专用汽车推拉门设计方法研究

王典1 王海军2

1. 中国第一汽车股份有限公司 吉林长春 1300112. 山东水星博惠汽车部件股份有限公司 山东德州 253300

1 前言

目前，在国内专用汽车推拉门的设计中，关闭舒适性能方面的研究一直没有得到设计人员足够的重视，相关的评价指标没有确定，这给产品品质的评价和产品的设计开发带来一定的风险。车门关闭力是影响车门关闭舒适性的关键因素，关闭力的大小与车门的关闭速度成正比，研究均以速度这一指标进行[1]。

下面以一港口专用牵引车驾驶室后车门的设计开发案例，对专用汽车推拉门设计开发过程进行总结。通过车门关闭速度试验对专用汽车推拉门舒适的关闭速度进行求解，并引入专用汽车推拉门的评价指标。

针对以往车门设计开发过程中，很多评价指标都要等到产品试制阶段，才能经过试验验证确定产品是否满足评价指标。这种产品开发模式风险高，时间长，成本高，已不能适应目前数字化时代的产品开发需求。为此，通过数学方法对专用汽车推拉门最小关门速度V进行计算推导，得出这一评价指标的理论计算分析方法。

2 产品定义

2.1 主要参数

港口专用牵引车驾驶室后车门的具体参数如下：车辆侧门离地高度为1 440 mm，且门侧脚踏空间不足，不利于乘员上下车，乘员主要利用后车门上下车，侧门主要用于传递单据。结合港口专用牵引车后车门的使用工况进行前期产品定义如下：

a.开启方式：推拉。驾驶室后侧有货箱，无法布置旋转门，为满足车门后部空间小且需满足乘员上下车的需求，故推拉门为最佳方案。

b.结构形式：框架式。开发时间短，开发费用低，整体刚度好。

c.总体尺寸：642 mm×1 805 mm×60 mm；后车门通过空间为515 mm，可同时供乘员上下车。

d.总成质量：26 kg。根据车门尺寸及项目要求确定。

e.内饰：平板内饰。考虑到推拉门若采用有造型的凸起内饰，车门开关时会与后围干涉。

f.铰链总成：采用滚动轴承式，固定在拉门框架上侧。滚动轴承强度好，且已形成系列化，产品质量有保证、成本低。

g.密封形式：一道半密封。防止水和灰尘进入车内，保证驾驶室内的水、气密封满足要求。

h.门锁：具有双侧锁止功能卡板锁。在炎热的季节，驾驶员习惯开着后门开车；并且当牵引车未搭载货箱时，驾驶员习惯打开后门向后看倒车。此两种情况下保持车门在完全开启状态下锁止更为安全。

2.2 评价指标确定

车门关闭力研究一直受到各大汽车生产企业的关注[4]。微车中门推拉门试验准则，在车门关闭过程中，当车门到达门洞中间位置时，车门关门速度V≤1 m/s，车门能够锁止，为微车车门关闭舒适性能评价的重要指标。经过使用工况比较，专用汽车推拉门关门工况与微车中门关门工况一致，对专用汽车推拉门也采用车门关闭速度这一评价指标进行试验。评价指标车门关闭速度V的取值方法以提升产品品质为导向，在试验与方程计算中取小值。

2.2.1 车门关闭速度试验[1]

根据体重选出轻、中、重试验人员若干，在没有安装门洞密封条的样车上模拟关门，通过试验仪器测得试验人员感觉较为舒适的关门速度，每人3次取平均值，试验数据如表1所示。

表1 车门关闭速度试验数据统计表（部分）

2.2.2 绘制直方图

将试验数据绘制直方图，如图1所示，可以看出试验数据服从正态分布。

图1 数据分布直方图

2.2.3 关门速度计算

根据正态分布规律，列出试验样本满足方程式，正态分布曲线见图2。

图2 正态分布曲线

汽车车身附件的设计通常须满足95%用户的使用需求，求解V即为95%的用户感觉舒服的关门速度范围。关门速度求解示意图图3所示，方程如下：

图3 关门速度求解示意图

解得V=1.2 m/s。

由车门关闭速度试验验证可知，95%的用户可以接受的关闭速度为1.2 m/s，小于1.2 m/s则更佳。为提高产品品质，将关门速度引入专用汽车推拉门评价指标，其值设定为V≤1 m/s，保证95%以上的用户对关门速度满意。

