某轿车车门防撞梁和铰链的优化分析

夏 威，占 州，赖福林

（九江学院机械与材料工程学院，江西 九江332005）

0 引言

车门作为车身的关键组件，是汽车车身上的一个极其重要的总成。车门连接车内乘客与外部，从人机工程方面考虑，车门结构对汽车的舒适性和安全性来说有着巨大的影响。乘用车车门应具有足够的强度、刚度，保证应对车门开关时的耐冲击力以及与侧碰时的耐撞性力等，不至于发生严重变形，影响安全性能。因此，在保证车门刚度和强度以及各项性能的前提条件下，满足车门结构设计的要求，就显得十分重要[1]。本文进行的前车门防撞梁和铰链的优化分析，目的是为了使车门的结构设计更加合理，性能更加优越，在满足车门质量的前提下，使其刚度及强度达到要求。

1 防撞梁和铰链的结构分析

车门一般由车门门体、车门附件和车门内饰三部分组成[2]，本文主要针对前车门体的防撞梁和车门附件的铰链进行结构设计。

1.1 车门防撞梁

车门防撞梁是指在车门内部加上横梁的结构设计，目的是用来加强车辆侧面刚度、强度，提高防撞抵抗的能力，以提升侧面安全性能。查资料可得圆截面的吸能效果最好，因此采用圆管结构，根据车门内外板的长度和附件的布置设计，防撞梁长度取为1 011 mm，一般其截面半径为33～36 mm，取R=35 mm，厚度为2 mm，两端通过连接件焊接在门内部上。

本文中前车门防撞梁采用08Al优质碳素钢材料，在进行防撞杆的结构强度验证时，汽车受到侧撞时可看成一个刚性物体对车门以及车门内部构件进行挤压，故冲击力的大小可以约等于在撞击接触面上受到的挤压力，根据动量守恒定律得，该力的计算公式为：

式中：Fq为侧面碰撞中的撞击局部的接触力，单位为N。

m为撞击车辆的质量与驾驶员质量之和；本文所选汽车质量为1 515 kg；人的质量取正常成人的体重，取驾驶员的质量65 kg，故m=1 580 kg。

v为撞击速度：在高速碰撞情况下，碰撞速度取1 201 km/h，即 33 m/s。

t为撞击时间：正常情形下汽车撞击的时间短，作用时间取为120 ms。

根据上述取值，并代入（1）中得，

根据材料力学对杆类零件强度的设计标准：

其中，接触截面的应力计算公式如下所示：

A为圆管截面的面积，将R=35 mm，t=2 mm，r=R-t=33 mm，故本文中防撞杆截面面积计算公式如下所示：A= π（R2-r2）= π（352-332）＝427.04 mm2

将 Fq＝ 434 500 N，A=427.04 mm2，其中，根据所选材料代入式（2）得，

通过验证，本文中的防撞梁杆在汽车高速碰撞时，不会发生断裂而失去吸收撞击能的作用，符合许用应力要求，因此防撞梁设计满足要求。

1.2 车门铰链

上、下两个铰链将车门安装在门柱上，实现车门与门柱的连接。在车门关闭状态下，由两个铰链、门锁及定位器共同支撑车门重力，而在车门开启状态下，由铰链来支撑车门的全部重力。铰链轴线的布局位置会改变车门的开度大小，上、下铰链的间距L与车门长度Z之比为L/Z＜1/3，而且上铰链的上部与下铰链的下部之间的距离≥330 mm[3]。

下式中F1表示作用在车门手柄上沿竖直方向的分力，F2、F3分别表示作用在铰链处的沿水平和竖直两个方向的分力，G为车门重力。

由材料力学理论得，可忽略剪应力F3的作用，则下铰链处的应力可表示以下形式为：

由式（6），车门外型和附件设计基本确定后，F1、G、a、b为定值。为减小σ1，只有加大铰链中心线高度，或加大铰链的横截面积[4]。当F2减小时，σ1减小，则铰链提高，有利于防止车门的下垂。一般情况下，L=300-500 mm，本文取为415 mm，Z/L约为0.345，稍大于1/3。本设计中F1=（17.9±1.4）N，取为18 N，h=12 mm，a=660 mm，b=1 000 mm，l=50 mm，将数据代入公式（4）、（5）、（6）得：

2 车门易损件的优化分析

2.1 车门易损件的三维模型的建立

车门防撞梁结构通过的拉伸、抽壳即可得到其三维模型，如图1所示。其两端连接部分为钣金件可由冲压命令得到。车门铰链分为三部分分别为上部、下部和连接销钉。在零件设计平台，利用草图编辑器绘制基本轮廓，再通过拉伸、凹槽、抽壳等命令得到三维模型，然后在转配设计中按相对位置进行装配，从而得到铰链的三维模型。如图2所示。

图1 车门防撞梁的三维模型

图2 车门铰链的三维模型

2.2 车门防撞梁的优化分析

将车门防撞梁导入至ANSYS软件中进行线性静力结构分析，本文所建立的车门防撞梁网格单元体尺寸设置为10 mm，四边形形状。可得车门防撞梁在受载荷101.75 MPa下，车门防撞梁的主要应力、应变变形在中部和两端位置，最大变形位移为2.596 mm，受到的最大应力为511 450 MPa，如图3，4所示。为加强刚度，可在防撞梁两端设置加强板，中部设置支承部件，以减少振动和变形[5]。

图3 车门防撞梁的应力分析云图

图4 车门防撞梁的应变分析云图

2.3 车门铰链的优化分析

本文所建立的铰链的划分为六面体网格，铰链施加约束和载荷的方法与防撞梁相似，分别在上、下铰链上设置固定约束，并在铰链转动板处施加一个Z方向的-150 N的力，即承受车门竖直向下的自身重力，铰链在承受车门自重150 N后，上铰链的最大应变位移为2.27×10-4mm，下铰链的最大应变位移为1.76×10-4mm，如图5、图6所示。上铰链的最大应力为45.06 MPa，下铰链的最大应力为35.19 MPa。上下铰链的应力集中在销轴位置，且其值远小于铰链许用应力值280 MPa，如图7、图8所示。

图5 上铰链的应变分析云图

图6 下铰链的应变分析云图

图7 上铰链的应力分析云图

由于车门铰链在车门的频繁开启和关闭中，在这种循环载荷的作用下就有可能会出现疲劳失效，故对其进行疲劳寿命分析，可得车门上、下铰链的寿命分析云图，如图9、图10所示，本文采用结构钢的铰链的疲劳寿命均为次，达到铰链耐久性的要求。

图9 下铰链寿命分析云图

图10 下铰链寿命分析云图

3 结语

本设计从安全性出发，进行汽车前车门的优化设计，保证驾乘人员的安全。通过分析车门易损件的结构和应力分布，很好地改善车门易损件的结构。前车门的安全设计对驾乘人员有重要的保护作用，具有一定的意义。