某偏置駕駛室自卸車車門下沉問題分析及改進

郭曉青

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

1 前言

在產品開發過程中，通常用CAE分析和臺架試驗兩種方法來評價車門的垂直剛度水平。在工程設計階段，產品三維數據設計完成后，通過Nastran有限元分析軟件，將帶鉸鏈的車門焊接總成模擬實際情況進行約束，然后在門鎖處向下加載一定的力，計算門鎖處的最大垂直位移和卸載后的殘余塑性變形量。在開發驗證和生產階段，將樣件進行垂直剛度臺架試驗，進一步驗證車門剛度是否滿足要求。由于CAE分析結果與臺架試驗結果必然存在一定偏差，最終以樣件的臺架試驗結果為準，其必須滿足產品開發初期定義的剛度性能指標。

按照企業現有的車門剛度評價方法[1]，無論商用車還是乘用車，車門總成垂直剛度的評價指標為: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影響車門總成的垂直剛度指標[2]。

2 問題描述及分析

2012年2月，黑龍江達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，車門出現了下沉現象，并且車門鉸鏈已發生可見變形，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致車門下沉的原因之一，同時車門焊接總成剛度不足也有可能導致車門下沉，具體原因需要結合CAE分析和臺架試驗進一步判斷。

2.1 500 N加載下車門垂直剛度CAE分析

按照現有評價方法對帶車門鉸鏈的車門焊接總成進行垂直剛度CAE分析，驗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 車門閉合狀態下偏置駕駛室自卸車車門原始結構垂直剛度分析結果

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，在實際使用中出現了較為明顯的車門下沉現象，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際使用工況。

2.2 加載值的確定

加載值的確定必須符合實際使用工況。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，調研中發現駕駛員經常按壓或拉拽車門上的關門扶手上、下車，車門所受載荷較大，這就要求車門剛度及強度更高。

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

表3 上、下車車門受力數據

考慮到不同駕駛員體重的差異性，并參考國外汽車生產企業的中重型載貨汽車車門垂直剛度評價基準，最終確定偏置駕駛室自卸車車門垂直剛度的加載指標為1000 N，最大加載點Z向位移≤5 mm，即垂直剛度應大于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行了 1000 N垂直加載CAE分析，同時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分析結果可知，在1000 N加載下，車門+鉸鏈的最大Z向位移達到9.8 mm，不滿足Z向位移≤5 mm的要求，如圖3、表4所示；且車門內板及鉸鏈的局部應力值較高（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構進行加強，提高剛度。

表4 車門閉合狀態下1000 N加載時車門垂直剛度

3 改進措施

3.1 鉸鏈結構改進

3.1.1 鉸鏈垂直剛度試驗

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

試驗方法: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，測定施力點的Z向位移（圖5）[5]。

在同等試驗條件下，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），和其結構類似的J5R鉸鏈剛度為177 N/mm（最大位移為2.85 mm），其它3種常規結構鉸鏈剛度范圍從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，同時要實現車門鉸鏈的X、Y、Z 3個方向都可以進行調整，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，活動頁板為懸臂式結構的鍛件，壁厚為10 mm，在端部與鉸鏈軸套焊接。此種結構由于活動頁板固定點離鉸鏈軸中心距離較遠，因此導致鉸鏈剛度與常規鉸鏈相比要差（圖 6、圖 7、圖 8）。

考慮到結構其與常規鉸鏈相比的特殊性，初步確定改進后偏置鉸鏈的垂直剛度目標值為:在標準剛性臺架上測試，剛度值為200 N/mm以上（最大位移為2.5 mm以下）；CAE分析時，在實際車門狀態下，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 具體改進措施

通過圖4中鉸鏈的應力云圖可見，鉸鏈固定頁板及活動頁板的凸臂處都是應力集中及變形較大的地方，因此針對以上部位進行以下結構改進（圖9）。對固定頁板的形狀進行優化，重點加強鉸鏈軸周圍部位，同時將頁板材料厚度由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數量；取消活動頁板與軸套的焊接方式，將活動頁板與軸套改為整體鍛件，并對彎臂形狀進行優化和局部加厚。

3.2 車門焊接總成結構改進

通過對鉸鏈、車門+鉸鏈的CAE分析結果可知，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到3.1 mm。結合鉸鏈的改進目標，要想實現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分析值應滿足最大位移≤1.3 mm的要求。

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

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

3.3 改進后的車門CAE分析

對改進后的車門鉸鏈及車門焊接總成進行1000 N加載CAE分析，改進后的車門及鉸鏈最大位移為3.3 mm，垂直剛度與原結構相比增加了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，改進效果較為理想（圖13、表5）。

表5 改進后的車門在1000 N加載下垂直剛度

4 車門設計建議

通過此次工作，在今后的商用車車門設計中，有以下幾點建議:

a.車門剛度評價指標應根據車輛實際使用情況確定，避免出現轎、輕、中重車型的車門評價指標完全相同的不合理現象。同時在CAE分析時應考慮到臺架試驗值與CAE分析結果存在一定偏差（試驗值位移量偏大），預留一定的安全系數。

b.為便于具體分析與改進，車門剛度的評價指標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行評價，提高改進的效率和可行性。

c.要充分考慮車輛的實際使用工況來定義車門鉸鏈的結構強度，中重型商用車的車門鉸鏈結構要區別于輕型車，固定頁板和活動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，并按照強度要求合理選擇材料。

d.車門鉸鏈加強板的設計很關鍵，鉸鏈加強板多選用高強度鋼板，材料厚度為2.5 mm，結構形式采用整體式，加強板的上部延伸到車門前框，下部延伸到車門內板底部，并與車門內板充分焊接。

1 崔高勤.汽車試驗技術手冊（上冊）.吉林:吉林科學技術出版社，1993:613～616.

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

3 郭竹亭.汽車車身設計（下）.吉林科學技術出版社，1994:107.

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

5 郝琪.基于計算機模擬的車門下沉剛度改進設計及模態分析.湖北汽車工業學院學報， 2006，20（2）:7～10.