基于性能的車門結構設計探究

魏宇 李津

摘 要： 車門結構的設計，一方面是為了安裝在車門上的附件功能的實現，另一方面是保護駕駛員和乘員的安全。基于性能的結構設計，主要是從車門的模態、剛度以及強度等性能目標考慮，使設計工程師盡可能在設計過程中以性能設計為核心，使結構、材料等能夠服務于性能設計，并達成性能目標。

關鍵詞： 性能;結構;設計

一、 引言

車門的設計是基于造型可行，首先是滿足附件功能的結構設計，實現車門附件的功能正常發揮是最基本要求，也是最重要的一項要求。在整車的壽命周期里，附件的功能能否一直處于正常，同時能否保護駕乘人員的安全，是一項較高的要求，在產品的開發過程中，前期預先定義車門的模態、剛度、強度以及耐久性能目標，是保證產品功能和壽命的有效手段。文章基于車門模態、車門垂直剛度、車門側面強度等性能目標，探討如何基于以上性能目標進行車門結構設計。

二、車門模態

為了避免車門總成和外界的激勵產生共振，需要定義出合理的車門模態，由于模態是基礎性能，需要從車門總成整體考慮和設計。車門模態包含窗框模態、內板模態、外板模態及防撞梁模態，前兩項要求大于30Hz，外板模態要求大于45 Hz，防撞梁模態要求大于55 Hz，以避免因共振等原因導致結構破壞。

材料厚度對模態有著至關的影響，在斷面設計時，我們會通過對標或經驗初步定義材料的厚度。車門總成中，車門內板對車門的模態影響因子最大，基于輕量化和模態的考慮，內板可采用激光拼焊板技術，拼接線可按照前端厚板一般占到內板總長的五分之一來定義，后期綜合質量目標和性能目標，根據CAE的分析結果和沖壓分析情況，最終確定拼接線的位置以及前后兩塊料的厚度，避免盲目追求模態目標導致車門總成質量無法輕量化，或者盲目追求輕量化而犧牲模態目標的片面性，為協調輕量化和模態目標提供了可行的途徑。

通過多個車型的CAE分析和總結：車門總成采用滾壓窗框時，窗框和車門內板總成的連接結構對模態影響較大，尤其是窗框插入車門內板總成的長度以及該配接區域的焊接方式。結構設計時，窗框插入車門內板總成的長度一般大于120mm，窗框和內板在Z方向上至少采用兩個三層焊，如圖1所示，內板邊沿和窗框需增加兩處二氧化碳保護焊，如圖2所示，以提高車門總成的模態。

由于車門內外板除了周邊的包邊外，中間區域沒有其他的焊接和螺栓連接，因此常采用外板加強板和防撞梁與外板通過減震膠進行粘接，外板加強板一般設計有如圖3所示的膠槽，防撞梁與外板在涂膠位置的間距一般在3～6mm之間，超過6mm時可以設計如圖4的防撞梁支架，在支架上做出膠槽，在改善模態的同時，對外板的抗凹性也有明顯效果。

三、 車門垂直剛度

在車門的性能目標中，垂直剛度也是很重要的一項內容，垂直剛度的好與差，關系著車門受到自重或外力時，車門總成的彈性變形量和塑性變形量大小。車門總成（含鉸鏈）垂向剛度可參考表1：

（一）當超出目標值時，就可能導致以下現象

①車門前部與周邊件的分縫間隙上大下小，車門后部與周邊件的分縫上小下大。

②車門開閉過程和周邊件產生干涉的風險加大，甚至無法正常關閉車門。

③由于密封間隙變化導致密封條局部變形嚴重，進而出現滲水或漏風等。

④鎖扣和鎖體異常磨損以及開閉過程的異響產生，同時關閉力增大。

（二）影響車門垂直剛度的因素和設計要點

①車門寬度 基于造型優先原則和商品性原則，垂直剛度的改進不再考慮這一因素。

②鉸鏈結構和材料，在門的下垂量和力矩穩定性反面，鍛造鉸鏈相比沖壓鉸鏈有優勢，也是高檔車較多采用鍛造鉸鏈的原因。材料上一般選擇抗拉強度不低于440MPa，沖壓鉸鏈常選用SAPH440。

