摘 要： 汽車車門鉸鏈布置是車身工程開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；阢q鏈布置要素分析和斷面設(shè)計(jì)分析, 提出一種依據(jù)分縫線前后限制邊界的鉸鏈設(shè)計(jì)布置方法。介紹影響鉸鏈布置的關(guān)鍵參數(shù), 基于最小限制邊界和工藝制造要求, 給出車門鉸鏈正向布置的設(shè)計(jì)方法, 最后結(jié)合工程實(shí)例, 利用該方法實(shí)現(xiàn)了車門鉸鏈的快速布置, 并通過DMU (Digital Mock-Up, 電子樣機(jī)) 運(yùn)動(dòng)仿真和性能驗(yàn)證分析, 驗(yàn)證了布置方法的有效性。

0 引言

在車門鉸鏈布置方面, 通常的設(shè)計(jì)開發(fā)流程是:造型部輸出新車型CAS (Concept A Surface, 汽車初步造型面) 給工程部門進(jìn)行可行性分析, 由工程部門進(jìn)行鉸鏈初始數(shù)據(jù)布置和運(yùn)動(dòng)校核分析, 通過設(shè)計(jì)修改迭代的方式, 完成鉸鏈的布置和分縫可行性分析反饋。這種設(shè)計(jì)方法往往要經(jīng)過多版造型數(shù)據(jù)的修改和確認(rèn), 效率非常低;同時(shí)車門系統(tǒng)開發(fā)過程中, 門鎖、限位器、密封條、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)布置[1]以及車門系統(tǒng)品質(zhì)設(shè)計(jì)都需要圍繞著鉸鏈軸線進(jìn)行定義;因此鉸鏈布置及其軸線定義直接影響著整車開發(fā)周期以及車門系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)品質(zhì)。

基于鉸鏈布置要素分析、工藝制造和環(huán)境匹配參數(shù)分析研究, 提出了一種限制邊界的車門鉸鏈設(shè)計(jì)布置關(guān)鍵技術(shù), 并結(jié)合某新車型開發(fā), 采用該方法完成了車門鉸鏈設(shè)計(jì)參數(shù)布置, 并進(jìn)行了DMU仿真分析和性能分析, 驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法符合要求。

1 鉸鏈設(shè)計(jì)布置開發(fā)原則

1) 通用化選用原則。

同平臺(tái)車型盡量選用相同規(guī)格鉸鏈進(jìn)行布置開發(fā), 減少模具投入, 縮短開發(fā)周期, 降低成本;

2) DMU運(yùn)動(dòng)保證原則。

車門鉸鏈的布置要滿足車門在理論狀態(tài)及調(diào)整狀態(tài)下的DMU設(shè)計(jì)要求;

3) 性能保證原則。

車門鉸鏈布置要滿足車門系統(tǒng)的垂向剛度等性能指標(biāo)要求;

4) 關(guān)聯(lián)布置原則。

開發(fā)階段, 鉸鏈、門鎖、限位器等零部件進(jìn)行協(xié)同布置, 以獲得較好的車門開關(guān)門品質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 鉸鏈布置要素分析

通過對(duì)多款車型的鉸鏈布置分析、主斷面設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)動(dòng)分析研究, 鉸鏈軸心到鉸鏈車身側(cè)安裝面距離、鉸鏈間距、鉸鏈傾角以及鉸鏈在車身上的坐標(biāo)空間位置是影響車門鉸鏈布置和運(yùn)動(dòng)分析的關(guān)鍵要素。

