汽車車門過開性能及典型過開失效研究

馬治軍 ，姚烈 ，于瑞賀

(上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 引言

車門系統(tǒng)，通過車門鉸鏈和限位器連接在車身上，繞著鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)車門的開啟和關(guān)閉，是車身上相對獨立的運動系統(tǒng)。車門最大開度指車門名義打開的最大角度，一般指限位器的最大限位角度，推薦值為65°～75°[1]；但不排除某些車型，開啟角度設(shè)計小于65°，尤其是后門。當(dāng)車門開啟角度超過車門最大開度，稱為車門過開。

開發(fā)過程中，一般通過窗框剛度、門下沉剛度、門系統(tǒng)開閉耐久、關(guān)門濫用等試驗評估車門系統(tǒng)性能。但未見OEM對車門系統(tǒng)的過開性能進行試驗考察，無法識別車門、鉸鏈和限位器抵抗超負(fù)荷過開門力作用的能力。

因此，本文作者重點針對7個市售車型(涵蓋合資品牌與自主品牌車型)后門進行過開性能研究，通過設(shè)計試驗?zāi)M過開工況，考察車過開角度、過開失效等，評價車門過開狀態(tài)下性能，識別過開風(fēng)險，并研究優(yōu)化設(shè)計提高車門過開可靠性，為車門過開性能開發(fā)提供借鑒。

1 車門過開試驗設(shè)計

車門過開旋轉(zhuǎn)運動過程中，產(chǎn)生角度、速度變換；鈑金、鉸鏈、限位器彈性變形與永久變形共同作用，運動過程較難測量。為實現(xiàn)測量和對比評估，車門過開近似轉(zhuǎn)化為在車門全開狀態(tài)下，車門打開方向緩慢加載載荷來模擬，等效過開工況產(chǎn)生的破壞效果。

試驗方法：如圖1所示，車身完全約束至剛性平臺，對車身設(shè)置4個及以上的約束點。將車門安裝在車身上，開啟到最大角度，垂直車門開啟方向加載載荷。通過測試過開位移，并經(jīng)近似計算得出車門過開角度。

圖1 過開加載示意

圖中M1為車門初始位置;M2為車門加載后位置;L為測點到鉸鏈軸線距離;α為車門初始開啟角度;β為車門加載測點過開角;δ為門開啟位移;S為車門加載測點過開弧長;F1為加載載荷。

加載過程：通過剛度試驗機進行加載，加載過程同步記錄施加載荷、位移。測試系統(tǒng)如圖2所示。

加載位置：車門鈑金內(nèi)板鎖體位置

加載速度：50 mm/min

加載方向：沿車門打開方向施加

加載方式：逐次加載至失效

圖2 過開加載實物示意

2 試驗結(jié)果分析

2.1 過開試驗結(jié)果

7個市場車型車門按上述方法進行試驗，試驗過程中，重點記錄了限位器結(jié)構(gòu)形式、加載過程中失效模式、限位器臂與安裝面鈑金孔距離變化、初始限位器與玻璃最小間隙信息，試驗信息見表1。

表1 過開試驗信息

2.2 過開角度對比分析

過開位移在150～200 mm車型較多(BCDEF)，占比超過60%；車型A過開位移較小，車型G、H過開時位移較大，為車型A的2～3倍，加載過程中位移變化趨勢由慢到快，再變慢。這是由于在試驗過程中，鉸鏈接觸限位滯后于限位器接觸1.5°～2°，起始只有限位器起限位作用，位移變化較快，在鉸鏈與限位器同時作用時，位移變化明顯變慢[2]。

因各車型車門尺寸差異，通過車門開啟角度評估車門過開性能具有客觀性。因此，根據(jù)位移進一步推算過開角進行比較分析，過開角計算公式為：

式中：δ為門開啟位移；L為測量點到鉸鏈軸線距離；β為測點過開角計算值;i為對應(yīng)車型序號。

經(jīng)計算處理，650 N加載車門過開角度如圖3所示,車型A過開角度約6°，過開曲線顯示出較好剛性。過開角度大于9°，將出現(xiàn)不同失效，可能由于鉸鏈或限位器或鈑金出現(xiàn)明顯塑性變形。對應(yīng)車型E、F、G，出現(xiàn)限位器斷、門下沉、鈑金開膠等結(jié)構(gòu)問題。過開角度在8°附近車型較多(B、C、D)，對應(yīng)車門結(jié)構(gòu)，試驗過程中出現(xiàn)限位器或者鈑金結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)塑性變形，車門開始出現(xiàn)干涉玻璃問題。

