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第1章 绪 论1.1概述车门是整个车身中结构复杂又相对独立的一个总成,它主要由车门骨架及盖板、车门护面、门窗、车门玻璃及玻璃升降器、门锁及其手柄、车门铰链、车门密封条和车门开关机构组成。车门是汽车车身设计中的一个相对独立的零部件。在车门设计中其安全性尤为重要，它必须保证在车辆发生碰撞时，尽可能地减少对行人和乘员造成的伤害，因此必须要求车门外覆盖件表面光洁、有韧性；门锁、门铰链以及车门门体必须能够按照A柱一B柱一C柱的路线传递碰撞冲击力；碰撞后的车门必须能够轻松地不借助于任何辅助工具用手打开。鉴于侧面碰撞对乘员造成的危险性，在设计车门时注意将车门的变形限制在一定范围内，为乘员提供一个有效的生存空间。这些都要求车门必须具备足够的强度和刚度。在汽车车身设计的过程中，车门总成的布置设计除与整体设计有着协调配合关系外，可称的上是一个相对独立的，最具有代表性的车身总成设计。它不仅要与整车造型协调一致，还要保证必要的开度，方便上下车，良好的安全性，稳定的操纵性，密封性，工艺性，足够的强度刚度，以满足功能上的要求。因此车门的设计成为车身设计中的一个重要环节。全套图纸，加153893706汽车技术的发展使得汽车的舒适性不断提高以满足人们的要求。汽车车门是车上相对独立的总成，车门设计不但关系到汽车的实用性，对汽车也有很大的装饰作用。因此车门的设计也越来越讲究，而且使用越来越多的网络和电控技术。从1957年新中国的第一辆汽车正式生产下线，中国汽车在20世纪中期经历了漫长的缓慢发展阶段，在经过2003年和2006年的两轮爆发式增长后，开始步入平稳增长阶段。2009年严峻的宏观经济形势下，中国汽车行业的发展面临着前所未有的挑战与机遇，同时也受到来自各个方面的冲击。中国要想从汽车制造大国发展成为汽车产业强国，就必须在汽车产品的研发上取得突破。欧美日的汽车企业之所以能够如此强势，与他们几十年甚至上百年的技术革新与经验积累是分不开的，翻开他们汽车产业发展的历史，我们都能够清晰的感受到他们相同的企业发展脉络：明确的市场定位，坚定不移的技术研发，引领潮流的战略方向，这一切，做足了他们的原始积累。我们的起步尽管有些晚，但是汽车产业作为中国经济的支柱产业之一，近年来在技术研发上的投入力度明显增加，从过去的汽车产品进口到产品引进生产再到技术转化，近几年来更是直接的技术引进、并购国外先进的汽车企业，中国的汽车技术如雨后春笋般迅猛发展。生产厂家为了能在市场竞争中立于不败之地，就必须提高产品质量，降低生产成本，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率，所有这些迫使设计者不断地寻求智能化的设计工具和先进的设计方法。本课题的研究内容就是在这样的情况下产生的。1.2世界汽车发展现状早于七、八十年代，国外大型汽车公司已建立了相当规模成套的CAD、CAE和CAM等计算机辅助系统，使得车身设计方法发生了根本性的变革，运用三维“CAD/CAM”技术替代了以“主图板，主模型”为主的传统设计方式。CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。日本丰田公司很早就引进了CAD系统，并且在初步升级改善。美国福特公司从1967年就开始开发车身设计CAD系统，目前百分之八十以上的设计由CAD完成，大大降低了产品成本，提高了产品的生产能力。美国通用汽车公司在1988年投资千万美元完成了以三维CAD系统UG为核心的CAD/CAM/CAE/CIM的4C集成化工程，达到信息流畅，公司的轿车和概念车的开发试制时间由五年缩短到两年，设计阶段从24个月缩短到14个月，一些零部件的设计从六个月缩短到一个月。我国各大汽车公司近几年来纷纷引进了先进的CAD/CAM/CAE软件用于汽车车身设计和开发，并取得较好的成果。一汽，东风汽车公司在八十年代就开始在车身设计方面研究与应用CAD/CAM技术。另外在CAE领域也取得了不少成绩。电子样机（DMU：Digital Mock-Up）技术主要是指在计算机平台上，通过三维CAD/CAE/CAM软件，建立完整的产品数字化样机，组成电子化样机的每个部件除了准确定义三维几何图形外，还赋有相互间的装配关系、技术关联、工艺、公差、材料等信息，电子样机应具有从产品设计、制造到产品维护各阶段所需的所有功能，为产品和流程开发提供一个平台的电子样机功能由专门的模块完成，从产品的造型、上下关联的并行设计环境、产品的功能分析、产品浏览和干涉检查、信息交流、产品可维护性分析、产品易用性分析、支持虚拟实现技术的实时仿真、多CAX支持、产品结构管理等各方面提供了完整的电子样机功能，能够完成与物理样机同样的分析、模拟功能，从而减少制作物理样机的费用，并能进行更多的设计方案验证。