2.1 鉸鏈軸心到鉸鏈車身側(cè)安裝面距離

P是鉸鏈軸心到鉸鏈車身側(cè)安裝面的距離, 如圖1所示。當(dāng)車門總成繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)至最大角度時(shí), P值主要影響車門與鉸鏈車身側(cè)本體以及安裝螺栓之間的距離是否滿足最大開啟角度設(shè)計(jì)要求, 同時(shí)也是影響車門鉸鏈處主斷面A、B柱腔體Y向尺寸的關(guān)鍵因素之一, 影響其扭轉(zhuǎn)剛度和碰撞性能。因此, P值定義需要充分考慮以上限制要素, 規(guī)避各種開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本浪費(fèi)。不同的A柱腔體Y向尺寸對(duì)碰撞剛度的性能影響見表1。

表1 Y向尺寸對(duì)碰撞性能的影響

圖1 鉸鏈軸心到鉸鏈車身側(cè)安裝面距離

2.2 車門鉸鏈間距

車門鉸鏈間距指的是車門下鉸鏈下端面至車門上鉸鏈上端面之間的距離。車門鉸鏈的間距需結(jié)合車門的整體尺寸, 以滿足車門使用剛度等性能要求為準(zhǔn)進(jìn)行定義。設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí), 通常基于以下原則:

1) 車門重心位置要落在以上、下鉸鏈、門鎖中心嚙合點(diǎn)所構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi);

2) 以上、下鉸鏈布置間距為基準(zhǔn)形成的鉸鏈系統(tǒng), 能夠滿足縱向、橫向載荷的國家標(biāo)準(zhǔn)要求, 滿足車門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能定義要求;

3) 以上、下鉸鏈間距為基準(zhǔn)形成的鉸鏈系統(tǒng), 滿足車門系統(tǒng)下垂剛度使用規(guī)定要求。

2.3 鉸鏈傾角

鉸鏈傾角是影響車門開關(guān)門品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一[2]。不同的鉸鏈傾角, 影響車門的抬高量以及車門質(zhì)量在車門鉸鏈法向平面的分量大小, 即影響車門的自關(guān)閉力矩。為獲得較好的自關(guān)閉力矩, 設(shè)計(jì)布置時(shí), 通常采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化, 采用車門水平自關(guān)閉力矩圖對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià), 如圖2所示, 以獲得最佳的車門開關(guān)門品質(zhì)參數(shù)。

圖2 傾角對(duì)車門水平自關(guān)閉力矩的影響

2.4 車門鉸鏈空間位置定義

車門鉸鏈空間位置布置時(shí), 首先通過參數(shù)化設(shè)計(jì), 確定車門下鉸鏈安裝位置。

1) X方向, 基于造型提供的初版CAS面車門分縫線的位置為參考, 參照對(duì)標(biāo)車型鉸鏈與分縫線的相對(duì)理論尺寸進(jìn)行初步定義。

2) Y方向, 基于車門外板到車門內(nèi)板的距離, 調(diào)整邊界距離以及鉸鏈軸中心至鉸鏈邊界的Y向距離。

鉸鏈軸心到車門外板A面的Y向距離為K。K值是鉸鏈Y向坐標(biāo)定義的重要參數(shù), K值的定義主要由主機(jī)廠依據(jù)工藝制造水平、內(nèi)外板材料厚度、鉸鏈安裝調(diào)整許可空間等幾項(xiàng)指標(biāo)確定。后視圖中鉸鏈調(diào)整的許可空間如圖3所示, 某車型K值參考指標(biāo)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 鉸鏈最大調(diào)整間隙

K值定義為

其中s值為

式中, DTS (Dimensional Technical specification) 為面差值;otr為外板料厚;m為車門內(nèi)外板最小間隙;inr為內(nèi)板料厚;n為車門圓角到鉸鏈車門側(cè)安裝面邊界的距離;s為鉸鏈調(diào)整距離;q為鉸鏈車門側(cè)安裝面最外則邊界到鉸鏈軸線r向的距離。