③鉸鏈布置，以上下鉸鏈襯套外端面間的距離與鎖嚙合點到鉸鏈軸線的比值大于0.4。由于鉸鏈間距每增加10mm，通過CAE分析得知垂直剛度可以提高3 % ，所以在造型和結構可行的情況下，盡可能加大鉸鏈間距，以提高車門剛度。

④鉸鏈側車門結構 如果車門內板采用激光拼焊板，鉸鏈螺母板與內板在焊接時，焊點盡可能接近螺母邊緣;如果采用加強板形式，上下鉸鏈加強板最好做成一個件，如果是分開的兩個件，最好是上鉸鏈加強板和下鉸鏈加強板搭接后焊接成一個整體，有利于車門垂直剛度提升。

四、 車門側面強度

國家標準GB15743-95《轎車側門強度》規定了“三種”壓力的要求和試驗的“壓頭”定義。C-NCAP的2018版碰撞無論在側面碰撞臺車質量和位置，還是在侵入目標和假人傷害評價指標上，都比2015版更嚴格。在各類交通事故中，側面碰撞帶來的傷亡占各類碰撞的三分之一，側面強度的優劣反應出車門對乘員的保護程度。在車身設計過程中，除了側圍B柱結構需要加強外，車門總成的結構和選材需要特別關注。

在SEG（Style engineer group）階段，進行附件布置和斷面設計的同時，需要完成密封面的設計和防撞梁的布置。如果防撞梁采用熱成型，防撞梁的布置相對簡單，受外板造型影響較小;如果采用圓管形式，防撞梁布置除了考慮碰撞試驗的移動壁障外，還需要根據外板的造型變化，考慮防撞與外板間的涂膠距離和涂膠位置。無論采用哪種防撞梁，都需要判斷出車門防撞梁和側圍外板的重合度C值（見圖5），該值得大小直接影響到側碰時侵入量的大小以及侵入速度的快與慢，能否有效保護乘員，是結構設計的關鍵。防撞梁的材料采用高強鋼16MnAl或熱成型鋼BR1500HS。為了滿足柱碰要求，根據需要在車門腰線位置的內板和加強板之間增加如圖6所示的小直徑防撞梁。

國家標準GB 20071《汽車側面碰撞的乘員保護》中4.3項的“特殊要求”規定：碰撞試驗過程中，車門不得開啟，碰撞試驗后，不使用工具可以打開車門。由于外拉手底座在開發過程中，形狀和結構相對變化不大。考慮到碰撞時鎖的狀態穩定，需考慮如圖7所示配重塊和玻璃的安全距離S，布置時一般不小于12mm。因此在SEG階段，通過校核外把手位置的CAS面和玻璃大面的距離，保證碰撞過程中不會因外拉手底座的變形導致車門鎖出現錯誤的動作。

五、 安裝點剛度

車門總成中涉及的安裝點較多，為了使車門附件的性能正常，需要合理設定每類安裝點的剛度。采用局部性能局部設計的思路，在內板整體形貌設計后，需要根據局部的安裝點性能要求進行內板的局部結構優化。基于剛度和沖壓工藝考慮，車門內板主筋設計如圖8所示：高度H取6mm左右，筋的小端寬度W取13mm左右，沖壓角度α取20°～30°。在設計每個安裝點的孔位時，都要做出翻邊或加強，考慮局部成型特征和優化，同時還不能影響總裝;需要設計加強件時，關注加強件與內板形成的腔體大小和焊點布置的合理性，結合CAE分析的結果，不斷優化結構，提升安裝點剛度。通過以上途徑仍然不能達到安裝點剛度時，需要在材料厚度、材料種類以及安裝點剛度目標值之間做出平衡。

以上基于性能目標的車門結構設計思路，在車門總成初版結構設計完成后，需要CAE進行模態、剛度和強度的分析，車門設計工程師再根據CAE分析的變形圖和結果，結合車門總成的邊界條件制訂改善方案，優化結構后繼續CAE分析，滿足性能目標后，在DV和PV階段進行設計驗證，保證車門總成性能目標最終達成。

參考文獻：

[1]易輝成.基于剛度和模態的車門結構件料厚多目標優化設計研究.[D].長沙：湖南大學，2011.

[2]中國標準化管理委員會.GB 15743—1995轎車側門強度[S].北京：中國標準出版社，1995.

作者簡介：? 魏宇，李津，南京金龍客車制造有限公司。