资源描述
第1章 绪 论1.1汽车车门设计行业形势车门是轿车车身设计中十分重要而又相对独立的一个部件，其质量直接关系到整车的舒适性和安全性，其性能直接影响着车身结构性能的好坏。它是车身中工艺最复杂的部件，涉及到零件冲压、零件焊接、零部件装配、总成组装等工序，尺寸配合和工艺技术等要求都非常严格。因此，车门要求密封性好、防尘、防水、隔音，如果车门的质量差，时间久了容易产生车门卡死、关闭不严等现象，随之带来的噪声和振动不但降低乘坐舒适性，而且容易造成汽车零部件的损坏。全套图纸，加153893706过去的车型主要以整体式车门为主，如桑塔纳、富康、赛欧、派力奥等等，只有在部分高端车型上才使用分体式车门；从不同车系来看，日韩车系更多的采用分体式车门，而一些欧美车型依然沿用整体式车门的结构；从车门内部构件来看，防撞梁由钣金件代替过去的管梁结构，限位器由凸轮机构式替代了传统形式的拉杆式，玻璃升降器由双导轨绳轮式结构取代了传统的齿轮式结构等等。由于分体式车门显而易见的优势，而其缺点也可以通过一些工艺手段轻易的解决，越来越多的车型上开始采用分体式车门，目前几乎所有档次的车型都开始采用。而一些老车型在进行换代开发时也开始用分体式取代原来的整体式车门，如：老款的蒙迪欧和新款蒙迪欧、老款的马自达323和新款的马自达3等。21世纪以来，“安全、环保、节能”的造车理念已基本确立。随着汽车行业的发展，汽车的优化设计包括车门的轻量化设计都成为研究的重点，其中逆向设计技术也得到了广泛应用。然而，从每年交通事故比例看，侧撞要占1/3左右，其致死率仅次于正面碰撞，而致伤率则居第一位。2006年7月1日起正式实施的侧撞法规主要要求的是车辆侧门结构的安全性。因此，在概念设计阶段完成好车门的布置设计是轿车前车门结构概念设计中相当关键的一环, 可以为以后的详细设计打好基础。本设计将依据轿车前车门的结构现状做进一步改进，充分考虑影响车门开度的各种因素（H点、人体模型尺寸、头部间隙、高宽度、A柱视野障碍角等），采用Y型防撞梁、三道密封条等设计，优化门铰链、门锁及门窗附件等的布置，将传统设计与逆向造型设计在汽车车门设计中的应用技术相结合，进行及车门各附件的功能、结构等的分析、计算和校核，总成及零部件的布置，车门密封、通风设计等，最后应用Auto CAD等软件进行绘图。1.2车身外形设计在汽车工业中的地位和意义在现代汽车工业中，车身作为汽车的三大总成之一和新车型的象征，其研制与生产技术的水平是汽车工业水平的重要标志。车身工程已经为汽车工业中发展最迅速而最具活力的分支之一。一个总成设计优良的汽车品牌在市场竞争中的成败主要取决于其外形能否吸引顾客和能否不断更新。一部汽车的地盘生存周期一般在10年左右，而车身的生命周期只有35年。一个国家没有高水平的车身研制与生产技术，就没有自主发展的汽车工业，就难以在竞争中获胜。因此，如何利用现代设计方法，加快车身设计总体和外形的设计，实现产品不断的更新换代，是一个汽车品牌在市场竞争中立于不败之地的重要法宝。探讨汽车车身设计的理论和实际意义主要体现在有助于促进汽车车身制造业的进一步发展，有助于缩短车身产品的在设计周期，有助于制造和完善各种外形美观的车身产品，有助于提高车身产品的制造精度和经济效益。1.3 传统车身外形设计方法汽车车身外形是汽车结构中与底盘和发动机并列的三大部分之一，其开发和生产准备周期最长，图纸及工艺准备的工作量最人，并且还经常要改型，不像底盘和发动机那样容易做到系列化、通用化。车身结构的特点在于组成车身外形的各个零部件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面(即所谓人型覆盖件)，这些空间曲面无法用一般的机械制图方法将其完整地表现出来，因而不得不建立立体模型作为依据。为了使这些图纸和换型能够确切地表现出车身的形状和结构，需要通过一套复杂的设计程序来完成。在传统车身设计方法中，车身的设计信息和数据的传递主要是靠二维图纸和主模型，人的手工设计部分较多。传统设计方法无法克服的缺点土要体现在以下几个方面：1、人力物力消耗大。传统的车身设计开发需要美工人员、工程技术人员及其工人通力合作，如二维工程图(车身曲线图的绘制)、土模型的制作和保存、模具设计、制造、研配和调试、生产准备中的工艺设计等都将耗费人量的人力和物力。2、设计精度低、周期长。精度低的主要原因在于设计和生成准备的各个环节之间信息传递是一种“移形”，例如由主图板制作主模刑，由主模型进行加工工艺补充，制造工艺模型，由凸的工艺模型翻成凹的工艺模型，再由工艺模型反靠加工冲模，原始数据经过这些环节的转换，各种人为的误差就在所难免，导致加工出的模具精度无法保证，只有靠下一步的手工研配来解决。3、车身定型过早且不能进行并行设计。传统车身设计基本上是一种单向不可逆设计状态，产品一旦定型，修改或改型非常困难，通用化、系列化程度低。此外，现代汽车的车身零部件由于结构和美观的需要，空间曲面日趋复杂化，传统的设计方法己很难满足设计要求。传统的车身设计方法的流程可用图1.1来表示。绘制1:5的车身总布置图绘制缩小比例的色彩效果图制作缩小比例的油泥模型绘制1:1油泥模型并绘制1:1黑板图绘制1:1的内板模型图绘制车身主图版绘制车身工作图绘制主模型模具设计和制造样式试制、生产准备 图1. 1 传统车身设计方法流程图1.4现代车身外形设计方法近几年来，由于计算机技术(CAD/CAM/CAE/CIMS等)的迅猛发展，车身外形设计方法己经发生了质的突破。