圖3 各車型車門過開角度

車門過開試驗過程中出現(xiàn)典型失效模式：a干涉玻璃、b限位器斷、c車門下沉、d鈑金脫膠，一般在設(shè)計前期，可以通過CAE分析、運動校核提前識別。但基于非過載正常使用的設(shè)計檢查，不能完全覆蓋過開使用工況中限位器干涉玻璃問題。文中重點對限位器干涉玻璃，致玻璃碎裂失效問題，以及相關(guān)因素進行系統(tǒng)研究。

3 限位器干涉玻璃因素分析

根據(jù)失效現(xiàn)狀、實驗還原及CAE分析，對7款車型中限位器干涉玻璃失效原因分析：干涉玻璃問題均出現(xiàn)在金屬彈簧限位器(B、D、F)，金屬彈簧限位器安裝面與端部距離較橡膠彈簧限位器大，加載過程中較早出現(xiàn)限位器臂與安裝面鈑金孔干涉；限位器變形位置集中在限位器臂與鈑金孔干涉位置，且限位器安裝面鈑金出現(xiàn)較大變形，推測過開限位器干涉玻璃問題結(jié)構(gòu)方面影響因素：(1)限位器安裝面到限位器端部距離；(2)限位器與鈑金孔干涉情況；(3)限位器安裝面剛度。繼續(xù)對干涉玻璃的可能結(jié)構(gòu)因素進行對比試驗，以期得出較優(yōu)設(shè)計。

3.1 限位器安裝面與端部距離對干涉玻璃問題影響

為對比限位器安裝面與端部距離差異對干涉玻璃問題影響，針對F車型，進行一組金屬彈簧限位器和橡膠彈簧限位器對比試驗，兩個試驗樣本僅限位器結(jié)構(gòu)差異，如圖4所示，金屬彈簧限位器較橡膠彈簧限位器安裝面與端部距離大18 mm。

圖4 金屬彈簧限位器和橡膠彈簧限位器結(jié)構(gòu)

加載過程限位器與玻璃最小間隙變化如圖5所示，加載過程中，金屬彈簧限位器與玻璃最小間隙減小較快，說明限位器安裝面與端部距離越大，限位器變形對限位器與玻璃間隙影響越大，越容易出現(xiàn)干涉玻璃。

圖5 限位器與玻璃最小間隙變化曲線

3.2 限位器安裝面鈑金孔尺寸對干涉玻璃問題影響

為研究限位器安裝面鈑金孔尺寸對干涉玻璃問題影響，如圖6所示，通過對鈑金孔進行改制，限位器鈑金孔單邊增大2 mm，增大與限位器臂間隙，并與未擴前進行對比試驗。

圖6 限位器安裝面鈑金孔擴孔示意

加載過程中限位器接觸鈑金孔時過開力值與干涉玻璃時過開力值對比如圖7所示，由圖可知，鈑金擴孔2 mm，限位器干涉鈑金孔時的過開力值增大近1倍(320～600 N)，干涉玻璃過開力增大100 N(由600 N提升到700 N)。車門過開時，限位器臂與鈑金切邊干涉，干涉位置如圖8所示。

圖7 過開力值對比

圖8 限位器臂碰觸安裝面鈑金示意

此時限位器臂形成杠桿支點，易造成限位器臂折彎；對比可知，適當(dāng)增大限位器與安裝面鈑金孔間隙，避免接觸，有助于改善限位器干涉玻璃問題。

3.3 不同鈑金結(jié)構(gòu)對干涉玻璃問題影響

安裝面加強鈑料厚增加，直接改善的是安裝面鈑金剛度，考慮到限位器安裝面剛度對改善限位器與玻璃間隙影響明顯，進一步進行2K因子DOE試驗，分析影響安裝面剛度的敏感因子，指導(dǎo)限位器安裝面剛度提升設(shè)計。