电子样机技术在现代汽车业中的应用越来越广泛，正在逐步取代物理样机用于多方面的研究。DMU主要有以下功能和特点： 1)与CAX系统完全集成，并以“上下关联的设计”方式作业。 2)提供强大的可视化手段，除了虚拟显示和多种浏览功能，还集成了DMU漫游和截面透视等先进手段。 3)具备各种功能性检测手段，如安装/拆卸、机构运动、干涉检查、截面扫描等。 4)具有产品结构的配置和信息交流功能。由于电子样机（DMU）技术加强了设计过程中最为关键的空间和尺寸控制之间的集成，在产品开发过程中不断对电子样机进行验证，大部分的设计错误都能被发现或避免，从而大大减少实物样机的制作与验证。AUTOFOUM软件包是AUTOFORM工程有限公司包括瑞士研发与全球市场中心和德国工业应用与技术支持中心推出的板料成形模拟软件包。它将来自世界范围内的许多汽车制造商和供应商的广泛的诀窍和经验融入其中，并采取用户需求驱动的开发策略，以保证提供最新的技术。可以帮助结构设计人员方便地求解各类板料成形问题，同时，autofoum也最大限度地发挥了传统CAE技术的作用，减少了产品开发的成本和周期，目前世界上大多数大汽车公司都已经将钣金成形模拟作为结构设计的必有过程，避免了钣金模具的后期修改问题。我国汽车行业经过十多年努力和发展，CAD技术、专家系统、知识库技术等新兴技术在我国汽车行业的应用已取得很大的进步，但由于起步较晚，车身技术与国外汽车公司相比还有很大的差距，国内各汽车公司普遍存在设计效率低下、后期问题难以预测的问题。加大CAD/CAM/CAM软件在汽车开发中的应用力度，并且结合汽车设计的专业经验总结一些面向汽车设计的专业设计流程以帮助设计人员提高产品的开发效率和质量，是缩短我国与国外汽车设计水平的差距，早日实现我国轿车自主开发能力的有效措施之一。国外各大汽车和设计公司积累了几十年的轿车车身开发经验，形成了较完善的数据库和设计规范。笔者曾亲身体验过丰田公司的设计检查卡（CHECKLIST）与德国大众公司的对标数据库，在每一个细节，总括了在该领域的各种车型的经验数据与经验值，详尽严密地表述出设计流程。经过整理的知识库就像一个专家委员会，指导设计师的工作，引导设计师进行每一步设计，指出所选择的尺寸和参数的界限，并验证所设计的结构是否合理，及时纠正设计中出现的错误，使设计师避免误入歧途和返工，绝对不会因经验不足和考虑不周而造成严重疏忽。有了这样的数据库，设计时就能对自己不熟识的内容信心百倍，并可迅速获得设计结果而且确信它是正确的，因为该设计是由综合的知识库创造出来的，其中包含了宝贵的专家知识和设计知识的法规、规则。随着我国汽车工业的发展，消费者的消费观念更趋理性，对汽车的需求偏好也逐步发生变化、升级，由于国内消费者换车周期的大幅缩短，使得汽车的更新换代也加快了。汽车设计技术及手段的不断发展，特别是以计算机技术为核心的现代工程技术方法的飞速进步，日益成熟的CAD/CAE/CAM一体化产品开发技术在轿车车身设计领域得到广泛应用。汽车设计方法正逐步由传统的设计方法，向着以大大缩短产品开发周期和提高产品设计精度为目标的现代设计方法转变。国内外成熟的计算机技术结合汽车行业日渐成形的汽车模块化思想，为我们在实际设计过程中缩短开发周期与提高工作效率奠定了基础，纵览以上，我们有必要建立一套全面的设计流程。1.3根据实验室试验车对车门进行的布置1.3.1丰田汽车的现代背景如今汽车产品的更新换代速度很快，尤其是丰田轿车。而每一款汽车的设计作为一个系统的工程，是相对独立的过程，很多跨国汽车公司早在几十年前就已经打破了这种相对的独立，将设计的每一个过程凝练提升，形成一个个模块，按照系统的方法组织起来，定义为汽车设计流程。在以后的新车设计中，将每一个过程融入了这种既定的设计模式，按部就班地推进，控制着汽车的每一个非常详细的设计过程，从而顺利高效地完成设计。在国内，一汽、二汽、上汽等大的汽车企业集团都已经建立起了比较完善的产品设计流程，在国内愈演愈烈的汽车产品竞争中，这些企业的产品竞争力有着明显的优势，产品更新速度快，质量可靠，深得用户的信赖，可见研发流程的建立对企业的重要意义。伴随着汽车车身造型的设计与修改要求日趋增高，参数化设计更符合和贴近现代CAD中的概念设计和并行设计思想，并可提高设计与分析的柔性，因此车身模型的参数化设计经成为车辆制造行业发展的必然趋势。参数化设计是以一种全新的思维方式来进行产品的创和修改设计的方法1。目前传统的手工造型方法已被建立在各种先进的造型建模软件基础上的计算机辅助造型方法所取代，参数化设计技术能够快速吸收国外汽车车身设计的先进技术，快速响应市场，提高我国自主设计开发汽车的能力，提高汽车产品竞争能力。1.3.2基于知识工程的汽车设计的发展人工智能技术，特别是专家系统的技术与现有的、传统的CAD技术相结合开发一些专用的CAD软件和程序模块是今后CAD发展的必然趋势。