在具体的设计过程中，按照产品设计信息来源的不同采用计算机辅助设计的流程上要分为以下几大类：1、产品的逆向设计(仿形设计)，如图1.2所示，产品信息来源土要是实物(样车)、二维图纸等。2、产品的正向设计(概念设计)，如图1.3所示，产品信息来源土要是图片、模型及造型人员的设计思维等。3、基于上述两者之间的交互式设计(改型设计)。 汽车造型设计 总布置图 设计思维设计思维1:5油泥模型平面效果图设计1:1油泥模型CAD面表模型建构制定曲面分块方案油泥数控铣削造型确定模拟表面数据采集CAD结构模型建构点云数据分析处理CAE分析曲面拼接、精修快速原始制造曲面数据质量评估模型设计及制造 最终造型审查样车试制生产准备工作 图1. 2 产品的逆向设计(仿形设计) 图1. 3 产品的正向设计(概念设计) 现代车身设计中大量采用CAD/CAM技术，这会带来传统设计方法无法比拟的优点，主要表现在：1、提高了设计精度：造型一旦完成建立了车身外表面的数学模型并存入数据库，经计算机管理便可以多方共享，为生产准备、工装设计制造提供方便、详细、准确的原始依据，消除了中间数据的转换，使模具加工的精度大大提高，并可消除凸凹模之间的研配，使调试、修改的工作量大为减少。2、提高了设计和加工效率，缩短了设计和制造周期：一方面表面数学模型可直接用来进行冲模设计，提高冲模设计的成功率，另一方面模具的制造可以通过直接引用CAD模烈进行数控加工，从而大大提高了模具制造的速度。3、可以方便地将造刑结果的CAD数学模型用于车身设计中的各种分析；建立了车身的CAD数学模型后，即可用于车身的强度、刚度有限元分析、车身覆盖件成烈模拟和空气动力特性模拟，获得对招个车身设计的车身刚度，车身安全性，整车空气动力特性的初始评定，使得设计的可信度大为提高。有了这样一个基础，一般只需要试制一轮样车作为验证，产品即可定型。4、在原设计基础上改型和换刑比较容易。可以避免大耸繁锁重复性的工作，缩短设计开发周期、提高效率。如轿车的二厢、三厢车的设计，卡车的单排、排半、双排、宽车、窄车、高顶、平项系列车身的设计等，均可在一个车身平台的基础上衍生多个车身，使得产品的系列化、通用化程度大人提高，极人的满足了客户的需求。1.5车门的流程化设计车门是汽车车身结构中重要的组成部分，同时相对独立，是供乘员或货物进出的必要通道。车门设计的好坏直接影响到整车的造型效果、安全性、密封性、视野、噪声控制以及乘坐空间等诸方面的优劣。车门主要由车门内外板、内饰板、加强梁、加强板、车门玻璃及升降器、门锁、内外手柄、车门铰链、限位器、车门密封条和车门开关机构组成。车门从布置到设计再到制造，每一个环节考虑的因素都比较多，既要保证车门与整车的协调一致，还要保证车门本身的技术要求。很多时候，各个环节是一个循环反复的过程，造成了传统的车门设计难度与周期很长。车门设计必须走流程化的道路，并且要利用先进的计算机平台做早期的判断分析、循环优化，是目前我们公司正在努力探索的一个方向。车门结构分析的早期介入，可以及早解决因结构设计不合理造成的机能件运动干涉、钣金成型性差、总成的振动特性无法满足整车NVH的需要，避免后期修改造成的资金与时间上的大量浪费。随着计算机技术快速发展，结合知识工程，各大汽车公司纷纷建立了自己的研发流程，确立了现代设计方法在汽车领域的主导地位。长期以来，车门设计一直是一个难点，现代设计方法的应用，使得车门设计的后期分析可以提前到设计过程中进行，使设计的难度降低。车门设计兼顾的方面多、初期布置复杂、需要有丰富的知识与经验，基于流程与知识的车门布置很好的解决了这个问题。所以本课题以某款新车的开发为例，在该领域做一些研究是很有意义的。1.6 国内外发展现状基于逆向的现代车身设计方法日前己在技术先进的国外汽车行业中得到广泛应用。世界上比较大的汽车公司都已普遍采用CAD系统进行车身的二维设计，如车身的总布置(人机工程)、内外覆盖件的曲面结构设计、零部件结构和装配设计、模具设计，并自动生成相关的设计技术档。CAM/CAE乃至CIMS技术应用也很普遍。各大汽车制造公司都拥有自己庞大的车身开发队伍，而且不惜投入巨额资金建立先进的实验室，开发或引进专门的软件进行车身设计。在车身设计领域应用较多的可进行逆向工程设计的软件包主要有美国ALIAS公司的Autostudio, IBM公司的子公司Daussault的CATIA, EDS公司的UG、参数技术公司的PRO/Engineer等。这些软件都属于通用机械设计软件，具有较强的曲面设计、参数化设计能力或混和设计功能，并能支持机械制造的全过程，即设计建模工程分析加工制造，有些甚至能较好的支持车身设计的最初阶段，即概念设计(Concept Design)阶段(如Autostudio)，并通过一定的手段将其与建模结合起来，将平面设计转换为二维模型。国内计算机用于汽车设计始于70年代。长春汽研所研制了曲面光顺程序车身专用功能板，建立了其车身设计用的图形库，开发了基于逆向工程基础上的汽车车身表面造型及结构设计程序系统，该系统具有绘制车身土图板和车身零件图，提供加工主模型NC数据，制作土模型的能力。北京汽车摩托车制造公司研制了BJA-BSM车身CAD系统，成功地应用于BJ124, BJ125等各种新车型的车型工作。上海通用汽车、上海同济同捷科技有限公司等对基于逆向工程基础上车身设计开发流程进行了比较深入地研究，形成了一套比较完善的车身开发程序。