結(jié)構(gòu)因子如圖9所示，以翻邊高度(A)，Z向高度(B)，匹配面高度(C)，厚度(D)四因子兩水平，響應(yīng)敏感度如圖10所示，可以看出：翻邊高度為最敏感因子,厚度影響很大,Z向高度影響也較大,Z向高度和翻邊高度交互影響,匹配面高度影響很小。擬合得到對應(yīng)經(jīng)驗方程，可用于設(shè)計初期限位器。

圖9 限位器安裝面剛度結(jié)構(gòu)因子

圖10 限位器安裝面剛度因子效應(yīng)

計算結(jié)果(Y1)的系數(shù)估計，使用安裝面剛度核算(未編碼單位的數(shù)據(jù)R-Sq=99.73%，R-Sq(預(yù)測)=99.13%，R-Sq(調(diào)整)=99.56%):

Y=2.194 60-0.164 337A-0.505 250D+

0.000 873 750A·B-0.002 430 00B-0.010 450 0C

通過DOE試驗分析可以得出結(jié)論：限位器安裝面加強板翻邊高度對安裝面剛度最為敏感。后續(xù)限位器加強板設(shè)計上，在空間滿足條件下增加翻邊結(jié)構(gòu)及Y向匹配。

4 過開受力模型分析

車門系統(tǒng)過開過程受力分析如圖11所示，車門受外力Fdoor開啟，車門繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)，加載點到軸線的距離Ldoor，限位器起到限制門旋轉(zhuǎn)的反作用力Fcheck，限位器有效作用力臂Lhinge,但車門受力平衡時：

圖11 車門過開受力分析示意

簡化受力分析，如圖12所示 。

圖12 限位器受力分析

F1=Fcheckcosθ

F2=Fchecksinθ

M=F1Larm=FcheckcosθLarm

綜上，設(shè)計前期，根據(jù)過開門作用距離、過開車門作用力、限位器有效作用力臂、限位器偏轉(zhuǎn)角、殼體安裝面法向力上臂旋轉(zhuǎn)力臂等設(shè)計參數(shù)，可以估算限位器受力、車門鈑金正壓力、限位器固定螺栓剪切力、殼體偏轉(zhuǎn)扭矩；設(shè)計階段識別和防止限位器過載，限位器安裝面變形及限位器過載彎曲等問題。

5 結(jié)論

文中闡述了通過8款市場車型過載試驗對比及分析，識別失效模式，以及影響限位器干涉玻璃問題的結(jié)構(gòu)因素，通過建立限位器受力模型可供設(shè)計借鑒，以期改善過開性能：

(1) 過開角度設(shè)計與檢查

過開角度及過開位移，鉸鏈的最大開度一般是車門的最大開度+3°，運動校核角度一般在鉸鏈最大開度的基礎(chǔ)上+5°[3]，文中建議運動校核角度約為車門最大開度+8°，運動校核要涵蓋車門最大開度；同時可通過過開試驗驗證，過開加至最大載荷，過開角度小于8°；減小鉸鏈接觸限位滯后角度，從而改善車門過開性能。

(2)影響限位器干涉玻璃的因素

限位器臂長、限位器臂與鈑金孔間隙、限位器安裝面鈑金強度對限位器干涉玻璃影響明顯，產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)考慮盡量避免限位器臂過長，保證限位器臂與鈑金孔間隙不小于5 mm，位器加強板設(shè)計上，通過增大限位器安裝面加強板翻邊高度，在空間滿足條件下增加翻邊結(jié)構(gòu)及Y向匹配等提高安裝面剛度。

(3) 物理模型應(yīng)用

通過受力模型，可以估算限位器受力矩、車門鈑金正壓力、限位器固定螺栓剪切力、殼體偏轉(zhuǎn)扭矩；限位器臂力矩越小，變形的風(fēng)險越小，力矩平衡可以得出，限位器力矩大小主要受制于車門尺寸。但減小Larm可優(yōu)化限位器力臂Fcheck產(chǎn)生的彎矩，設(shè)計過程中滿足運動需求下，減小Larm。