知识工程（KBE，Knowledge Based Engineering）是人工能领域的一个重要分支，它研究的主要内容包括知识的获取、知识的表达知识库的构造、知识的自动获取和更新等，其核心是如何运用知识来解问题。知识工程实质上是突破了简单的逻辑运算，把经验和推理合起来，将逻辑思维和形象思维结合起来，实现计算机的智能化。KBE系统存储产品模型包含几何、非几何信息以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。知识工程是研究知识信息处理的学科，提供开发智能系统的技术，是人工智能、数据库技术、数理逻辑、认知科学、心理学等学科交叉发展的结果。KBE系统将重复的设计和工程任务自动化，缩短了产品开发时间，将设计、分析、制造集成起来实现并行工作。使用KBE建立模型可以将几何造型与分析等结合起来，实现多学科优化，并确切地进行可行性评估，应用标准和实践经验来提高产品的质量，对设计实践、过程经验等知识信息进行数字化获取和重用，从而提高自动化过程的效率。1.3.3计算机辅助设计在汽车工程技术领域的应用现代汽车工业的发展，对汽车设计以及工艺设计的要求越来越高，但是相对越来越低的生产与设计成本、大大缩短的设计周期，要求对汽车设计的结构优化、钣金成型以及NVH的研究在设计过程中就应该介入，传统的后期介入会浪费大量的费用，设计周期很长，这在愈发激烈的市场竞争中已经逐步淘汰。软件工具的应用使设计中期的分析工作开展成为可能。在计算机中不但可以对车身外观及内饰建立数字模型，而且可以对发动机、底盘等其它零部件建立模型，并直接进行有限元分析、结构设计/分析、甚至虚拟装配、虚拟风洞试验等，使得设计人员可以在计算机中构建虚拟的电子样车并进行试验，能在实际生产前预先发现设计中存在的问题，提高了效率，降低了成本。通常各零件模型分类存放在大型数据库中，以后对车型做改进时可直接到数据库中匹配类似的零部件，修改其相关参数即可满足要求，无需重新设计，非常有利于车型的系列化，生产商应对迅速变化的市场的能力也强得多。自从上世纪70年代，随着计算机辅助几何设计和计算机图形学的迅速发展，车身设计过程中部分或全程引入计算机辅助系统(CAD/CAM软件)，在计算机中构建车身三维数字化模型，以“所见即所得”的交互方式完善设计方案，是现代车身设计方法的主要特点。其基本流程：经过市场调研，形成车型的整体要求；制作手绘效果图，也可利用计算机辅助软件绘制；制作缩比例模型及1:1主模型；以三坐标扫描或激光扫描的方式在计算机中构建车身数字模型；进行结构设计，构建A级模型；生成NC代码，生产样车。1.3.4汽车车门的设计流程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。1.4本课题的研究内容本课题研究是以花冠汽车开发项目为依托、以CAD为软件平台，在开发过程中从造型数据模型确立，到前车门各个机能件选型，结构布置，直到结构设计完成，并结合工艺、工装的设计验证，建立起一套完善的车门设计解决方案。第2章 车门的相类型与相关的组成要求2.1花冠轿车车门参数化设计要求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。2.2车门的结构类型一般来讲，乘用车车门分为带窗框车门和无窗框车门（Frameless GlassConstruction，多见于高档跑车，俗称硬顶车）两大类，其中带窗框车门又可以分为整体式（Full Stamped Inner and Outer Panel Construction，即内外门板带着窗框部分一起冲压成型）和独立窗框（Loose Upper Frame Construction，即窗框部分与窗口线以下的内外板分别成型）两大类，如图2.1所示。实际上车门还可以做更细致的区分，现在按照以下分类对各个类型的优缺点略做评述。2.2.1内、外板整体冲压成型式车门1)外板整体冲压成型式车门（Full Stamped Inner and Outer Panel）窗框部分进入到车顶区域（into roof，从外观看，就是车门上部有面共享了车顶面）。优点：结构刚性好，密封性好，在整条JLine（就是指车门在关闭时，车门上与车身接触的密封条区域，总装车间一般称为“头道”）上可以作出对结构有利的拔模斜角。缺点：废料多；增加了密封成本：如沿着车顶与车门边的密封，沿着风窗与车门边的密封；不具备整形能力。2)内、外板整体冲压成型式车门（Full Stamped Inner and Outer Panel）窗框部分侧向暴露（exposed on side，相对于上面类型）。2.2.2窗框内藏式车门（Frame Under Glass）该类型又可以分为两类：一类是门内板整体冲压（Full Stamped Inner），质量与密封性都好，而且J-line的工艺性拔模也可以做，外观当然极像无窗框式车门的新颖前卫；但是内板仍然要产生许多废料，密封性有待改善。