汽車車門限位系統力學性能淺析

劉少鋒，金云光，郭鵬

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學機械與電氣學院，安徽 合肥 230601）

引言

汽車車門在汽車整體中占有舉足輕重的地位，很多企業都在試圖改善車門的結構，用以減輕車身質量并且提高安全性和乘坐舒適性。汽車車門限位系統的設計具有很重要的作用，限位器在現有的基礎上，應該朝著更加舒適、安全感的方向發展。

目前，在探討限位器布置、限位器異常磨損分析與改進、限位器安裝點開裂、限位器失效解決方案以及限位夾具等方面做了充足的研究。但是關于限位器整體設計包括結構設計、校核與破壞實驗、以及換擋力方面的研究并不完善，國內關于限位系統的設計更是少之又少，很多都是依靠國外技術[1]。

1 車門限位器

車門限位器組成：一般由限位臂桿、滑塊（滾珠）、殼體、止擋塊、止檔塊和安裝支架構成。

限位臂桿：臂桿一端與車身相連接，另外一端穿過殼體和止擋塊放置在車門中，起到主要限制作用。

止擋塊：當車門開啟至最大角度處時，止擋塊通過與殼體接觸，從而限制車門過度開啟，達到保護車門車身不受損壞。

殼體：殼體內部裝有彈性元件和滑塊，其始終固定在車門上，在開關車門時，隨車門繞鉸鏈中心旋轉，是限位系統的主體結構。

滑塊：滑塊主要配合彈性元件使用，在彈性元件壓力作用下，與臂桿保持接觸。

安裝支架：安裝支架與臂桿連接，固定在車身上，控制限位器安裝在合適的位置。

圖1 車門限位器組成示意圖

2 力學性能要求

操作換擋力：根據的人主觀感受，限位器的操作力約30N比較合適；具體開發過程，應根據主觀評價進行調整。

操作力衰減：經過5萬次的耐久試驗，操作力的衰減應在初始值的50%以內（但最小值應大于10N）。

過載性能 前門限位器在承受316 N*m，不得出現開裂、變形等缺陷。后門限位器在承受291 N*m，不得出現開裂、變形等缺陷。

靜載能力：在標準試驗環境下，在拉伸設備上對限位器臂桿（包塑后）進行靜載荷試驗，要求限位器能承受8000N的力，臂桿不得出現任何裂紋、開裂和斷裂等破壞現象[2]。

3 力學性能計算與分析

對車門限位器的力學性能研究，包括應力分布情況和位移變形狀況。由于限位臂桿、限位殼體、安裝支架和止檔塊是整個限位系統最重要的部分，須考慮在過載和靜載條件下的應力應變分布情況，本文以靜載8000N為例進行闡述[3]。

3.1 限位臂桿力學研究

圖2 限位臂桿應力分布

在乘客推門力的作用下，限位盒體會滑到限位器的檔位。此時限位系統所受到的不僅僅是推力，同時也有風力和摩擦力，更主要的是限位臂桿運動到終止位置時的車門慣性力或者乘客的過開門力，而這個作用力主要是通過止擋塊作用在限位臂桿上的（稱為作用力）。假定車門的重量為30Kg，并且加上人為破壞開門力，假設縱向拉伸力為8000N，設置摩擦力值為20N。隨后就會得到臂桿在終止位置時由于過力開門破壞時的應力分布情況，從下圖可以看出，最大應力分布在臂桿與止擋塊接觸末端，最大應力值為 204MPa，最大位移量為臂桿末端（變形量 0.831mm），未超過材料的屈服極限。

圖3 限位臂桿位移變形量

3.2 限位殼體力學研究

在運動到終止位置的瞬間，是整個限位系統也是限位盒體受載最大時刻，此時給定止擋塊對限位盒體的壓力值依然假定為8000N。

通過分析可以看出，應力最大處是限位盒體凸臺部分與底面部分連接處略往上方位置，最大應力值雖然為147MPa，最大變形量僅為0.0118mm，位移量相對微小，可以忽略不計，沒有超過材料屈服極限。