但在逆向工程点数据处理、曲面表面光顺、数学模型转换过程等方面仍存在很多急需解决的问题。国内很多中小汽车企业由于资金、设备和人员的限制，使得对UG的应用水平不高，未能对基于逆向I程基础上的车身设计方法进行比较系统的研究和应用，或者仅应用逆向工程的某一领域，应用得最多的也只是对产品做局部或少黄的改动。总的来说，国内逆向工程在汽车车身外形设计中应用的深度和广度与国外先进水平相比还有很大差距，尤其在CAD/CAM、UG集成应用等方面还处于起步阶段。1.7本设计的研究内容本设计是以威驰汽车开发项目为依托，主要完成了车门限位器设计、后视镜设计、外板设计、内板设计、门铰链设计、门锁机构设计、玻璃升降器设计、防撞梁设计及门玻璃等设计。并对车门各个机能件选型，结构布置进行了深入的研究。第2章 车门设计流程及主要硬点在本章里，我们将以威驰车的开发为例，从车门外表面建立发布开始，到车门生产装车为止，介绍车门钣金、密封与机能件的前期布置方法、设计流程以及简单介绍后期的技术处理。2.1车门设计流程 1)确定车门类型 一般情况下，车门类型根据设计任务书及使用调研分析结果来确定，然后再结合汽车厂以前产品存在的问题，以及保持结构的先进性、工艺的延续性等，最后确定车门的类型和选择车门上的附件。一般在确定车门类型时，我们应考虑如下一些因素，车门的实用性、舒适性、安全性、密封性、工艺性和艺术性等。2)初步确定车门边界 在车门类型确定后，就可根据车身外表面线图及车身总布置确定车门的尺寸和位置。车身骨架与车门的相对关系，铰链及门锁的位置、窗玻璃中心线等。同时车门与座椅的相对位置也很重要，要用人机工程学的知识进行校核，在确定车门边界时，各边界处的结构断面应该初步确定下来。在具体确定边界线时还可以做一定修改，以适应其它的要求。窗玻璃中心线与铰链中心的位置对边界的走向有很大影响，车门与门洞之间采用几道密封以及密封条的固定方法都直接影响边界的确定。 3)车门附件布置 关于车门附件，除了门锁、铰链、玻璃升降器三个主要部件外，车门后视镜 车灯、空调装置、音响设备等也可能布置在车门上。车门附件的布置在车门设计中占有很大的工作量，而车门结构设计大部分也是为了解决车门附件的紧固和保证车门附件在使用中的可靠性和方便性。 4)车门结构设计 进行车门结构设计，实际就是把前面的工作细化。应注意以下几方面的问题， 要考虑零件的加工工艺，设计的东西必须能够制造出来。无论汽车外形设计如何漂亮，但如果制造不出来，它只是一幅艺术画，没有任何实际功用。车门前端板上通常焊有加强板，因为该处要装铰链、开度限位器等。此外，还要求保证密封 不干涉等要求，形状较复杂对于车门本体上面的两个角部要考虑与车窗连接的强度以及密封性。所以这部分形状较为复杂附件与操纵机构的连接应满足易拆装 不脱落不变形，运动中不产生撞击等要求。 车门本体也要密封，它可保护附件不受腐蚀。运动件能正常运动在结构设计中对于制造材料的选择是很重要的，如铝制车门比钢材轻有轻量化的优点。车门的各附件要容易装拆，门内板上要留有足够大的孔洞并考虑玻璃的装配方法。 5)运动校核 车门是运动件，在设计时必须进行运动校核，包括铰链、限位器、门锁的布置，以及车门的形状和尺寸与车身骨架之间的运动关系另外要避免车门内部附件运动干涉。 6)安全性校核 为了保证安全性，车门必须具有足够的强度，包括车门与骨架连接的铰链和门锁在内都要进行强度校核。另外，还要检查是否有尖角或突出物避免碰伤乘员或行人。当然，上述的设计步骤并不是绝对不变的，要根据设计的需要灵活进行各步骤之间的反复往往要多次进行，如根据铰链位置等初步确定车门边界，然后进行附件布置，但布置过程中出现问题又要求重新修改边界等等。各步骤不断交叉进行多方面考虑才能保证最终设计的合理。一旦发现有不合格的一定要回到前面程序进行修改，切不可马虎草率以免造成不可挽回的损失。2.2车门设计的主要硬点 车门设计总的设计原则是由外而内、先外板再内板、先断面再数模、先周边再内部的过程。主要设计硬点有外板曲面、分缝线、门锁结构、内板结构、密封间隙、铰链中心线长度姿态、玻璃升降器位置和玻璃曲面等。2.2.1车门外板设计车门外板设计是在光顺好的整体造型面和车门轮廓线的切割面片基础上加周边翻边和门锁等特征后的车身零件。分缝线和锁机构等是门外板的设计硬点。分缝线通过2种方法获得：(1)一般先将汽车内外观面整体造型面光顺到A级曲面(CLASS A)，同时将造型边界线投影到XZ铅垂平面后光顺到A级曲线，然后采用该投影的边界线投影到光顺好的A级大造型面与造型面相交，获得边界线，该交线理论上定为A级曲线。(2)另外也可以采用空间曲线光顺后与曲面相交，反复相交反复光顺的方法，相交后将交线进一步光顺，重新获得边界线，再将该线投影到光顺面上获得更新的边界线，重复这一过程直到边界线达到A级曲线要求，用最后获得的边界线作为车门边界线，并与大的光顺面相切割得到车门外板面。外板面设计好后，将门锁机构等有关设计硬点特征加上去便完成了车门外板设计，较大的门外板需与内板或车门侧向防撞梁，采用传力胶进行支承，不允许直接接触外板焊接，以防止热变形和几何干涉变形。2.2.2门锁设计车门内板设计是先建立门锁。门锁与上下铰链共同构成车门的3个受力点，因此要求门锁高度的理想位置居于铰链轴线的中心垂直面；门锁的位置还应保证车门顺利开启和锁止，因此在后视图中锁舌的中心线必须与铰链轴线平行。