圖4 鉸鏈邊界到外板A面的Y向距離

3) Z方向, 以車門門洞止口水平邊 (X向) 為基準(zhǔn), 向上偏移距離LZ, LZ為車門下鉸鏈下端面的位置[4]。

式中, LZ1為前門內(nèi)板圓角半徑, LZ2為預(yù)留的Z向調(diào)整間隙。

待下鉸鏈安裝位置定義后, 依據(jù)車門鉸鏈間距及車門傾角的定義方法, 獲得相應(yīng)的上鉸鏈位置。采用坐標(biāo)變換, 將上、下鉸鏈移動(dòng)至布置安裝位置。

3 車門鉸鏈布置及運(yùn)動(dòng)極限分析

根據(jù)鉸鏈布置關(guān)鍵影響要素, 以及結(jié)合工藝制造、面差調(diào)整等實(shí)際應(yīng)用環(huán)境, 使得車門滿足空間運(yùn)動(dòng)要求。提出了以車門裝配極限位置為基準(zhǔn)的車門鉸鏈布置方法, 從而進(jìn)行車門鉸鏈位置定義和分縫線設(shè)計(jì)。

3.1 極限裝配狀態(tài)理論分析

車門在運(yùn)動(dòng)過程中, 與周邊環(huán)境件發(fā)生干涉的狀態(tài)為其運(yùn)動(dòng)的極限狀態(tài), 找出極限狀態(tài)邊界及邊界條件下鉸鏈布置位置區(qū)間, 即可完成車門鉸鏈布置。

車門鉸鏈運(yùn)動(dòng)的邊界條件為

式中, Lmin為最小運(yùn)動(dòng)距離, Ls為運(yùn)動(dòng)安全距離, ∈為工藝條件不利影響距離。

在制造偏差、面差調(diào)整等影響下, Lmin最小極限距離為0 mm。即運(yùn)動(dòng)安全距離值Ls等于工藝條件不利影響距離值∈, 也就是車門運(yùn)動(dòng)過程中, 在考慮工藝條件的情況下, 以鉸鏈軸為中心, 車門外板包邊圓弧與翼子板等環(huán)境件輪廓邊界的相切位置。

3.2 往前極限位置分析

前門開閉運(yùn)動(dòng)時(shí), 前門包邊圓角與翼子板相對(duì)極限位置分析如圖5所示。

圖5 分縫線最前極限位置

圖5為前門鉸鏈軸線前移1 mm、內(nèi)移1.5 mm, 前門外板前移1 mm、外移1 mm, 以及前門鉸鏈軸線前移1 mm、外移1.5 mm, 前門外板前移1mm、外移1 mm 2種裝配狀態(tài)下的設(shè)計(jì)分析, 所獲得的外板輪廓曲線為圖中A、B。通過圖5可以看出, 在輪廓A條件下, 前門圓角與翼子板運(yùn)動(dòng)的極限狀態(tài)距離最小。Lmin最小距離發(fā)生在輪廓A與翼子板圓角相切時(shí)車門分縫所在位置。

因此, 前門鉸鏈軸線前移1 mm、內(nèi)移1.5 mm, 前門外板前移1 mm、外移1 mm所獲得的邊界輪廓為前門與翼子板之間的最小極限條件。

同樣, 后門開閉運(yùn)動(dòng)時(shí), 后門鉸鏈軸線前移1mm、內(nèi)移1.5 mm, 后門外板前移1 mm, 前門外板內(nèi)移3 mm (3 mm為鎖栓調(diào)整的過關(guān)狀態(tài)) 所獲得的邊界輪廓為后門與前門之間的最小極限條件。

3.3 往后極限位置分析

前門開閉運(yùn)動(dòng)時(shí), 前門開啟至最大角度時(shí), 前門外板與鉸鏈車身側(cè)及安裝螺栓之間極限距離分析如圖6所示。

圖6為前門鉸鏈軸線后移1 mm、內(nèi)移1.5 mm, 前門外板前移1 mm、內(nèi)移1 mm, 以及前門鉸鏈軸線后移1 mm、外移1.5 mm, 前門外板前移1mm、內(nèi)移1 mm 2種裝配狀態(tài)下的設(shè)計(jì)分析, 所獲得的外板輪廓曲線為圖中C、D。通過圖6可以看出, 輪廓C為前門外板與鉸鏈車身側(cè)及安裝螺栓之間極限位置, 此時(shí)距離最小。Lmin最小距離發(fā)生在預(yù)留相應(yīng)的安全距離位置。

