鹏学堂｜车门垂向刚度的控制与提升

车门是车身关键运动件，也是整车使用频率最高的系统之一，现代汽车的车门，其作用已经超越了“门”的作用，而成为汽车的一种标志。车门的质量直接关系到整车的舒适性和安全性。如果车门的性能低，质量差，制造粗糙，就会增加车内噪声和振动，让乘客感到不适甚至不安全。因此，汽车产品在开发中要重视车门的开发设计，确保车门性能不但达到企业技术标准，而且满足客户使用要求。

车门垂向刚度是车门刚度的重要内容，是车门性能高低的最重要衡量标准之一，因此必须重视车门垂向刚度性能的控制和提升，在车门系统开发的整个过程都要严格控制和把关。同时在车门垂向刚度控制和提升过程中一定要协调好车门刚度性能和车门重量及成本的关系，不能厚此薄彼。

▲车门与车身的链接结构

车门通过铰链使用螺栓，螺接在车身上。从车门和车身的链接结构特点可以看出车门垂向刚度主要和三方面有关：车身、车门铰链、车门。从理论上来讲，提高车门垂向刚度需从车身、车门铰链、车门三方面入手，加强三方面刚度且不要产生刚度短板才能使车门垂向刚度达到最优。而实际车身刚度已经达到碰撞级别要求，因此就没有必要再提高其刚度，因此车门垂向刚度性能提升主要通过提高车门铰链、车门系统的刚度来实现。

本文也主要从铰链系统、车门系统刚度的提升来讲解如何对车门垂向刚度进行控制和提升。主要方法包括优化铰链布置和车门结构两大方面，使用的主要方案验证手段是仿真分析。

车门垂向刚度性能的探测方法

车门垂向刚度性能的探测方法主要有车门垂向刚度实验、车门垂向刚度仿真分析、开闭耐久实验、整车综合耐久实验等。车门垂向刚度仿真分析探测方式为：

1）沿Z 向加载1G重力场；

2）在锁芯位置沿Z向施加载荷1000N；

3）卸载锁芯位置沿Z向载荷。

▲车门垂向刚度仿真分析方式

影响车门垂向刚度性能的主要因素

通过CAE仿真分析模拟车门垂向刚度，采用实车、刚性立柱、刚性立柱-铰链三种方式以探测车门垂向刚度性能的主要影响因素及影响量，某车门分析结果：

▼车门位移分析结果（锁闩处位移，单位：mm）

车门贡献量= drph / d0×100%车门、铰链、车身立柱对车门下沉的贡献量按如下方式计算：

侧围立柱贡献量=（d0—drp）/ d0×100%

铰链贡献量= （drp—drph）/ d0×100%

▼车门、铰链、车身立柱对车门下沉的贡献量（%）

对比上表的数据：

1）前车门-铰链-侧围系统，在外载作用下，对变形贡献最大的是铰链，达53.5%，侧围和车门贡献量接近；而对残余变形贡献量最大的是铰链，达70.1%，车门次之，为28.2%，立柱贡献量仅为1.7%。

2）后车门-铰链-侧围系统，在外载作用下，对变形贡献最大的是侧围立柱，为43.5%，铰链次之，车门贡献量最小；而对残余变形贡献量最大的是车门，达57.7%，铰链次之，为42.1%，立柱贡献量为0.2%。

车门铰链布置对车门垂向刚度性能的影响

本文主要从车门铰链布置角度来研究铰链对车门垂向刚度的影响，铰链自身的结构方面暂不论述。在铰链结构保持不变前提下，可通过以下两种方式来验证铰链对车门下垂刚度性能的影响：

1）调整铰链间距；

2）调整两种常见冲压铰链的不同组合。

研究手段通过CAE仿真分析，模型建立及约束、加载情况如下图所示：

▲铰链布置仿真模拟

将铰链固定安装在刚性台架上，通过台架铰链施加Z向作用力，模拟车门垂向刚度性能探测工况，探测在铰链中心距不同、上下铰链组合形式不同工况下，铰链Z向弹性及塑性变形情况。分析结果显示，铰链的中心距对垂向刚度的影响较大：

▲铰链中心距对车门垂向刚度的影响

从分析结果可以看出，铰链中心距的变化对铰链Z向弹性和残余变形的影响都比较大。因此，增加铰链中心距对车门垂向刚度性能的提升有很大益处。但车门铰链中心距不可能无限量的增大，因此在造型、车身结构、车门布置允许的前提下，尽量增加铰链中心距是设计追求的正确目标。