锁扣到门内板鱼嘴口的距离设计有2种方案：(1)当锁扣超出车门内板表面时，直接留足锁开启和闭合的余量，超出锁体口边缘3 mm；(2)当锁扣不超出车门内板表面时，锁扣到门内板鱼嘴口的距离在超出锁体口边缘的情况下为7 mm以上。这考虑到保证碰撞后车门仍能顺利打开。2.2.3车门内板设计车门内板设计首先依靠主断面来进行，预先考虑车门密封要求，确定好设计断面，断面便成为设计硬点。各汽车厂商为了缩短开发周期、节省设计成本，更多的是根据已有成熟车型的主断面加以调整修改，得到新车的设计主断面。主要方法有：(1)肥边调整法。当新车的外造型面与原车在y方向相差3+5 mm，分缝线x方向相差不超过50 mm时，可直接调整原车内板断面肥边，其他部分不变，得到新的车门内板结构。(2)断面平移。当新车外造型面相对于原车较大时，采用肥边调整法，将造成肥边过短、车门刚度强度不足、车门过重等情况，采用断面平移法，使原车主断面平移至原车外造型面与新车外造型面重合，得到新车内板结构设计断面。2.2.4车门密封系设计和检查车门密封系的设计主要是车门内板与周边零件如侧围等的间隙，密封条及其压缩量的设计。这两项车门设计硬点应在设计之初根据制造商制造精度确定，制造精度高、公差小，则间隙可设计得相对较小，密封条压缩量也可设计得较小；制造精度低、公差较大，则间隙必须设计得相对较大，密封条及其压缩量也要设计得相对较大。如果设计得较小，在公差较大的情况下，将出现关门力过大关不上或者密封条压缩量太小关不紧的情况。车门密封系的设计以断面为主要手段。在车门内板和侧围建模完成后，取车门周边不同位置的断面，逐一检查修改，根据国内厂商的生产精度水平，车门周边密封间隙应取15 mm左右，日本车厂车身制造精度较高，密封间隙多取在1012 mm。密封条的断面应处于装配状态，这样可以根据密封条断面进行检查和修改。密封面密封条处于干涉状态，干涉不能太大或太少，一般为有效压缩尺寸的1/31/2，这样既保证了密封效果，又不至于运动件在运动过程中产生过大的噪声和关门力。另外在车门与侧围之间没有密封的部分要留912mm的腾空间隙，以防止干涉。2.2.5车门铰链设计车门铰链的设计是车门设计的一项重要工作，直接关系到车门能否正常开启。在铰链设计中，铰链中心线定位和铰链中心距是重要的设计硬点。铰链轴线一般设计成具有内倾角和后倾角。内倾角指铰链轴线在x=0平面上的投影与z轴之间的夹角，内倾角一般为04，后倾角指铰链轴线在y=0平面上的投影与z轴之间的夹角，一般为02。内倾角和后倾角都是为了使车门开启时获得自动关门力，也有个别汽车门铰链具有前倾角，但一般不会有外倾角。2.2.6车门玻璃以及车门玻璃升降器的设计玻璃要设计为双圆环面，可以和外造型匹配，达到玻璃升降的平顺性，圆环面的数学方程如下，当R足够大且圆柱半径r远远小于R时，从圆环面上截取的玻璃曲面仍近似为柱面。玻璃的运动可以认为是一种绕圆环面中心引导线的旋转运动，其运动轨迹是与引导线成一定夹角的圆环截面线的一部分。R=1525km，r=12002000m；大客车为R=，r=40007000m。玻璃升降器是车门设计中很重要的一个环节，它的合格与否直接影响到车窗的开闭。玻璃升降器在设计过程中，关键在于安装和玻璃导轨的曲线确定。有了玻璃的数据后，可求出玻璃的质心位置，根据以往设计经验和一些样车数据，一般单导轨的位置是在玻璃质心位置向B柱方向偏移1525mm，双导轨的间距应在不干涉内门板和其它附件的情况下尽可能大，但两个导轨的中线应该在玻璃质心位置向B柱方向偏移1525mm。导轨位置确定后，通过偏置玻璃面求出导轨的弧度，此导轨弧度为空间螺旋曲线。由于玻璃运动近似圆弧运动，但升降器的长导轨在自由状态下是平面运动，所以在玻璃升降过程中，升降臂和平衡臂会变形随长导轨一起运动。为了提高升降器的寿命，应使运动过程中升降臂和平衡臂的变形量尽可能小。玻璃运动轨迹和长导轨在自由状态下的运动轨迹，A、B、C分别表示了玻璃在上、中、下3个位置时升降臂和平衡臂的最大变形量，其中CA=B。2.3本章小结车门设计硬点是总布置设计过程中，为保证零部件之间的协调和装配，及造型风格要求所确定的控制点(或坐标)、控制线、控制面及控制结构的总称。这是汽车零部件设计和选型、附件及车身设计最重要的尺度和设计原则，能使项目组分而不乱，是并行设计的重要方法，一旦确定后不要轻易调整。第3章 车门布置 3.1车门玻璃面校核确认对过程外表面切断面测量主要是对玻璃和车门外板面的成立性进行探讨，对玻璃升降器需要的空间做初步分析。如图3.1所示，对顶盖、腰线、外手柄、地板边梁处做断面分析，分析的目的是探讨玻璃面和外板面的成立性。 图3.1 玻璃面校核断面1)顶盖断面A此断面主要对噪音等级做探讨。首先确定a值，如在威驰车中，a=9.7mm，噪音等级为8级（丰田标准）；同时还要对车门开口线点相对密封胶条的位置做初步确定，并据此对顶盖、窗框断面做出初步设想，对开口线的间隙做初步确认，如图3.2所示。图3.2 顶盖断面A2)腰线断面B此断面主要对内、外板及加强板在此处相对玻璃的关系作出分析，对玻璃升降器的安装面也要确认，据此内板一般面也可以有初步的定位，如图3.3所示。图3.3 腰线断面B3)车门外手柄断面C对车门外手柄断面的分析，主要目的是分析外手柄对玻璃的间隙。对此间隙要做三种分析，如图3.4所示：外手柄动玻璃动b大于8mm外手柄动（静）玻璃动（静）b大于5mm外手柄静玻璃静b大于3mm对外手柄的分析还有一项重要内容：危险感的分析（在后面详细讨论）。