整体冲压的内板刚度大，免去焊接的麻烦，尺寸精度高。另一类是独立窗框（Loose UPR Frame）废料率低，质量也好，左右内（外）板可以在一个模具中成型，外观优势同上。但凡独立窗框，装配时产生的问题是无法避免的，而且因为滚压的窗框，使得密封形式的选择有限，会导致潜在的密封性能问题2.2.3独立窗框式车门（Loose Upper Frame）优点：废料率同样能降至最少；左右内（外）板可以在一个模具中成型；该类型车门具备整形能力；门质量好。缺点：可装配性差，会产生匹配上的这样那样的问题（诸如gap、flush等等）；限制了主密封样式的选择范围，而且也存在密封性差的潜在问题。2.2.4无窗框车门（Frameless Glass）优点：造型前卫时尚，且外观上各处配合对消费者很是养眼；因为没有窗框部分的金属板材，内外板冲压成型不必考虑此处废料损失，可将废料率降至最低；左右内（外）板可以在一个模具中成型；该类型车门具备整形能力。缺点：窗玻璃的稳定性差（当玻璃在full up位置时，至少在门肚子里留有露出部分的三分之一长度，否则容易失稳）；门肚子里需要有额外的支架来保持玻璃的稳定性；当然这些都会增加产品成本，而且造成门密封性先天不足，为了改善其密封性，不得不花更多代价；除此之外，车身腰线（Belt line）也被抬高。图2.1车门结构型式2.3车门的组成车门基本构成分为钣金件、机能件、密封件、装饰件与电器线束件五大类，下面分别说明。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。2.3.1车门钣金车门钣金一般分为车门外板、内板、外板加强板、防撞梁、内板加强板、铰链加强板、锁加强板、铰链支座、窗框（如果为滚压窗框）、窗框安装支架、玻璃前后导槽、导槽安装支架等，如图2.2所示。图2.2车门钣金总成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2.3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2.3车门外板图2.3.1 外板的刚度加强如图2.3.1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。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2.4所示。图2.4 车门内板（左侧：高强板，用于铰链加强板，右侧：一般材料）铰链加强板的型式多样，一般根据性能与成本的需要来选择，如图2.5所示。图2.5 铰链加强板型式3)内外板加强板一般车门钣金结构中都有内外板加强板，起到增加车门内外板在窗框处的刚性的作用，同时也可以作为正面碰撞时的力的传递途径之一，将作用在门框上的力合理地向后传递。当然也有的车中取消了该加强板，如图2.6、图2.7所示。图2.6车门外板加强板图2.7车门内板加强板4)车门内的防撞钢梁车门防撞梁（杆）（Side Impact Beam,Door Beam），也叫侧门防撞梁（杆），是指在车门内部结构中加上横梁（从外面看不到），用以加强车辆侧面的结构，进而提高侧面撞击时的防撞抵抗力，以提升侧面的安全。基于侧面撞击的概率，消费者在选购车子的时候，一定把防侧撞钢梁这一项重要的安全配置考虑进去。车门防撞作为一种额外吸能保护，可以降低乘员可能遭受的来自外部的力量。事实证明，车门防撞梁在车辆撞击固定物体（比如树木）时的保护效果非常明显。依据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）发布的数据，车门防撞梁在2002年拯救了994名事故受害者。车门防撞梁的形状：一般分为管状和帽形两种；日韩车常用管状车门防撞梁（一般情况下两端有支架，用于连接固定防撞梁与车门，而欧美车门常用帽形防撞梁，一般直接焊接在车门上）；管状防撞梁主要是圆管，也有矩形管、梅花形管、椭圆形管等，这要综合考虑许多因素，如车门内部空间，吸能设计等；而帽形防撞梁主要有单帽形状（U形）和双帽形状（m形）；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。图2.8 M型管柱式防撞梁结构示意图2.8为M型管柱式侧门防撞梁，采用特殊材料的钢材，大大提高了车门的抗扭性，保证了驾乘人员的安全。5)铰链支座车门铰链支座是安装在车门内板上的铰链座凸焊螺母的安装载体，通常形状简单，板材比较厚，如图2.9所示。 图2.9铰链支座6)车门窗框单独对于窗框而言，我们可以简单分为几大类：与内外板同体式窗框、一体闭合式窗框、多体式窗框、滚压窗框，如图2.10所示。 图2.10窗框结构型式与内外板同体式窗框在很多的小型车中有比较普遍的应用，结构简单，窗框由于与车门内外板一体，所以刚性较好，工艺性也比较容易控制，缺点是材料利用率低；一体闭合式窗框由于窗框结构闭合式，所以结构刚性好；多体式窗框在一些较早的车型上出现，成型工艺简单，但是装配误差不容易控制。