǎn)的反作用力Fcheck，限位器有效作用力臂Lhinge,但車門受力平衡時(shí)：

圖11 車門過開受力分析示意

簡化受力分析，如圖12所示 。

圖12 限位器受力分析

F1=Fcheckcosθ

F2=Fchecksinθ

M=F1Larm=FcheckcosθLarm

綜上，設(shè)計(jì)前期，根據(jù)過開門作用距離、過開車門作用力、限位器有效作用力臂、限位器偏轉(zhuǎn)角、殼體安裝面法向力上臂旋轉(zhuǎn)力臂等設(shè)計(jì)參數(shù)，可以估算限位器受力、車門鈑金正壓力、限位器固定螺栓剪切力、殼體偏轉(zhuǎn)扭矩；設(shè)計(jì)階段識(shí)別和防止限位器過載，限位器安裝面變形及限位器過載彎曲等問題。

5 結(jié)論

文中闡述了通過8款市場車型過載試驗(yàn)對比及分析，識(shí)別失效模式，以及影響限位器干涉玻璃問題的結(jié)構(gòu)因素，通過建立限位器受力模型可供設(shè)計(jì)借鑒，以期改善過開性能：

(1) 過開角度設(shè)計(jì)與檢查

過開角度及過開位移，鉸鏈的最大開度一般是車門的最大開度+3°，運(yùn)動(dòng)校核角度一般在鉸鏈最大開度的基礎(chǔ)上+5°[3]，文中建議運(yùn)動(dòng)校核角度約為車門最大開度+8°，運(yùn)動(dòng)校核要涵蓋車門最大開度；同時(shí)可通過過開試驗(yàn)驗(yàn)證，過開加至最大載荷，過開角度小于8°；減小鉸鏈接觸限位滯后角度，從而改善車門過開性能。

(2)影響限位器干涉玻璃的因素

限位器臂長、限位器臂與鈑金孔間隙、限位器安裝面鈑金強(qiáng)度對限位器干涉玻璃影響明顯，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡量避免限位器臂過長，保證限位器臂與鈑金孔間隙不小于5 mm，位器加強(qiáng)板設(shè)計(jì)上，通過增大限位器安裝面加強(qiáng)板翻邊高度，在空間滿足條件下增加翻邊結(jié)構(gòu)及Y向匹配等提高安裝面剛度。

(3) 物理模型應(yīng)用

通過受力模型，可以估算限位器受力矩、車門鈑金正壓力、限位器固定螺栓剪切力、殼體偏轉(zhuǎn)扭矩；限位器臂力矩越小，變形的風(fēng)險(xiǎn)越小，力矩平衡可以得出，限位器力矩大小主要受制于車門尺寸。但減小Larm可優(yōu)化限位器力臂Fcheck產(chǎn)生的彎矩，設(shè)計(jì)過程中滿足運(yùn)動(dòng)需求下，減小Larm。