在1：5模型阶段就要对此项做研讨，以确保造型的成立。外手柄断面还应对所初选的门锁作出一定的分析，主要也是分析与玻璃面的间隙。图3.4 车门外手柄断面C4)梁处断面D此断面的主要目的是分析车身开口线及地板边梁上口线，根据内板一般面的位置，初步确定车身开口线的断面位置，如图3.5所示。图3.5 边梁处断面D3.2车门开口线定义与铰链中心定义表3.1 开口线主要控制尺寸目标值序号 项目 前后车门 目标值(mm) 1 a 前车门380 2 后车门 330 3 b 前车门 35 4 后车门 30 5 c 15 6 d 15 7 e 16 8 f 16车身外表面数据在经过造型与质量检查确认之后，会发布到工程部门，作为工程设计的基础。外表面上有全部的车身开口线，这些开口线是造型阶段概念设计与造型设计的共同结果。现在我们需要将发布过来的外表面数据做工程设计的详细分析，反馈到外表面调整上，做最终定型。造型阶段对开口线所做工程概念分析只是为了分析外板面的成立性。一般来讲，车门开口线的确定，与外板面和铰链的位置有很大关系，但铰链对车门来讲承担着支撑车门重量、回转中心的任务，因此铰链应尽可能拉开间距，铰链中心线尽可能向外板一侧靠近，这样可以减小车门开口线的回转半径。设计目标值如表3.1所示： 这些经验值仅作为设计时的参考，重要的是断面分析，防止干涉。 车门开口线的确定直接与造型有关，一定要首先做好，以免在设计过程中出现问题，牵一发而动全身。1)车门开口线界限车门是运动部件，运动干涉是设计中的大忌，而车门开口线又是造型师体现其个性的要点，因此，有必要确定一个限界，防止发生运动干涉。开口线的限界通过断面分析可以做出。前车门应分析上、下铰链、限位器、一般位置等几个断面，从而确定开口线的限界。一般做法为：切铰链位置的断面，车门的活动余量为1.5mm（前门），因此，以此余量为基础，将外板向外、向前移动1.5mm，然后以铰链中心为轴回转78，并保证车门外板与前翼子板运动间隙为0.4mm，此时即可确定相对前翼子板限界点，对铰链的限界应保证回转78后不发生干涉，与铰链座面(侧围安装)间隙为0mm时，确定相对铰链的限界点。此两点之间为开口线区。就像铰链位置断面一样，要对图中所有位置进行断面分析，找出对应的限界点，然后将点光滑连接，即为车门开口线对铰链和前翼子板的限界区间。下铰链同样做断面分析。2)铰链布置车门开口线限界的确定是以铰链中心为基础进行的，前面提到过铰链的配置，但只是为了分析外板成立性而进行的简单分析。在车门设计中，铰链的配置是十分关键的一步，下面就前车门，介绍铰链的配置。在L方向以车身开口线为基准，确定铰链。铰链的安装要求有一定的空间，还要确保其平面位置，以有充足的调整余量。铰链与内板之间的间隙为D1=2.5mm，内、外板间距3mm，内板厚度1.2mm，所以铰链凸缘到外板的间距为2.5mm+3mm+1.2mm=6.7mm，车门上安装铰链平面调整余量为D2=2.5mm，铰链座与外板间距D=2.5mm+6mm+3mm=11.5mm，以这两个数据为基础在H、W两方向反复比较，使上图中a、e两值尽可能合理，最终确定铰链位置。铰链安装位置的密封条线要光滑。各种间隙应是用作分析的参考，而不应作为设计的标准，前后车门铰链配置不要把目标值作为限界，而应以断面分析为主要依据。铰链中心线在经历概念定义、开口限界、详细定义、铰链布置这一过程之后，最终确定，同时外表面开口线也已经确定。至此，工程分析对前车门外表面的定义已经基本结束。3.3车门主断面设计主断面设计是车门设计的重要组成部分，能够为造型设计提供尽可能多的结构信息，也是指导详细结构设计的依据。在主断面设计中，包含了尽可能多的信息：来自各个方面的概念设计数据：外板、内板、铰链、限位器、手柄、内饰、升降器等；部件的安装点表示、与相邻部件之间的位置关系以及相邻部件的料厚关系等；设计目标品质；材料信息；料厚信息估算的重量、重心；估算的成本；设计规则；继承件信息；部件的设计形状趋势描述，等等方面。主断面设计要自成一系，实现参数化设计，从外表面发布开始，到主断面设计而止。外表面的变动能够直接引起主断面的快速更新。主断面不能被其他设计直接引用，主断面位置如图3.5所示。图3.5 前车门断面分布3.4车门刚性设计a)车门窗框的刚性设计与胶条压缩量定义窗框刚性设计主要考虑的问题如下：1)前车门：高速运行时的负压影响；结构本身刚性（用密封条反作用力来计算）。2)后车门：结构刚性；品质刚性。密封条的压缩量S的设计应考虑表3.2中的几个方面表3.2 密封条压缩量考虑的几个方面序号变量内容推荐值（mm）1a负压吸出量 2.12b安装公差23c窗框振动量0.54d密封永久变形1.45e最低密封量1.0S=a+b+c+d+e (S一般为7mm)不论在任何位置，都要确保密封条的安装平面，及密封条与内板的贴合部位不能超过R终止线。密封条的压缩量要大于5.5mm，密封条线要光滑，最小圆角不得小于R90。密封条的质量对保证车体外形质量十分重要，在设计过程中对密封条的反力计算也是建立在质量稳定的基础上的。一般的车采用一层密封，高级车采用双层密封。通过风洞实验及分析，可得出窗框最大负压处及结构刚性最差处如a、b两点。所以在设计中就应把这两点作为最大位移来调整窗框，即向车内偏转。具体分两步：第一步，以m轴转o点，偏1mm；第二步，以n轴转，偏2mm。