《轿车前车门设计》—设计说明书 李凯

中华人民共和国教育部东北林业大学毕业设计说明书 设计题目： 轿车前车门设计 学 生： 李 凯 指导教师： 李宏刚 讲师 学 院： 交通学院 专 业： 交通运输类(车辆工程)2005级2班 2009年4月东北林业大学毕 业 设 计 任 务 书设计题目 轿车前车门设计 指导教师 李宏刚 讲师 专 业 交通运输类（车辆工程）2005级2班 学 生 李 凯 2009年1月3日题目名称：轿车前车门设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）首先要求对轿车前车门的结构及功能特点进行分析，并根据轿车前车门的位置及功能特点选择前车门的具体结构形式，并按照车门的有关设计要求具体设计一轿车前车门，完成车门具体尺寸的计算和相关校核，撰写设计说明书，并按要求绘制相关零件图和装配图。要求设计合理，结构紧凑。时间安排：2009年1月1日2009年3月1日：调研、查阅参考资料，了解轿车前车门的功能、主要结构形式。确定研究方法，撰写开题报告。根据设计内容自找相关单位进行毕业实习，填写实习日志。2009年3月16日2009年3月20日：开题。上交实习报告、实习日志。2009年3月21日2009年4月10日：查找相关设计资料或手册，分析并确定轿车前车门的具体结构形式，主要零部件及相互位置关系，绘制轿车前车门的结构草图。2009年4月11日2009年4月19 日：根据选定的设计参数，按照车门设计的有关要求和顺序进行具体结构尺寸参数的计算及其他有关参数的选配，绘制部分零件图及总成草图。 要求设计完整正确，图纸能够完整表达所设计总成或零部件的结构特点。2009年4月20日2009年4月25日：接受中期检查。2009年4月26日2009年5月15日：对设计草图进行修改，进行相关校核，完成设计图纸及说明书初稿。2009年5月16日2009年5月25日：说明书及图纸送审，根据审阅老师意见进行修改。准备预答辩。2009年5月25日2009年5月31日：预答辩2009年6月1日2009年6月7日：修改预答辩中发现的问题，包括图纸、说明书格式、中英文摘要等。要求完全符合学校制定的撰写规范。准备答辩。其中： 参考文献篇数：10篇以上（其中，外文文献3篇以上）图 纸 张 数：折合0# 图纸3张以上，其中至少含1张0# 图纸 说明书字数：6000字以上 专业负责人意见签名：年 月 日轿车前车门设计摘 要车门作为一个综合的转动部件和车厢一起构成了乘员舱的空间界面，设计的车门应具有足够大的强度、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。本设计在参考了多种车门结构形式的基础上，具体设计了一个分体式前车门。关键词：分体式；轿车前车门；结构设计Design of cars front doorAbstractThe cars front doors as integrated compartment of the rotating parts and constitute the crew of the space module interface together, the design of the door should have sufficient strength, stiffness and good vibration characteristics, to meet the impact resistance when the door closed and with the side met resistance at the time of into the performance of such requirements. The design of the door in reference to a variety of structures based on the specific design of a split before the door.Key words：split; cars front door; structural design目 录1 绪 论12 轿车前车门结构形式及特点23 轿车前车门结构设计43.1 结构形式及组成43.2 铰链设计43.3 限位器设计53.4 后视镜设计63.5 外板设计73.6 内板设计73.7 门锁机构设计83.8 门玻璃设计93.9 玻璃升降器设计93.9.1 车门窗玻璃升降器操纵手柄位置93.9.2 平面图布置113.10 防撞梁设计113.11 密封设计124 结 论13参考文献致 谢东北林业大学毕业设计说明书轿车前车门设计1 绪 论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1。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。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。2 轿车前车门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2。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2-1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，在车门本体或其它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 2-1 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。3 轿车前车门结构设计3.1 结构形式及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。3.2 铰链设计铰链是车门与车身连接的关键部件3，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3-1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2。图3-1 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= （3-1） Q= （3-2）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=（3-3）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：（3-4） 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。 （3-5）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 （3-6）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 （3-7）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。3.3 限位器设计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4。图3-2 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。