滚压窗框（如图2.11所示）的滚压截面较为复杂，而且欧美日德的结构各不相同，如很多日系车没有belt pnl，即窗框加强板，前后两个脚没有加强板连接，刚度和安全性都不太好；欧美系车大多数车窗框都带有加强板窗框。滚压窗框一般要经过滚压、拉弯或扭弯、冲切、点焊或氩弧焊（焊接总成）。一般后门独立窗框的滚压件较难，因为大多数车型在C柱有很大的弯曲弧度，超过90度，有的是分成两件滚弯，再焊接，容易造成焊接面的面差，批量生产难以满足；有的是一道弯曲，但是受材料流动和成型工艺控制影响，会有缩颈或扩口，修整调整模具也很难解决问题，除非更改造型或更换材料。(a) 窗框（滚压） (b) 玻璃导槽图2.11滚压窗框2.3.2车门机能件车门机能件包括车门锁、车门外手柄、车门内手柄、车门玻璃、玻璃升降器、车门限位器、车门铰链等。1)车门锁一个完整的汽车门锁系统必须能实现内开启、外开启、内锁止保险、外锁止保险及锁紧车门的功能，因此汽车门锁是一个结构复杂、功能要求多的组合系统。门锁看成是由多个构件组成的运动链系统，应用机构运动简图测绘法画出在锁紧状态的机构运动简图，如图所示，从而为机构的结构分析、运动分析及力分析提供依据。图2.11.1 钩簧锁结构图外开启机构锁体机构内开启机构锁紧机构图2.11.2 门锁系统组成原理框图从图2.11.1中可以清楚地看出整个车门锁有如下几部分机构组成：(1) 锁紧机构部分，即图中锁钩20、挡块儿组成的机构，当关闭车门时，锁钩从挡块儿的开口方向进入带动锁钩摆动至图示的啮合状态，实现锁紧动作；(2) 外开启机构部分为外拉式手柄，是一铰链四杆机构，原动件是外开启手柄；(3) 内开启机构部分，由构件11等机架组成，为一空间四杆机构，内开启手柄与摆杆的运动处在两个相互垂直的平面内，原动件是内开启手柄。 门锁是重要的安全件。由两个零件构成，一个零件固定在车门上，另一个零件固定在车身上，通过门闩阻止车门向外打开，通过简单的杠杆运动或压揿按钮的动作将它们脱开。门锁作为汽车车身上使用最频繁的部件之一，具有功能性和装饰性的双重作用。随着我国汽车工业的不断发展，人们对门锁的安全性、轻便性、车门关闭和开启无声、美观等方面不断提出新的更高的要求，促使大量新型门锁产生，如图2.12所示。图2.12 车门锁系统车门锁的基本作用有两点：其一是栓紧作用。门锁必须工作可靠，在正常关闭车门后，除非转动或拉车门手柄，以及按钮等正常操作，否则用其它外力不能打开车门，因而在汽车行驶时不会因振动和冲击使车门打开。其二是防止外人侵入的锁紧作用。车门锁的性能要求：1)易于制造，成本低；2)车门开启与关闭轻便、灵活；3)磨损小，保证足够的使用寿命；4)工作可靠，门锁必须可靠地将车门锁紧，在汽车行驶时车门不允许自动打开；5)操纵内、外手柄时车门能轻便打开；6)设有锁止机构。当锁止时，如按下锁钮或外手柄处于锁止状态时，搬动车门内、外手柄，不能打开车门。在车外只有使用钥匙才能打开车门，在车内只有先拉起锁止按钮才能打开车门；7)当车门开着，锁止按钮按下时，此时关闭车门撞动锁爪，即可通过联动杆来解除锁止状态，同时可以防止由于钥匙遗忘在车内而打不开车门；8)当车门处于全锁紧状态时，车门锁能经受一定的纵向载荷、横向载荷和冲击惯性力的作用，从而不因汽车碰撞、翻车、颠簸而使门锁失灵；根据车门锁的结构类型，门锁按其结构大致可分为舌式、棘轮式和凸轮式。舌式锁结构简单，安装容易，易于制造，对车门的安装精度要求低，常见于载荷汽车和大客车，如CA15、EQ140、NJ130等。但由于弹簧力大，操纵笨重，不能承受纵向载荷，仅能承受开门方向的载荷，故现已在汽车上淘汰。棘轮式门锁的特点是锁内有一套制楔机构，它由锁钩(棘爪)、棘轮组成。按门腔外部的锁拴与门柱上的挡块形式不同，又可分为转子锁和卡板锁。在选择门锁时，应考虑新车型及使用条件，对于轻型客车，一般在较好的路面上行驶，并且制造条件也较好，故可选用操纵轻便的转子锁和卡板锁。对于越野车，主要是在不平路面上行驶，道路条件不好，主要考虑可靠性，可选卡板锁。对于载货车，除了满足门锁的一般要求外，应选用工艺简单，成本低的结构。2)车门内外手柄外手柄有旋转式、掀拉式、按钮式、手抠式等。旋转式外手柄结构简单，零件数量少，但手柄易歪斜，脱落，影响汽车外形美观。按钮式外手柄结构可靠，零件数稍多，同时当车门锁开启力大时，手指明显有开启沉重感。掀拉式外手柄平时隐藏在车门外板内，不易被碰坏，但转轴易坏。手抠式外手柄是近年来出现的新款式，可以安装的与外板齐平，使其不产生危险性，也有利于减小空气阻力，如图2.13所示。门锁的内手柄有旋转式、掀拉式、按钮式和手抠式。从安全考虑，最好内手柄布置在车门内饰里或扶手下面不易碰到的位置。手抠式内手柄就是凹进车门内板之内而与内饰板平齐，外观漂亮，不会碰开车门，安全可靠，如图2.14所示。 