2.3 产品零件构成

专用汽车推拉门由车门FRP外板、车门玻璃、铝合金内饰盖板、车门框架总成及车门附件组成。图4所示为专用汽车推拉门零部件组成爆炸图。

图4 专用汽车推拉门产品组成爆炸图

3 产品断面设计

3.1 铰链断面设计

铰链导轨断面尺寸为49 mm×38 mm，料厚为2 mm。图5为车门铰链断面图。

图5 车门铰链断面

3.2 门洞密封断面设计

为减少车门推拉过程中车门对密封条的摩擦，减小开关门力，车门采取梯形断面，外表面平行于后围。设计要求保证车门外表面与驾驶室整体的协调统一，确保车门密封性，减小开关门力，提升用户舒适性。图6为车门门洞密封断面图。

图6 车门门洞密封断面图

3.3 窗口横向断面设计

车门与门洞密封条形成面密封。后围粘接一道密封条，驾驶室内部不可见，当车门关闭时形成密封，提升美观性的同时提高密封性能。图7为窗口横向断面图。

图7 窗口横向断面图

3.4 门锁断面设计

门锁实现双侧锁止功能，保证车门能够在关闭和全开状态下锁止；门锁集成内外把手和锁芯，操作简单，集成性强。图8为门锁断面图。

图8 门锁断面图

3.5 下装配导轨断面设计

下装配导轨采用POM材料，自润滑性好，内衬金属骨架，通过螺栓连接固定在后围上，拆装方便，牢固可靠。图9为下装配导轨断面图。

3.6 缓冲块断面设计

缓冲块采用橡胶材料，当车门开启时可以缓解车门的惯性冲击，起到保护车门及门锁的作用。图10为缓冲块断面图。

图9 下装配导轨断面图

图10 缓冲块断面图

4 车门结构设计

4.1 车门金属框架结构设计

图11所示为车门金属框架爆炸图，表2为车门金属框架构件清单，金属框架总质量为13.8 kg。

4.2 车门附件结构设计

后车门附件包括车门玻璃、门锁、锁环、铰链、缓冲块、下装配导轨、门洞密封条和后围密封条。其中，车门关闭力大小的影响因素，密封条可占到20%～50%[5]，同时具有缓冲关门冲击，减轻汽车在行车过程中振动的作用[6]。车门附件总质量为26 kg。

表2 金属框架构件清单

图12 车门附件图

5 CAE分析

CAE分析使用Nastran软件完成。导轨材料采用St12冷轧钢，料厚2 mm。约束铰链导轨和下装配导轨，对车门中梁Z向加载500 N（如图13），经CAE分析后，导轨的最大应力为56.08 MPa，最大位移0.021 mm（如图14）。

约束铰链导轨和下装配导轨，对车门中梁X向加载500 N（如图15），经CAE分析后，导轨的最大应力为87.31 MPa，最大位移0.121 mm（如图16）。对Z和X向的加载分析，导轨的应力和位移都较小，满足使用要求。

图13 CAE分析结果a

图14 CAE分析结果b

图15 CAE分析结果c

图16 CAE分析结果d

6 计算验证

以往车门设计开发模式，评价指标通常是在产品试制阶段，经过试验验证确定产品是否满足评价指标，风险高，时间长，成本高。通过专用汽车推拉门已知的零件参数，利用数学方法对专用汽车推拉门最小关门速度V进行计算推导，求得评价指标的理论计算方法，可在产品设计阶段得知车门的关闭速度，降低开发风险。

影响专用汽车推拉门关闭速度的因素包括车门结构、自重、铰链、门锁、导轨、缓冲块、气阻效应、密封条及使用环境等[8]，其中，车门自重、密封条、导轨和气阻效应对其影响最大，在不考虑气阻效应和其他附件影响的条件下，利用密封条、导轨和车门自重对车门关闭的阻力所做负功进行推导，求取专用车推拉门最小关门速度V。计算推导过程如下：

密封斜面与车门外表面的斜度控制在3°以内，从门洞密封条与车门接触到车门关闭，车门通过的长度为总通过长度（车门宽度）的三分之一左右为宜，否则将影响车门厚度，占用车内空间。

6.1 门洞密封条做功推导

门洞密封条做功示意如图17、18所示，门洞密封条横向长度为L，竖向长度为H；假设车门推拉时，当门洞密封条与车门刚接触时，门洞密封条与车门未接触长度为b，当车门关闭时门洞密封条压缩量为a，当门洞密封条压缩量为x时，门洞密封条与车门接触长度为L－b+y，车门关闭时门洞密封条每米长度的正压力为C，则：