圖6 分縫線往后極限位置

因此, 前門鉸鏈軸線后移1 mm、內(nèi)移1.5 mm, 前門外板前移1 mm、內(nèi)移1 mm所獲得最大角度位置, 為前門與鉸鏈車身側(cè)及安裝螺栓之間的最小極限條件。

同樣, 后門開閉運(yùn)動(dòng)時(shí), 后門鉸鏈軸線后移1mm、內(nèi)移1.5 mm, 后門外板前移1 mm、內(nèi)移1 mm所獲得最大角度位置, 為后門與鉸鏈車身側(cè)及安裝螺栓之間的最小極限條件。

3.4 前后限制邊界

分縫線前后限制邊界通過上述往前和往后極限位置分析, 依據(jù)最小安全距離設(shè)計(jì)要求, 推導(dǎo)出的分縫線在X向往前和往后限制邊界, 以及鉸鏈中心點(diǎn)的空間區(qū)域位置, 如圖7所示。

圖7 分縫線前后限制邊界

3.5 基于限制邊界的車門鉸鏈布置及分縫線

在新車型開發(fā)可行性分析及車門鉸鏈布置時(shí), 根據(jù)車門分縫線前后最大限制邊界理論, 可以獲得車門鉸鏈的布置位置及分縫線設(shè)計(jì)區(qū)域。前車門分縫線前后限制邊界及鉸鏈布置如圖8所示, 采用該方法獲得的某車型側(cè)車門分縫線及鉸鏈布置位置如圖9所示。

圖8 前車門分縫線前后邊界限制

4 數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 DMU運(yùn)動(dòng)分析

DMU運(yùn)動(dòng)仿真分析可以用來檢驗(yàn)車門鉸鏈的布置是否符合設(shè)計(jì)要求, 分縫線的位置是否滿足最小間隙要求。檢驗(yàn)以該方法設(shè)計(jì)好的某車型前車門分縫線 (圖9) 。

圖9 側(cè)車門分縫線及鉸鏈布置位置

前車門鉸鏈軸線及車門處于理論位置, 前車門開啟至10.2°時(shí), 車門與翼子板間隙最小, 為2.54mm, 大于工程設(shè)計(jì)要求的最小間隙2.5 mm。

前車門鉸鏈軸線及車門處于理論位置, 車門在過開3° (鉸鏈開度為71°+3°=74°) 時(shí), 車門與鉸鏈的最小間隙為5.75 mm, 大于工程設(shè)計(jì)要求最小間隙3 mm。

4.2 車門系統(tǒng)性能分析

待車門鉸鏈位置確定后, 進(jìn)行車門性能指標(biāo)CAE分析, 通過計(jì)算分析, 車門Z向垂向剛度為215 N/mm, 最大殘余變形為0.15 mm, 符合設(shè)計(jì)要求。

樣車完成后, 對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行了10萬次開閉耐久試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)束后, 車門鉸鏈開啟功能正常且無異響, 車門下沉量為0.2 mm, 縱向載荷和橫向載荷滿足法規(guī)要求。

5 總結(jié)

采用基于限制邊界條件的車門鉸鏈正向設(shè)計(jì)方法, 充分考慮車門鉸鏈的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素和車身工藝制造要求, 規(guī)范鉸鏈布置的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過DMU運(yùn)動(dòng)分析和性能分析, 驗(yàn)證該方法用于車門鉸鏈布置切實(shí)有效可行, 能夠有效縮短車門鉸鏈的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。