图2.13 掀拉式车门外手柄 图2.14手抠式车门内手柄3)车门玻璃目前几乎所有车门玻璃都采用钢化曲面玻璃。曲面玻璃在轿车上得到了广泛的应用，曲面玻璃可以有效的利用车内空间，减少车门厚度，并且外形美观，使车身更趋于流线型，车室内的宽度也有所增大。但曲面玻璃在制造上有一定的难度，并且在升过程中容易发生卡滞，一般将曲面玻璃的球面弦高控制在4mm以下。轿车车门玻璃面主要分为五种类型：a)圆柱面玻璃这种玻璃生产的工艺比较简单，但是对整车的造型美观方面影响较大，不够美观；b)斜圆柱玻璃在布置玻璃圆断面方向时尽可能与玻璃导槽的方向保持一致，导槽的模拟就是一个圆弧，玻璃的升降过程比较顺畅，运行流畅；c)圆环面玻璃这种玻璃的滑槽的设计相对比较简单一些，因为切出来的曲线的曲率变化相对较小，所以运行简单；d)啤酒桶面玻璃很多玻璃均采用这种形式，相对于b)和c)，玻璃的生产工艺相对复杂很多，但能提升车体的美观；e)任意的A面对于这种曲面的玻璃，主要就是去近似拟合一下滑槽，只要满足相应的要求就好了，但是自由曲面玻璃在制造上有一定的难度，并且在降过程中容易发生卡住现象。车门玻璃（如图2.15所示）的形状、大小、位置的确定是顺利实现玻璃升降布置的前提，也是车门布置的重要内容。玻璃形状和窗口处造型形状及窗框结构密切相关确定时应本着尽量逼近外形的原则，并保证玻璃沿导轨顺利升降。逼近外形是指车门玻璃的大小、形状与车身造型所要求的窗口一致，并尽量使玻璃外表面与车身外表面贴近。首先玻璃中心线的曲率和趋势应逼近外表面线，其次是保证玻璃沿导轨顺利升降，玻璃前后两边导轨平行且具有足够的导向段，并要求导轨的曲率保持不变。传统的柱面汽车车门玻璃（调质玻璃，曲率 R=1210 mm）配合柱面导轨，其导轨为单一半径圆弧，前后导轨为柱面上的等距线；其设计简单，运动校核方便。 图2.15车门玻璃4)车门玻璃升降器在车门及其附件设计中，车门玻璃及玻璃升降器是占有空间最大的部件，也是最重要的一个子系统。玻璃升降器的功能是保证车门玻璃平稳升降，门窗能随时并顺利的开启和关闭。它有着本身独立的运动机构及系统结构。玻璃升降器主要有驱动机构、传动机构、止动机构、平衡机构等几大部分组成。根据结构型式的不同，升降器可以分为绳轮式，软轴式，叉臂式（如图2.16所示）。a)绳轮式由开关控制直流电动机极性，使其做正反向旋转带动机构做上下运动，通过中间各传动装置起到升降玻璃的作用 。特点；重量轻，噪音小，设计也相对简单，制作容易，同时还有多种滑道进行选择.使用广泛,大众多款汽车使用此装置。 b)叉臂式 由开关改变直流微电机极性，由电机传动轴上的小齿轮带动长臂上的扇形齿轮在一定角度内旋转，从而改变长臂与短臂的夹角，起到升降玻璃的作用。 特点；适用于负载较大的车门玻璃，相对来说成本较低，丰田汽车多种车型应用此设计。c)软轴式由开关控制直流电动机极性使其正反向旋转带动机构做上下运动，再通过中间传动结构带动螺旋形钢丝软轴，使其带动玻璃上下运动，起到升降玻璃的效果。特点；虽然结构简单，但制作工艺较复杂，大型车应用较多。玻璃升降器是车门上主要附件之一，它带动玻璃上下运动占据门内大量空间，在选择玻璃升降器时应考虑以下因素：车门造型特点、车窗开口大小、玻璃形状和安装方式等。大致有以下几种类型：绳轮式、齿轮叉臂式、齿轮式和软轴式等。本设计采用齿轮交叉臂式玻璃升降器，如图2.16所示。其结构优点是比较坚固、使用寿命相对较长，运行稳定（双玻璃导轨设计），缺点是噪音相对较大。图2.16 齿轮交叉臂式5)限位器车门限位器是车门运动开启与关闭过程中的定位装置，同样是不可忽视的部件。设计风格的不一致，限位器的结构型式也分为两类，一类拉杆式限位器（传统形式）是一个独立的限位系统，由于结构简单，成本低得到广泛应用，一般轿车上都使用此类，如图2.17所示；另一类是凸轮机构式限位器，限位器是与铰链合在一起的，凸轮机构式限位器可以更好的解决档位不清，较易满足力矩要求和开启角度要求，以及实现关门力的要求，而这种限位器的成本也自然高出很多。两种类型限位器的作用都是一样的。限位器具有以下功用：a)保护车门前边框，防止与车身板金接触；b)实现一定角度区域内的自动开启定位与自动关闭车门；c)刮风天，特别是车辆顺风开门时，它能保护车门，限制到一定程度、而不被损坏。 图2.17拉杆式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）。本设计采用拉带式限位器，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2.17.1 限位器结构图限位器的具体结构尺寸：限位拉杆长280 mm、宽12 mm、厚10 mm，滚轮D=15 mm2。限位器的拉伸强度校核由于限位拉杆圆孔对杆的截面面积的削弱，所以要对杆进行拉断校核。