3.4 后视镜设计后视镜是汽车必有的安全件之一，驾驶员在行车过程中，通过后视镜来获取汽车后方、侧方和下方的外部信息。后视镜按照镜面形状不同，可以分为平面镜、球面镜和双曲率镜。后视镜按照镜面反射材料不同，可以分为铝镜、铬镜、银镜和蓝镜。后视镜由主体结构和安装附件构成。如图3-3所示，主体结构包括镜片、壳体、万向球头、压板等件，安装附件包括安装座和安装螺钉。外后视镜镜片在壳体加热后卡入壳内，压板通过两个螺钉紧紧压在球头销上，用来防止行车时后视镜自行转动，后视镜总成通过球头销杆部螺纹与支杆连接，支杆则固定在车身上5。 图3-3 后视镜剖面图3.5 外板设计图3-4 外板的刚度加强如图3-4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6。3.6 内板设计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，如图3-5所示，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6。外后视镜限位器限位块音 响门 锁内手柄门铰链图3-5 桑塔纳轿车内板3.7 门锁机构设计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7。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3-6、3-7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3-6 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3-7 门锁系统组成原理框图从图3-6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。 3.8 门玻璃设计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。3.9 玻璃升降器设计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3-8所示，其优点是结构坚固、使用寿命长，运行较稳定（双玻璃导轨设计），但噪音相对较大。图3-8 齿轮交叉臂式3.9.1 车门窗玻璃升降器操纵手柄位置在确定操纵手柄时，应从人机工程学的角度来考虑。为了使手柄布置，在方便的位置就要把手柄的位置和驾驶员的位置联系起来。如图3-9所示，为汽车的手柄位置确定。图示的阴影区域是在有关标准中对汽车驾驶室车门玻璃升降器手柄三角窗框及车门扶手所限定的区域8。图3-9 汽车的手柄位置确定图3-10 车门升降机构平面布置图1 铰链中心线；2 主动臂摆动中心；3 前导轨；4 门锁内手柄；5 滑槽上止点；6 联动杆；7 门锁；8 后导轨；9 滑槽下止点；10 限位块3.9.2 平面图布置 图3-11 交叉臂式玻璃升降器简化结构侧视图如图3-10、3-11所示为玻璃升降器的平面布置图：（1）主动臂摆动中心的位置应设在靠近玻璃升程的一半处，这样可以保证滚轮的水平移动量最小；（2）对于玻璃升降器从动臂的固定导轨，一般来说可以水平布置，但有时可以将它斜向布置，以减小摩擦力，不过在上下方向的位置应该与摆动中心的位置差不多；（3）当主动臂在水平位置时，应使玻璃升降器的支撑中心与玻璃质心相近以使升降平稳；（4）升降器底板在门内板平面上的固定位置和角度，则决定于按人机工程学的校核区域内手柄位置和主动臂的摆动中心，还要考虑齿板齿轮的啮合范围；（5）主动臂的长度是设计升降器时应该考虑的因素，一般由玻璃升程和玻璃大小决定。在确定摆动中心后（升程一半处），主动臂的长度越长，则滚轮的水平移动量越小；（6）玻璃的限位在上止点靠的是窗框的最上端，而在下止点靠的是玻璃限位块10，它一般焊在盖板上当盖板拆下后，玻璃还可沿导轨下滑，直到滚子可以从滑槽中脱开为止，以便拆装和更换玻璃。3.10 防撞梁设计图3-12 Y型防撞梁结构示意图图3-12为Y型侧门防撞梁，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。3.11 密封设计要求密封材料耐候性好、耐摩擦性好、耐热老化性好、吸水率低、低温时可挠性好及不受车辆的涂漆侵蚀等。为满足上述性能，一般采用EPDM（三元乙丙橡胶）制海绵。另外，为提高耐摩擦性、降低与车身的摩擦声及提高在寒冷地带车身与密封条之间的防冻性能，一般都在密封条表面涂层。密封方式采用安装在车门上的方式，防止车门与车身间进入雨水、灰尘并防止上下车时弄脏成员的衣物；为防止水和灰尘进入车门锁内，尽量在车门外侧密封；密封质量好，提高隔音性能9。图3-13所示为空心压缩型密封条，是由起密封作用的海绵橡胶部分和起夹紧于门框作用的夹持部分所组成，其尺寸随车型的不同而不同；非线性的弹性特性使关门时消耗能量小，密封效果也好。为降低压缩密封条的载荷，可在密封条上加工排气孔，孔径一般为34 mm，孔距约为200 mm。图3-14 车门密封条安装方式图3-13 密封条截面图4 结 论通过对现有轿车前车门结构形式及其特点的分析，设计了一款轿车前车门，该车门采用分体式结构，主要包括铰链、限位器、后视镜、外板、内板、门锁、门玻璃、玻璃升降器、防撞梁、密封等部件。 参考文献1 王宏雁，徐少英。车门的轻量化设计。汽车工程，2004，32 唐建春。基于知识的车门附件布置设计系统的开发。吉林大学硕士学位论文，2000.92002.2：18343 何若天。轻型汽车车门铰链结构与维修。汽车技术，1990，84 黄天泽、黄金陵。汽车车身结构与设计。机械工业出版社，1997.10：1912185 古正气。轿车车身。人民交通出版社，2002.10：1922026 姜连渤，王绍春。汽车车门设计。设计计算研究，1999，47 李卓森，高云凯，李宇彤。中外汽车构造图册。1995.1：22288 陈华初，伍德荣。车门玻璃升降器制动力矩的分析与计算。湖北汽车工业学院学报，1993，39 汽车工程手册编辑委员会。汽车工程手册设计篇。人民交通出版社，2001.5，68870810 万德安、吕龙鹤、汲长志。轿车车门与侧围虚拟装配及装配质量的测试与分析。中国机械工程， 2004年9月下半月，第15卷第18期11 崔建、昆周伟。轿车车门断面设计的原则和方法。上海理工大学学报，2008，Vol.30 No.512 杨蕾、张淑敏、李应军。面向最优关门能量的轿车车门设计。机械制造，2006，44卷第499期14致 谢在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我这样的锻炼机会。在整个毕业设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益！东北林业大学毕业设计评审意见表毕业设计题目轿车前车门设计学生姓名李 凯专业班级车辆工程05级2班指导教师评语:建议成绩：指导教师（签字）： 年 月 日东北林业大学毕业设计评审意见表毕业设计题目轿车前车门设计学生姓名李 凯专业班级车辆工程05级2班评阅人评语:建议成绩：评阅人（姓名、职称）: 年 月 日东北林业大学毕业设计评审意见表毕业设计题目轿车前车门设计学生姓名李 凯专业班级车辆工程05级2班评阅人评语:建议成绩：评阅人（姓名、职称）: 年 月 日答辩委员会意见: 答辩委员会(教师姓名、职称)：毕业论文成绩：