b)车门外板刚性设计外板张刚性设计也是外板设计的重要内容之一。首先要确定目标值（下表为参考等级），然后选定测试点，测试点的选定以经验确定，如表3.3所示。表3.3 刚性等级推荐值 测试力：10kgf等级4级5级6级7级8级变形（mm）2.983.833.834.684.685.535.536.386.387.23对于测试结果不合格的点，有以下几项对策： 1)增加板厚，如图中、（前门）不合格，板厚增加到0.7mm时，点变形量为6.7mm，点变形量为6.3mm，由此可知，t=0.7mm时，基本满足8级要求。2)增加加强梁，加强梁的位置应与变形量相对应。3)增加PP片这三种方法要对其成本加以考核，最终确定（如图3.7所示）。图3.7 外板刚性测试点对外手柄周边位置的张刚性探讨，以永久变形为主，目标值为25kgf时，永久变形小于0.3mm。3.5车门玻璃升降器布置a)W方向升降器压缩、引张量的经验设计如图3.8所示：图3.8 升降器压缩、引张量 1)上止点压缩量：a12mm 2)最大引张量： b9.3mm 3)下止点压缩量：c25mmb)挤出力计算如图3.9所示：图3.9 挤出力计算 1）上升力F1 (：上升最大扭矩 D1：齿板直径 D2：齿轮直径) 2）挤出力P (：效率80%)c)压缩引张量的确定1）a、b分别为上、下止点的两臂交叉点；2）以a、b连线处切断面；3）得出玻璃中心线和c、d两点，对应在玻璃中心线上的e、f两点，即为计算压缩量的两点，中间一点g为引张量的计算点。表3.4 升降器布置尺寸推荐值序号变量内容推荐值1a玻璃托架与玻璃导槽夹角1042b上止点滚轮间距200mm3c下止点滚轮间距190mm4d滚轮中心到止点余量10mm5e举升臂滚轮的余量10mm6f平衡臂滚轮中心的余量10mm7g玻璃残余量3mmh5mmd)升降器布置经验判断升降器布置以经验值来判断，但不是绝对的，最终的参数确定需要经过校核，其推荐值如表3.4所示。e)升降器与玻璃中心的关系玻璃升降器在H方向的配置：以玻璃下边缘为基准，放置在中间，在L方向，以玻璃中心为基准，玻璃中心与臂交叉点距离为S，S60mm，如图3.10所示。图3.10 叉臂交点与玻璃重心的关系f)布置的实现按照如上进行升降器布置，玻璃托架也在此时定义。将升降器按照断面点装配到位，它的安装座面就确定了。3.6车门外手柄布置外手柄配置中最重要的就是位置的确定，如果位置确定得不合理，乘员在开关车门时就有可能发生危险。以额头、鼻子、下颚三部分为基准点，确定三个椭圆，椭圆长轴336mm，短轴184mm，倾角=31.2A外手柄距地面高B车门角距地面高C外手柄距车门角距离D车门角轨迹与椭圆间隙1)下颚：L=0.159（A）+0.498（C）+94W=0.0917（A）+157Z=0.0302（B）-0.244（D）-38.72)鼻子：L=0.151（A）+0.557（C）+66 W=0.118（A）+104 Z=0.0328（B）-0.257（D）-48.63)额头： L=0.167（A）+0.561（C）+51 W=0.137（A）+87 Z=0.0320（B）+0.216（D）-47 以上计算式中，L、W确定椭圆中心，Z为判别式，Z小于零为合适。 以经验值来判断，从外侧手柄中心到车门窗框的距离C244mm，外拉式外手柄相对车门外板的突出量要小于40mm 在车门外手柄位置确定后，根据外手柄的位置，确定车门外板的翻边深度、倒角、扣手的空间等尺寸，并将这些信息以断面的型式传递给外板设计人员，作出外手柄的安装结构及型面。3.7内手柄布置内手柄的位置是造型所必需的，而且要满足人体工学的要求，根据人体工学的要求，内手柄相对的适用范围见图。内手柄安装螺钉与玻璃面间隙要大于8mm。 3.8内板作业孔、内饰板安装孔及其它孔的布置内板作业孔主要是为了安装机能部件设计的，分别为玻璃升降器作业孔（兼有安装玻璃导槽下固定位安装）、门锁安装作业孔、限位器安装作业孔。内板面上其余位置可作相应加强处理。其他孔的布置主要包括:装焊基准孔、冲压基准孔、升降器安装孔、限位器安装孔、锁安装孔、玻璃导槽安装孔、内饰安装孔、内扣手支架安装孔、铰链安装孔、线束卡子安装孔、排液孔、工艺过孔等。3.9密封胶沟的设计密封胶沟的设计应光滑，沟宽一般为d1=14mm，沟深d2=1mm，沟边倒角R3，防水罩到沟边距离d310。密封胶沟设计注意以下几点：1)防水罩的密封要可靠地实施；2)全周设定丁基胶带；3)按各车的要求性能、线束等的切口部要设定海绵条、粘贴胶带，要仔细检查。3.10其它部件布置车门止动块、后视镜安装面等部件的布置也需要逐步与相关人员沟通确认，最终在车门布置阶段做分析。在经历了以上详细布置以后，所有的布置信息在中用最简单的点、线、面构建出来，作为对所有车门部件详细设计的必备输入条件来发布。3.11本章小结 本章对车门的前期准备、布置流程与方法、详细结构设计与方法、分析内容做了研究，特别是对车门的布置流程与方法作了深入的探讨，对涉及布置的硬点分别从理论上与经验上做了判断，另外在详细设计的技巧与分析工作的内容上也作了研究，该流程的研究能够对实际的开发工作起到一定的借鉴意义。第4章 车门结构设计及相关附件的强度校核4.1车门参数化设计技术汽车车门的参数化设计方法，是通过参数化设计采用几何约束控制产品形状的几何特征，改变约束可迅速获得不同的设计结果，提高设计效率，有助于减轻设计人员的工作强度。