为此，先将拉杆端部截开，在截开的截面上有拉应力，假定它是均匀分布的，其合力为N1，由平衡条件可知：N1 = P 根据轴向拉伸强度校核公式： （3-8）式中A是被切开杆的横截面积的净面积，为 （3-9）将有关数据代入得： （3-10）故所设计的限位杆满足拉伸强度要求。6)车门铰链车门铰链主要包括固定部分(即铰链座，固定在门框上)、活动部分(安装在车门上)和铰链轴。从结构型式上区分，车门铰链一般可以分为明铰链和暗铰链。a)明铰链明铰链的旋转轴心在车身外表面的外面。优点：为结构简单、紧凑；体积小、重量轻；调整车门和铰链拆装容易。缺点：铰链暴露在外，增大了风阻系数；影响车的美观，易刮碰。明铰链在卡车、吉普车、军车上都有应用。b)暗铰链暗铰链的旋转轴心在车身外表面的里面。优点：是结构坚固，连接可靠，车门不易下沉；铰链不外露，不破坏车身侧面造型。缺点：结构复杂、尺寸大、重量重、安装调整不方便。轿车的车门铰链出于美观和空气动力学的要求，都采用暗铰链。暗铰链又有臂式和合页式之分。臂式铰链的铰链轴安装在门柱上，要求门柱粗大，优点是开门时车门外移，发生干涉的可能性小。合页式铰链的铰链轴安装在门柱之外，与臂式铰链相比，具有质量轻、刚度好、结构紧凑、装配关系简单等优点，现在广泛采用。从制造工艺上区分，车门铰链又可以分为压铸式铰链与锻压成型铰链，如图2.18所示。压铸式铰链刚度强，承载能力大，通用性好，但是成本比较高，在欧美一些比较大型的轿车上有应用；锻压成型铰链在日韩系车上比较常见，通用性也很好，但是刚度不如压铸式铰链。 图2.18锻压式车门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2.181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2.181铰链的受力分析图本设计中选用的设计参数分别为：b = 400 mm d = 880 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=260 N R=0 N（掀拉式外手柄受力水平向上） 则： 下铰链=铰链的具体结构尺寸为：铰链轴长为46 mm，固定叶板长74 mm、宽80 mm，活动页板长116 mm、宽32 mm，铰链轴直径8 mm，活页钢板厚度4 mm、宽度12 mm。铰链的强度校核（1） 校核铰链轴的剪切强度：Fs=Q=325 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=325 N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=325 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。2.3.3车门密封条车门密封条是车门的重要内容，车门密封条一般可以分为：车门口密封条、车门头道密封条、车门玻璃导条、车门外挡水条、车门内挡水条、车门顶部密封海绵胶条等，如图2.19所示。密封条主要是由具有良好弹性和抗压缩变形、耐老化、臭氧、化学作用、较宽的使用温度范围（-40+120）的三元乙丙橡胶(EPDM)橡胶发泡与密实复合而成，内含独特的金属夹具和舌形扣，坚固耐用，利于安装，如表2.2所示。 表2.2 密封条一般材质产品规格建议适用温度范围PVC材质零下二十摄氏度到一百五十摄氏度EPDM材质零下四十摄氏度到二百四十吧摄氏度内部金属夹具材料；铝或钢1.车门玻璃密封条车门玻璃密封条是安装在车门窗框上的密封条，一般由软硬两种密实胶组成，并可嵌入金属骨架，在不同方向唇边上植绒可降低玻璃升降时同玻璃间的摩擦阻力，还有减少噪音的作用，如图2.20所示。图2.20车门玻璃密封条2.车门口密封条车门口密封条安装在车身侧围门口位置，主要由密实胶基体和海绵泡管组成。密实胶内含有金属骨架，加强定型与固定作用。海绵泡管有受压变形、卸压反弹的功能，保证关门时的密封作用。此外，唇边部分有装饰作用。如有彩色胶构成或贴有织物，色调更加美观，如图2.21所示。 图2.21车门口密封条3.车门头道密封条车门头道密封条是一种同门口条配合使用的密封条，它可以是密实胶基底加上海绵胶唇边，也可以是全海绵胶的泡管，用来增加车门与车体间的密封作用，如图2.22所示。 图2.22车门头道密封条4.车门玻璃内外挡水条车门玻璃内外挡水条位于车门窗框下方的车窗内外侧植绒密封条，一般由单种胶料构成，可提高整车外形的美观水平，如图2.23所示。+ 图2.23车门玻璃外挡水条5.车门顶部密封海绵胶条车门顶部密封海绵胶条采用三元乙丙橡胶，经微波硫化工艺一次成型，表面光洁美观，具有良好的弹性和抗压缩变形，耐候老化、耐臭氧、耐化学作用及较宽的使用温度范围（-40+120）等优异性能。该密封条采用半圆形的设计，曲线斜率及曲线曲率变化的连续性有效避免了车身多个部位产生汽流分离，同时扰乱了带来噪音的周期性尾流，增强气密性能，可最大程度降低风噪。使开关车门沉稳厚重。