圖4 限位殼體應力分布

圖5 限位殼體位移變形量

分析車門開啟時限位系統在過力開門位置時的受載情況，可以得出以下結論：在設計限位系統時要充分考慮其在車門上的安裝位置，得到設計的最優解；在加工制造時，要在切槽處倒圓角以減小應力集中，防止在此處發生斷裂；安裝時要注意誤差和精度，避免由于安裝而影響限位系統壽命。

3.3 安裝支架力學分析

限位系統是通過安裝支架與車身固連成一體的，安裝支架的力學性能決定了限位系統能否工作。由于在車門開閉未達到極限位置時，大部分的力都是由車門上下鉸鏈承擔，作用在限位系統安裝支架上的力不足以影響限位系統正常工作。這里僅討論限位器工作到最大檔位狀態時受到8000N靜載下的應力和應變分布。

分析得到安裝支架的受載應力分布情況，可以看到最大應力發生在安裝支架與限位臂桿連接處，且最大應力值為82.6MPa。支架選定材料抗拉強度為170～270MPa左右，故該零件不會發生失效現象，也不會影響限位系統工作。

圖6 安裝支架的應力分布

圖7 安裝支架的應變分布

在車門過力破壞開啟到最大檔位置時，安裝支架會發生相應的位移變形量，由于最大變形量為 0.17mm，最大變形區為安裝支架與限位臂桿靠近處。由于變形量很小，而且所有的作用力只是短暫性的，并不是持續作用，所以實際工作中的變形量要小的多。在考慮材料的彈性模量作用，可以得出在真實情況下的位移變形量是可以忽略的。

3.4 限位器止檔塊力學分析

止擋塊安裝在限位臂桿另一端末端，主要限制車門開啟角度，防止車門開啟范圍過大而傷及車身部件。止擋塊僅僅在限位器滑動到二檔時才起作用，工作時靠其帶有半圓球凸臺的一面與限位盒體底面接觸，以達到限位作用。

現在假定其受到車門慣性力的沖擊載荷作用，在過力開門狀態下，車門會帶動限位盒體壓向止擋塊，給定載荷為8000N。計算分析其受載后的力學性能，止擋塊在承受沖擊載荷時其應力最大區域在尾部與限位臂桿連接處，最大值為120MPa，未超過鑄鐵的抗拉強度（170MPa～270MPa）。

圖9 止檔塊的應變分布

4 換擋力研究

4.1 不同工況換擋力組成

在限位系統工作時，會產生不同的阻力，換擋力不同是限位器得以工作的主要原因。換擋力涉及三種工況：水平（不考慮車門重力影響）、車門重力做正功、車門重力做負功。下面介紹換擋力的組成部分以及不同工況換擋力的計算公式。

圖10 限位器正常工況受力分析

圖11 限位器在車門重力做正功受力分析

圖12 限位器在車門重力做負功受力分析

通過以上三種情況分析，對限位系統要求最高的是重力做正功狀態。當車輛處于傾斜路況，如果這時乘員的開門力或者在推動車門的換擋力過大，將會造成限位系統破壞以及車門車身受到變形損傷。

4.2 根據換擋力選擇彈性體

上述汽車處于不同路況下換擋力的組成，這一節主要闡述當車身處于平穩路面下車門開啟不同位置時換擋力的大小。根據最適合乘客的開閉車門換檔力，確定彈性體的彈性系數，選擇合適的彈性體，優化整個限位系統的設計。

圖13 限位器臂桿滑塊示意圖

由：

得：

根據限位系統換擋力的分析求出限位系統處于不同位置時其最佳的彈性系數，通過優化可得到最佳彈性系數值，從而選擇合適的彈性體。

5 結束語

將有限元技術應用于限位器力學性能計算分析；從零部件設計到力學性能研究，通過分析每一個零件的破壞極限和強度校核，實現了限位系統的安全工作；最后通過對換擋力的研究，從而選擇更加優化的彈性體，找到乘員推門力的最優解，實現了人與機械的完美結合。