参数化设计技术是当前CAD/CAM系统的研究热点之一，主要是通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动，只需要根据某些具体的条件和参数来决定产品某一结构形式下的结构参数，从而设计出不同规格的产品。参数化设计可以提高产品的设计效率，有效保证产品模型的安全可靠性，极大地改善设计的柔性，并在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析、机构仿真、优化设计等领域发挥着重要的作用。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构造。它允许尺寸欠约束的存在，设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，优先考虑满足设计要求的几何形状而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。在车门设计的布置设计阶段，产品的内部机能件主要位置、结构细节难以具体化，设计师关心的是产品的基本结构、主要尺寸关系，因此无法采用具体尺寸绘图设计。参数化计系统可以在布置设计过程中通过捕捉模型中存在的关系及其定义的参数化的位置点来捕捉机能件的位置，同时也允许对零件进行反复地编辑，允许用户试探不同的设计方案或生成不同的位置版本和零件版本，对位置的编辑可以简单地通过改变草图的关系来完成，如在铰链布置时，通过改变几个不同方向上的草图上的几个点，然后进行重新计算，就可以完成新的设计，非常简便。4.2车门的结构形式及特点车门的结构类型多种多样，按开启方式可分为旋转门、拉门、折叠门和外摆式车门；按车门结构可分为整体式车门和分开式车门；按有无窗框可分为有窗框和无窗框式车门；按旋转方向可分为顺开门、逆开门和上开门。对于不同类型的车门又可分为车门本体、车门附件两部分。车门本体包括车门内外板、加强板和窗框等，如图4.1所示，是一个整体涂漆、未装备状态的钣金焊接总成，是实现车门整体造型效果、强度、刚度及附件安装的基础框架。而附件则是为满足车门的各项功能要求，在车门本体或其他相邻结构件上装配的零件及总成。车门作为一个综合的转动部件，和车厢一起构成乘员的周围空间范围，车门具有足够大的强度、刚度和良好的振动特性，以满足车门闭合时耐冲击性及与侧碰时的耐撞性等各项性能的要求。前车门以安装于车门前侧的铰链为旋转轴来实现开启和关闭。承担载荷的部件有外门板、内门板、上加强板、下加强板、门锁加强板、铰链加强板和铰链，由薄板冲压成型并通过焊接连成一个整体的受力结构。 a)有窗框车门（独立窗框） b)有窗框车门（整体窗框） c)无窗框车门 图4.1 车门及窗框结构形式 按车门结构形式的不同，车门可分为整体式车门和分体式车门。两种形式各有优缺点：（1）整体式车门的整体刚度好，密封容易保证，装配尺寸公差易保证，维修时拆装简单；但缺点在于冲压工艺中窗口位置要产生大面积废料，而且外部门框一般宽大且不均匀，外观效果较差，门框占据了侧围上边梁的部分区域，使上边梁主断面面积受到影响；（2）分体式车门的门框细而均匀，甚至可做成无窗框效果，提供更大范围的视野，如果配合窗口周圈装饰亮条的使用可达到前后车窗的整体化效果，美观实用，同时有利于提供上边梁主断面更大的截面面积，大量使用滚压成形，降低模具难度和成本，极大提高材料利用率；但缺点是装配工艺复杂，尺寸公差尤其是外部公差保证的难度加大，整体刚性差，密封困难。4.3车门的结构组成本设计采用分体式车门结构，外板上集成窗框，内板与车门框架集成一体，外、内板之间焊接连接。车门附件均参照现有成熟结构进行设计，设计的具体部件包括：铰链、限位器、后视镜、外板、内板、门锁、门玻璃、玻璃升降器、防撞梁及密封等。车门总成由门体，车门附件，和装饰件三部分组成。如表4.1所示。表4.1 构成车门的主要零部件车 门门体车门附件 装饰件车门外板车门铰链和限位系统 内饰板车门内板门锁机构及内外手柄 内扣手车门防撞梁车门玻璃及后视镜 喇叭罩车门加强板玻璃升降器车门窗框 4.3.1 车门门体4.3.1.1车门外板车门外板是汽车覆盖件中极为重要的部件之一,是车身上的活动部件,对其刚性及表面质量要求很高;它是典型的具有复杂型面的大型板料冲压件。一般对车门外板的质量要求高：外观表面光顺平滑,棱线清晰,周边尺寸精度0.7mm,刚性好。由于门外板是一种平坦浅拉延件。成形时凸模表面与毛坯以大平面接触,由于平面上的拉应力很低,材料得不到充分的塑性变形，所以车门外板刚性差，一般选择外板材料时，考虑硬质板材，如图4.2所示。车门外板和内板的装配，一般采用点焊、粘接及咬合等方法。 图4.2 车门外板图4.3 外板的刚度加强如图4.3所示，车门外板采用强度适当、冲压性能好的薄钢板材料（厚度为1 mm）经冲压、辊压等工艺制成。因车门外板是车身外表面件，中部不应该有焊点，以免影响外观质量，这样外板中部刚度就差，行车时易产生振动噪音，因此必须对外板刚度进行加强，采取的措施有：在外板内侧粘贴磁性沥青板；设计加强梁，与外板柔性粘接。所设计车门外板如图4.4所示。图4.4 车门外板2.3.1.2车门内板内板是车门附件主要的安装机体，许多主要受力件均安装在内板上，如铰链、限位器、门锁等，为增加连接部位强度和刚度，使附件正常工作，须在连接部位设置加强板。