某型掀背門鉸鏈平臺化參數研究及優化

晏寧, 邵長明

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

實施平臺戰略可大幅降低汽車公司的成本，并提高開發效率，加快新產品推出，平臺化開發已成為各大汽車廠降低研發成本以及縮短開發周期的重要手段。對整車而言，平臺化是一種降本增效的非常有效的手段，同時，平臺化相關方法也可應用在汽車中各分總成、小總成的通用化設計中，這將對各分總成、小總成的設計時間與費用的降低產生較大的影響。基于平臺化參數設計的思想與方法，拓撲優化多用于汽車行業設計的多參數優化，郭鈴鈴等采用拓撲優化方法對掀背門的輕量化進行一定研究，周德生、錢銀生等基于拓撲優化方法對拖鉤強度進行了相關的設計優化，張偉、王鈺棟等則對白車身進行了基于拓撲優化方法的設計優化，另外，還有基于拓撲優化方法對發動機罩、車架進行的拓撲優化設計并取得了一定的成果。而參數化則是進行拓撲優化的基礎，進行參數設計與研究可加快平臺化的設計。文中主要基于參數化優化，闡述掀背門鉸鏈平臺化過程中的參數研究與優化。因此，文中主要是對鉸鏈的布置方式、尺寸參數進行對比分析，解析出影響較大的鉸鏈布置與結構參數，并針對這些參數進行多參數組合優化，獲得較優的平臺化參數。

1 鉸鏈平臺化參數對性能的影響

鉸鏈作為掀背門與車身的連接件，其剛度和可靠性決定了掀背門在使用過程中的穩定性，鉸鏈雖然結構簡單但性能要求較高。掀背門鉸鏈常用的布置方式有卷軸式(圖1)和非卷軸式(圖2)兩種，其中非卷軸式在用料上較卷軸式少18.5%左右，但在生產線上裝配的手操作空間較小、卷軸式掀背門鉸鏈在生產線裝配的手操作空間大，但制造工藝更加復雜、裝配難度高。兩相比較選取偏向基本持平，因此需要比較其剛度性能來確定掀背門鉸鏈平臺化采用的布置方式。

圖1 某型掀背門鉸鏈的卷軸式布置方式

圖2 某型掀背門鉸鏈的非卷軸式布置方式

采用有限元法對以上兩種鉸鏈布置方式的剛度性能進行對比。鉸鏈的剛度性能分析采用縱向剛度和橫向剛度兩個指標作為評價標準，其分別定義為縱向加載和橫向加載時加載點的位移的倒數，那么可知在同等條件下剛度越大越好。

基于鉸鏈幾何數據處理獲得鉸鏈的有限元分析模型，如圖3所示，以非卷軸式鉸鏈為例，并按照圖2的邊界和約束條件進行模型搭建。鉸鏈4個部分(活動頁、固定頁、鉸鏈軸、襯套)的材料信息見表1。

圖3 鉸鏈的有限元模型

表1 鉸鏈各部分的材料信息

經有限元法分析，獲得兩種鉸鏈布置形式的剛度對比，如圖4所示。對比可知，非卷軸式鉸鏈同等情況下剛度優于卷軸式鉸鏈，因此文中選取非卷軸式鉸鏈作為平臺化鉸鏈的布置形式。

圖4 兩種鉸鏈布置形式的剛度對比

對于鉸鏈設計來說，其主要的控制參數有8個，詳見表2。此參數表中的幾何尺寸參數對鉸鏈的剛度影響通過有限元法進行分析，判斷參數變化對剛度的影響程度及趨勢，解析出影響較大的參數。

表2 鉸鏈主要控制參數

按照設計實際相符的原則，在合理且可實現的尺寸范圍內，對表2中的參數進行離散賦值，詳見表3。然后分別建立對應參數值的有限元分析模型，計算獲得鉸鏈的剛度性能結果。

表3 各參數的離散賦值 單位：mm

有限元法建模以及分析后，獲得各參數變化對剛度的影響趨勢結果，如圖5所示。對比分析可知，對掀背門鉸鏈剛度影響較大的參數有、、f、a、等5個，接下來對這5個參數進行組合優化設計。

圖5 各參數變化對剛度的影響趨勢

2 鉸鏈平臺化參數優化研究

在滿足鉸鏈的側向剛度、縱向剛度、塑性應變等要求的條件下，對鉸鏈參數進行組合優化設計。文中對、、f、a、等5個參數的最優組合進行多參數優化設計，以體積最小為目標，以加載點位移、塑性應變為約束，以上述5個變量為參數，并考慮工程實際給定參數取值的變化范圍,詳見表4。參數的優化流程如圖6所示。

表4 優化參數變化范圍 單位：mm

圖6 參數的優化流程

經過優化后的參數組合見表5，其中和f兩個參數的優化值與初始值相差較大，且除f外其余參數基本在參數值范圍的下限，這表明如果實際條件允許，這幾個參數可以進一步降低，這有利于減重，但須根據實際尺寸配合的情況來決定。

表5 優化后參數組合 單位：mm

采用優化后的參數對模型進行網格變形，分析橫向剛度和縱向剛度，結果如圖7所示。從圖中觀察可知，橫向剛度和縱向剛度在優化后均有一定提升，其中橫向剛度提升65.7%，縱向剛度提升6.9%，且鉸鏈質量減少2.2%，質量降低，進一步降低成本。

圖7 優化參數前后剛度對比

3 結語

文中以某型掀背門鉸鏈作為分析對象，對鉸鏈的布置形式以及結構參數進行有限元對比分析，確定鉸鏈平臺化的布置方式采用非卷軸式。解析出對鉸鏈剛度性能影響較大的參數，主要有、、f、a、等5個參數，并確定為鉸鏈平臺化的主要設計參數。再結合鉸鏈設計實際確定參數變化范圍，并以質量最小為目標，以剛度性能和塑性應變為約束條件，對鉸鏈進行多參數組合優化分析，最后找出相對較優的結構參數組合，實現在保證剛度的前提下降低質量的目的以及掀背門鉸鏈的平臺化參數設計。