根据试验得知，门洞密封条每米长度正压力与压缩量可以简化成成线性比例关系，图19所示。

图17 车门运动俯视图

图18 门洞密封条示意图

图19 门洞密封条每米长度正压力与压缩量关系图

可列公式求得门洞密封条上下两端对车门的阻力所做的功：

式中，F横压为当门洞密封条压缩量为x时，门洞密封条上下两端作用在车门的正压力；μ2为车门与门洞密封条的横向摩擦系数；F横阻为当门洞密封条压缩量为x时，门洞密封条上下两端作用在车门上的阻力；W横为车门关闭过程中，门洞密封条上下两端对车门的阻力所做的功。

设竖向门洞密封条与车门接触到车门关闭的行程为U，如图20所示。则当门洞密封条的压缩量为x时，可以求得车门关闭过程中，门洞密封条左右两端对车门的阻力所做的功。

式中，μ1为车门与门洞密封条的竖向摩擦系数；F竖压为当门洞密封条压缩量为x时，门洞密封条左右两端作用在车门上的正压力；F竖阻为当门洞密封条压缩量为x时，门洞密封条左右两端作用在车门上的阻力；W竖为车门关闭过程中，门洞密封条左右两端对车门的阻力所做的功。

图20 竖向门洞密封条剖面示意图

6.2 后围密封条做功推导

根据试验得知，后围密封条每米长度正压力与压缩量可以简化成线性比例关系，如图21所示。设当车门关闭时后围密封条压缩量为d，此时后围密封条每米长度的正压力为E，后围密封条与车门的接触长度为S，则可以求得后围密封条对车门的阻力所做的功：

式中，F侧为当后围密封条压缩量为u时，后围密封条作用在车门上的阻力；W侧为车门关闭过程中，后围密封条对车门的阻力所做的功。

图21 后围密封条每米长度正压力与压缩量关系图

6.3 上导轨做功推导

根据阻力公式：

式中，F3为上导轨作用在车门上的阻力；m为车门整备质量；g为重力加速度；μ3为车门铰链轴承与上导轨的摩擦系数。得到上导轨对车门阻力所做的功为：

式中，W3为车门在门洞中间位置，车门关闭过程中，上导轨对车门的阻力所做的功。

6.4 下导轨做功推导

下导轨处受到的压力F下压为门洞密封条作用于车门压力的一半，可得公式：

可以求得下导轨对车门的阻力所做的功为：

式中，μ4为车门与下导轨的摩擦系数；F下阻为当门洞密封条压缩量为x时，下导轨作用在车门上的阻力；W下阻为车门关闭过程中，下导轨对车门的阻力所做的功。

6.5 求最小关门速度

根据动能定理：

得到最小关门速度计算公式：

式中，L为门洞密封条横向长度，L=0.515 m；H为门洞密封条竖向长度，H=1.68 m；b为门洞密封条与车门刚接触时，门洞密封条与车门未接触长度，b=0.206m；C为车门关闭时门洞密封条每米长度的正压力，C=35 N/m；U为竖向门洞密封条与车门接触到车门关闭的行程，U=0.022m；E为后围密封条每米长度的正压力，E=60 N/m；S为后围密封条与车门的接触长度，S=1.733 m；d为车门关闭时门侧密封条压缩量，d=0.006 m；m为车门整备质量，m=26 kg；g为重力加速度，g=10 m/s2；μ为车门与门洞密封条的竖向摩擦系数，1μ1=0.72；μ2为车门与门洞密封条的横向摩擦系数，μ2=0.68；μ3为车门铰链轴承与上导轨的摩擦系数，μ3=0.04；μ4为车门与下导轨的摩擦系数，μ4=0.14。

将数值代入最小关门速度计算公式进行计算，求得专用汽车推拉门关门速度V=0.8 m/s＜1 m/s，专用汽车推拉门设计方案符合设计要求。

7 结语

文章以一港口专用牵引车驾驶室后车门的设计开发为案例，总结了专用汽车推拉门的设计开发过程。通过车门关闭速度试验对专用汽车推拉门的关闭速度进行求解，得到专用汽车推拉门关闭的舒适性的评价指标：最小关门速度V≤1 m/s，此值可作为此类产品的参考评价指标，应用到产品的品质评价中，提升产品品质。通过数学推导，得到专用汽车推拉门最小关闭速度这一评价指标的理论计算方法，可应用于专用汽车推拉门评价指标的理论设计验证计算，大幅度降低了产品设计开发的风险，缩短了产品开发周期，提高开发效率，降低开发成本。设计开发人员对于类似产品的设计开发可引用借鉴。

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