车门内板是车门中所有主要部件的安装载体，其结构形状的构建也是我们本课题研究的重点之一。在车门靠近车身A、B柱一侧，由于需要考虑车门的下沉及铰链等结构的安装此处刚度和强度要求较高，为此这一部分钢板厚度为1.6mm或1.4mm的高强板，其余部分采用了0.7mm的钢板，这样在保证车门内板必要的刚度和强度性能时又能减轻质量，降低成本，如图4.5所示 图4.5 车门内板 所设计车门内板如图4.6所示。图4.6 车门内板4.3.1.3车门防撞梁汽车侧面是车门,强度较为薄弱。因此对车门内部的防撞梁进行优化设计,提高车门刚度,进而提高汽车侧面碰撞安全性,对提高乘员的安全防护和改善道路交通安全有着非常重要的意义。作为车门内部的防撞梁，在侧面碰撞发生时起到了很重要的抗撞吸能作用，故防撞梁的碰撞性能至关重要。由于汽车轻量化要求不断提高，因此在保证总质量不变的情况下，改变防撞梁界面形状，以提高其耐碰撞性能。车门防撞梁的布置方式：最常见的是对角线布置方式，也有垂直布置的。车门防撞梁的吸能效果主要与以下几个因素有关：a)结构设计这是最重要的一点，一般来说，帽形防撞梁的吸能效果比管状防撞梁好；另外，双帽形结构一般比单帽结构要好；当然，还有帽形结构的高度，与A/B/C柱、车门槛等的匹配等都至关重要；b)材料的强度人们通常以为里面的管子是普通水管之类的，其实不然；一般日韩车中所用的管子抗拉强度高达1400-1570MPa（目前有些国内品牌车是用的较为普通的管子），是普通管子强度的4倍以上；而欧美车中常见的帽形防撞梁的抗拉强度一般为1000-1600MPa；c)材料的厚度当然是材料越厚，吸能效果越好（不考虑与A/B/C柱、车门槛的匹配），吸能效果与材料的厚度成正比。 可以是圆管，也可以是用高强度钢板冲压成型的异型截面梁截面厚度约在33-36mm范围内两端通过连接焊接在门内板上。本设计采用Y型防撞梁，因为它的强度高，而且耐久性好。图4.7 车门防撞梁结构示意图4.3.1.4车门加强板根据需要在内板上焊接加强板和支架等，以便将局部集中载荷有效地传到内板较大的垂直面上。车门加强板用以提高附件安装部位的刚度和连接强度。 图4.8 车门J平面和窗台界面 4.3.1.5车门窗框车门结构可分为无玻璃窗框结构，组装式窗框结构，整体式结构和玻璃布置在窗框外侧的结构。本设计采用成体式车门壳体结构。 (a)无窗框结构 (b)组合式窗框结构 (c)整体式车门壳体结 图4.9 车门窗框结构形式4.3.2车门附件4.3.2.1车门铰链车门通过上、下铰链悬挂在门柱上整个车门（包括门内饰板）的重量及任何作用在车门上的力，在车门关闭状态下，是由两个铰链、门锁及固定在车身门柱上的锁闩系统来支承；在车门打开时全由铰链支承车门的下垂：通常由于载荷作用下，铰链与车身或车门的连接部位变形所致。本设计采用合页式铰链，两个合页分别与车门和车身门柱连接，合页之间用销轴定位。优点是质量轻、刚度高、易于装配。 1-车门合页 2-柱合页 3-连杆 4-二力构件 5-弹簧 6-铰链轴线 图4.10 合页式上、下铰链铰链是车门与车身连接的关键部件，同时也是车门上一个重要的活动部件。通常车门铰链采用强度适当、冲压性能好的钢板材料（通常厚度为4 mm）冲压而成，并使用螺栓紧固。车门铰链的设计要求结构简单、安装方便、工作可靠、成本低。结构简单也是铰链设计的发展趋势。图4.11为铰链的受力分析图，其中R为手柄上的力沿竖直方向的分力，P为车门重力，S、Q为铰链处的受力沿竖直和水平两个方向的分力。 图4.11 铰链的受力分析图本设计中选用的设计参数分别为：b = 390mm d = 860 mm 铰链轴线：后倾角=0 内倾角=2 紧固件：M 10 2 & M 8 2 由车门受力关系可得： S= Q= 见断面BB, ，由材料力学理论可知，本结构中的剪应力可以忽略（即忽略S的作用），则下铰链处的应力可表示为：1= 已知：g=10 N/kg P=250 N R=0 N（掀拉式外手柄受力水平向上） 则： 铰链的具体结构尺寸为：铰链轴长为41mm，固定叶板长67 mm、宽72mm，活动页板长104 mm、宽29mm，铰链轴直径8 mm，活页钢板厚度4 mm、宽度11 mm。铰链的强度校核（1） 校核铰链轴的剪切强度：Fs=Q=320 N；钢板的许用正应力为160 MP；铰链轴与钢板的许用挤压应力为200 MP；铰链轴许用剪应力为80 MP。 铰链轴的剪切强度足够（2） 校核铰链轴与钢板的挤压强度：挤压力Fbs=320N 铰链轴与钢板的挤压强度足够；（3） 校核钢板的拉伸强度：活页上铰链轴截面拉伸钢板时最危险截面，其轴力N=320 N 钢板的拉伸强度足够；故所设计的车门铰链满足结构及强度要求。 所设计铰链机构如图4.12所示。 图4.12 铰链机构4.3.2.2车门限位器车门的开度限位器用以限制车门的最大开度，防止车门外板与车体相碰，还必须能使车门停留在最大开度，起着防止车门自动关闭的作用。目前应用的限位器类型有两种：拉杆式限位器（传统形式）和凸轮机构式限位器（与铰链一体）。本设计采用拉带式车门限位器如图4.13所示，由于弹簧力作用，滚轮压在限位杆，当门的开度到滚轮被拉过限位杆上的凸起时，由于限位杆端头的橡胶缓冲块与限位盒壳相碰而使门限制在最大开度。 图4.13 拉杆式车门限位器限位器的具体结构尺寸：限位拉杆长188 mm、宽6 mm、厚10 mm，滚轮D=8 mm2限位器的拉伸强度校核
展开阅读全文