仿真分析结果同时显示，上下铰链布置不同的组合形式对铰链Z向弹性和残余变形的影响也比较明显：

▲上下铰链布置形式对铰链变形影响

车门上下铰链布置形式受限因素也同样为车身造型和结构，在尽量增加铰链中心距前提下，上下铰链布置尽量用上图所示的方式一、二形式，在车门以及车身结构不变前提下，才能获得比较好的车门垂向刚度性能。

车门系统影响车门垂向刚度的主要方面

在车门铰链布置确定后，进一步研讨车门结构对垂向刚度的影响，以通过提高车门刚度来实现对车门垂向刚度性能的确保。

对车门垂向刚度CAE仿真分析，观察车门在受力加载工况下，车门弹性变形分布情况和车门垂向加载力后车门残余变形分布情况：

▲车门弹性变形分布

▲车门残余变形分布

从车门垂向刚度CAE反正分析中可以看出，车门弹性和残余变形都分布在车门内板前端，因此要确保车门垂向刚度，必须确保车门内板前端的刚度，尤其是车门在铰链安装处刚度。

车门结构在车门垂向刚度性能保持和提高方面应对措施

1）车门前端结构方案的制定

为了加强内板前端以确保车门垂向刚度性能，内板结构主要有两种形式：一是内板采取整体内板式，然后在内板前端增加一加强板；二是把内板分前后两块，前内板板材较厚，后内板板材较薄，前后内板的搭接可采用焊接或激光拼焊板。

▲不同内板形式

两种内板形式各有优劣，根据项目需要进行定义选择。分块式内板,前部厚板的料厚一般为1.5mm、1.4mm、1.2mm等等，后部薄板料厚一般为0.8mm或0.7mm。整体式内板的厚度一般为0.7mm或0.8mm，加强板厚度为0.8mm、1.0mm、1.2mm不等，具体根据车门自身性能需要设定。

2）带法兰面铰链螺母板焊接螺母的应用可以提高车门垂向刚度性能

传统的车门铰链螺母板焊接螺母采用普通焊接螺母，但近期越来越多的车门开始使用带法兰盘的焊接螺母。仿真分析结果显示，带法兰盘螺母可以提高车门垂向刚度性能。

▲两种带法兰盘的螺母

▼不同焊接螺母仿真结果对比

带法兰面焊接螺母在成本上与普通焊接螺母相差不大，在结构空间设计上所占空间没有增加，而且通用性极强，因此带法兰面焊接螺母的使用算是用较小的代价获得了可观的性能提升。

3）车门螺母板结构优化及增加铰链加强板对垂向刚度提升的研究

在产品开发过程中，发现增加车门铰链螺母板尺寸（宽度和长度及料厚），增加螺母板焊点数量，增加铰链加强板等都能不同程度地提升车门垂向刚度性能。首先通过CAE仿真分析：

▲螺母板及铰链加强板优化结构分析

这三个方案分别是：1、增大车门螺母板且增加螺母板焊点数量；2、在车门下铰链处增加一加强板；3、方案1+方案2.仿真分析结果显示，这三种方案对门下垂性能的提升都有作用：

▼三种方案结果对比

（4）车门内板前端增加加强筋设计

为了加强门内板前端铰链安装处刚度，在一些车门上，采用了在铰链安装处增加加强筋的做法，加强筋结构增强了内板安装铰链处的刚度：

▲车门内板前部加强筋结构

▲内板铰链安装处增加加强筋仿真模型

▼内板增加加强筋前后对比

结果显示内板前端铰链安装处增加加强筋的做法可以提高车门垂向刚度。

通过车门垂向刚度控制和提升方法的研究，我们认为影响车门垂向刚度性能的主要有车门铰链中心距、车门结构、焊点布置等三方面因素。

车门在保持及提升垂向刚度性能方面，主要就从这三个方面入手，制定车门垂向刚度性能保持及提升方案。在车门设计过程中，这三个方面不可能都同时达到最优设计状态，甚至在设计中他们之间会产生冲突，因此在设计中就需要科学合理选择、组合，最大限度减少三方面的矛盾，凝聚三方面的优点，达到三方最大程度的统一。

▼车门垂向刚度性能主要影响因素

参考文献：

（1）姜连勃，王绍春．汽车技术．1999(4)：14-19．

（2）陈国华．基于有限元的汽车车门静态强度刚度计算与分析．机械制造与制造研究，2006，35(6)：21-24.

（3）徐杰，雷刚，曹建国．轿车车门焊点布置优化设计及仿真分析．重庆工学院学报：自然科学版，2009，23(11)：25-28．

（4）廖君．汽车前车门下沉刚度的建模和分析．机械工程师，2008(1)：146-147．

（5）万德安，赵建才．轿车车门刚度有限元分析及结构优化．汽车工程，2001，23(6)：385-388．

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来源：小鹏汽车