某SUV車型蝴蝶門鉸鏈系統的設計分析

谷賀雄，薛東亮，張驍誠

（長城汽車股份有限公司 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

前言

隨著消費觀念及技術的發展，消費者已不滿足于汽車基本代步的功能，更加注重汽車的消費品特質，蝴蝶門就是汽車的特質之一。

我公司某SUV展車為了提升科技感、豪華感，增強展示效果，計劃搭載蝴蝶門系統。本文針對蝴蝶門鉸鏈系統設計及校核分析方法進行介紹。

1 蝴蝶門分型

1.1 蝴蝶門的發展史

蝴蝶門鉸鏈一般布置在A柱或靠近A柱的翼子板上，通過鉸鏈向前上方開啟的車門如同蝴蝶展開的翅膀，因此得名“蝴蝶門”。

1.2 蝴蝶門的布置類型

常見的蝴蝶門布置分兩大類，見表1：

表1 蝴蝶門車型及布置分類

a.車門有框/無框決定了蝴蝶門展開效果、鉸鏈布置、開閉門是否需降玻璃；

b.其中，奔馳SLR邁凱輪722分為多種車型，敞篷/無A柱無框車門采用單鉸鏈+單撐桿布置方式，硬頂/有框車門及軟頂/有A柱無框車門采用雙鉸鏈+單撐桿布置方式。

2 鉸鏈系統的布置設計

2.1 軸線布置及開閉效果驗證

以造型效果圖為藍本，以CAS數據中布置鉸鏈軸線[1]，建立車門開啟的運動仿真分析模型，模擬開啟效果與效果圖一致，確定鉸鏈軸線及最大開啟角度為90°。

2.2 設計要求及基礎參數

為減小開啟力/力矩，對車門總成減重設計，如門板采用碳纖維材質等；

基礎參數：

a.車門總重35kg，含門板、玻璃等；

b.車門重心(1574.6，-929.8，477.7)；

c.開啟時間10s、門轉速1.5rpm。

2.3 鉸鏈系統設計及布置

本車型為無框車門，采用單鉸鏈+單撐桿系統布置方案。

通常的蝴蝶門系統的撐桿外露布置于翼子板下側，美觀性差；為提升展示效果，將電撐桿布置于機艙內部，外觀簡潔、優美。布置方案見圖1。

圖1 鉸鏈系統布置方案

鉸鏈系統工作原理：

本系統主要由9部分組成。

通過電氣系統向電動推桿3提供動力，以驅動控制擺臂5實現旋轉運動，擺臂5與鉸鏈7通過鉸鏈軸6進行聯接，鉸鏈7與車門端的車門安裝結構9剛性聯接，鉸鏈7旋轉帶動車門安裝結構9同步旋轉，從而實現蝴蝶門開啟/關閉。

通過電控系統，實現蝴蝶門開閉控制及開閉邏輯/角度調整等個性化設置。

2.4 鉸鏈系統計算及選型

首先結合軸線及開啟效果，做出重心軌跡線[2]；

驅動力F：重力G門分解為有效力F1與無效力F2，無效力F2通過旋轉軸軸向抵消，驅動力F克服有效力F1從而驅動蝴蝶門開閉，即F=F1；

力臂 L：蝴蝶門在打開旋轉過程中，重心繞軸線形成圓弧，驅動力與軸線間的距離；

驅動力矩：T1=F×L=F1×L

計算蝴蝶門開啟力矩表：

以蝴蝶門關閉狀態為起點，完全打開（90°）狀態為終點，間隔10°計算開啟力矩，見表2。

由表2可知，蝴蝶門開啟50°時所需瞬時驅動力矩最大，即T1=216.3Nm，故以此來計算選型[3]；

通過開啟力矩計算所需電撐桿的推力：

擺臂5的擺臂力矩T0=F0×L0

驅動力矩T1=F1×L

擺臂力矩T0=驅動力矩T1，即F0=T1/L0=2163N

表2 開啟力矩表

綜合考慮摩擦力等損耗，取安全系數a=1.8，故電撐桿推力取T=4000N，故推桿參數選型為24V DC、15mm/s、推力4000N、行程140mm；

依據上述設計參數及周邊結構數據，制作鉸鏈系統的CATIA數據。

3 鉸鏈系統的驗證

3.1 鉸鏈CAE分析驗證

模擬使用工況，針對最大扭矩工況（50°）及最終扭矩工況（90°）狀態的鉸鏈進行CAE分析（選用常見材質45鋼），分析結果見表3及圖2：

表3 鉸鏈CAE性能分析

圖2 最大扭矩工況（左）及最終扭矩工況（右）

3.2 實車驗證

蝴蝶門系統經實車試驗，各工況均平穩執行，試驗效果與設計相符。

4 結束語

與標桿車相比，本車開創性的將蝴蝶門鉸鏈系統內置于機艙內，使得外觀最大程度的簡潔、優美，提升了展車的展示效果。并通過數據設計、計算校核及模擬分析、實車驗證，實現了此方案的實際應用。