提高车辆气密性及防尘能力。高效抑制风噪，降低车内噪音。改善车内声场，提升音响效果，如图2.24所示。 图2.24车门顶部密封海绵胶条2.3.4车门装饰件车门装饰件主要包括车门内饰板、内扣手、喇叭罩等。车门内饰板功能：车门内饰板满足车内美观需求，同时可以作为乘员乘降车功能件、控制件的安装载体，随着现代汽车业的发展，车门内饰板从结构工艺、美观要求以及材料要求都有了显著的变化，如图2.25所示。车门内饰板多采用复合板材，经真空吸塑成型而成，该工艺方法可制造出凸凹结构板材，以适应驾驶室内各种形状的要求。在美国，门内饰板用ABS或PP注塑成形的居多数，部分汽车内饰板采用织物；欧洲汽车一般采用增强聚丙烯板材放填充物，再包皮的结构，填充材大多数采用薄的聚氨脂泡沫塑料片，表皮材料为PVC，也有使用织物的趋向。近年来车门内饰板为满足耐候性和柔软性，已开始使用热塑性弹性体与PP泡沫板相叠合的结构，日本Chisso公司开发了一种冲压成型、连续生产全PP车门内装饰板的技术，装饰板包括PP内衬板、PP泡沫衬垫层和PP/EPDM皮层结构。另外设计者为了有效提高车内可利用空间，采用车门内饰板与车门扶手一体化造型，应用改性PP或ABS做骨架材料，再复合软饰材料制成整体门内饰板。 图2.25车门内饰件主要构成2.3.5车门电器件车门电器件主要包括车门线束（如图2.26所示）、线束胶套（如图2.27所示）、车门音响、车门控制面板（如图2.28所示）等。2.4车门设计的相关标准以及设计方案的选择车门设计时需要考虑的几个设计或试验标准：GB 15084-94 汽车后视镜的性能和安装要求QC/T 636-2000 汽车电动玻璃升降器-绳轮式QCT 626-1999 汽车玻璃升降器-齿轮臂式GB 9656-1996 汽车用安全玻璃GB 18408-2001 汽车及挂车后牌照板照明装置配光性能GB 3730.3 汽车外廓尺寸界限QC/T 490-2000 汽车车身制图QC/T 265-2004 汽车零部件编号规则GB 15086-2006 汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法GB15743-95 汽车侧门强度QCT 207-1996 汽车用普通气弹簧TB 1964-87 客车门窗用密封条检验方法HG/T 3088-1987 车辆门窗橡胶密封条2.5本章小结本章主要讨论了车门的结构构成，主要分为钣金、机能件、密封件、内饰件、电器件五大类。在这里重点讨论了各个机能件的类型、结构特点以及密封条的类型与特点，这些内容是车门布置与设计必须了解的前提工作。这样我们就可以根据成本和性能的需要为车门布置与设计工作提供结构型式定义、选型。第3章 车门布置与设计在本章里，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。3.1车门设计流程概要车门设计一般来讲分为定义、布置、设计、分析四个阶段，如图3.1所示。1)定义阶段，首先需要确认车门的结构型式，包括车门、窗框、升降器、铰链、门锁、限位器、内外手柄选型，密封型式定义，钣金材料定义等等，在这一阶段，主要是根据从整车分解下来的车门成本以及车门安全等级来定义这些结构型式，一旦确定之后，在布置阶段主要就围绕这些结构型式来做工作。另外，在定义阶段还有一项重要内容就是车门开口线的确定，这是与车门铰链的布置同时完成并向下发布的。2)布置阶段，主断面设计是一个主要内容，车门的密封条断面、窗框断面以及部分机能件的布置是与主断面设计同时进行的，其他的机能件布置、内外板作业孔、乘降性分析、安全性、工艺分析等工作也在这一期间进行。3)设计阶段，主要包括了车门内外板设计、其他钣金件设计、机能件设计、内饰设计、车门密封设计几大设计工作。4)分析阶段，主要有性能与安全分析、成型性工艺分析工作。 图3.1车门设计流程3.2车门主体设计定义3.2.1车门结构型式定义在这里，我们需要列表表示出车门部件的设计模式：继承、继承变更、新设计，如表3.1所示。车门机能件的选择是车门设计人员在进行车门附件布置设计时非常烦琐但又非常关键的一个环节，选择的好坏往往会影响到整个车门布置设计的最后结果。表3.1车门结构型式定义 在以上定义完成后,接下来需要定义钣金以及部件的材料、料厚与所有涉及到的标准件等，最终形成车门设计的指导书，作为以下设计的依据。3.2.2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3.2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。 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3.3所示。
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