專用汽車推拉門設計方法研究

王典1 王海軍2

1. 中國第一汽車股份有限公司 吉林長春 1300112. 山東水星博惠汽車部件股份有限公司 山東德州 253300

1 前言

目前，在國內專用汽車推拉門的設計中，關閉舒適性能方面的研究一直沒有得到設計人員足夠的重視，相關的評價指標沒有確定，這給產(chǎn)品品質的評價和產(chǎn)品的設計開發(fā)帶來一定的風險。車門關閉力是影響車門關閉舒適性的關鍵因素，關閉力的大小與車門的關閉速度成正比，研究均以速度這一指標進行[1]。

下面以一港口專用牽引車駕駛室后車門的設計開發(fā)案例，對專用汽車推拉門設計開發(fā)過程進行總結。通過車門關閉速度試驗對專用汽車推拉門舒適的關閉速度進行求解，并引入專用汽車推拉門的評價指標。

針對以往車門設計開發(fā)過程中，很多評價指標都要等到產(chǎn)品試制階段，才能經(jīng)過試驗驗證確定產(chǎn)品是否滿足評價指標。這種產(chǎn)品開發(fā)模式風險高，時間長，成本高，已不能適應目前數(shù)字化時代的產(chǎn)品開發(fā)需求。為此，通過數(shù)學方法對專用汽車推拉門最小關門速度V進行計算推導，得出這一評價指標的理論計算分析方法。

2 產(chǎn)品定義

2.1 主要參數(shù)

港口專用牽引車駕駛室后車門的具體參數(shù)如下：車輛側門離地高度為1 440 mm，且門側腳踏空間不足，不利于乘員上下車，乘員主要利用后車門上下車，側門主要用于傳遞單據(jù)。結合港口專用牽引車后車門的使用工況進行前期產(chǎn)品定義如下：

a.開啟方式：推拉。駕駛室后側有貨箱，無法布置旋轉門，為滿足車門后部空間小且需滿足乘員上下車的需求，故推拉門為最佳方案。

b.結構形式：框架式。開發(fā)時間短，開發(fā)費用低，整體剛度好。

c.總體尺寸：642 mm×1 805 mm×60 mm；后車門通過空間為515 mm，可同時供乘員上下車。

d.總成質量：26 kg。根據(jù)車門尺寸及項目要求確定。

e.內飾：平板內飾?？紤]到推拉門若采用有造型的凸起內飾，車門開關時會與后圍干涉。

f.鉸鏈總成：采用滾動軸承式，固定在拉門框架上側。滾動軸承強度好，且已形成系列化，產(chǎn)品質量有保證、成本低。

g.密封形式：一道半密封。防止水和灰塵進入車內，保證駕駛室內的水、氣密封滿足要求。

h.門鎖：具有雙側鎖止功能卡板鎖。在炎熱的季節(jié)，駕駛員習慣開著后門開車；并且當牽引車未搭載貨箱時，駕駛員習慣打開后門向后看倒車。此兩種情況下保持車門在完全開啟狀態(tài)下鎖止更為安全。

2.2 評價指標確定

車門關閉力研究一直受到各大汽車生產(chǎn)企業(yè)的關注[4]。微車中門推拉門試驗準則，在車門關閉過程中，當車門到達門洞中間位置時，車門關門速度V≤1 m/s，車門能夠鎖止，為微車車門關閉舒適性能評價的重要指標。經(jīng)過使用工況比較，專用汽車推拉門關門工況與微車中門關門工況一致，對專用汽車推拉門也采用車門關閉速度這一評價指標進行試驗。評價指標車門關閉速度V的取值方法以提升產(chǎn)品品質為導向，在試驗與方程計算中取小值。

2.2.1 車門關閉速度試驗[1]

根據(jù)體重選出輕、中、重試驗人員若干，在沒有安裝門洞密封條的樣車上模擬關門，通過試驗儀器測得試驗人員感覺較為舒適的關門速度，每人3次取平均值，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車門關閉速度試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（部分）

2.2.2 繪制直方圖

將試驗數(shù)據(jù)繪制直方圖，如圖1所示，可以看出試驗數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

圖1 數(shù)據(jù)分布直方圖

2.2.3 關門速度計算

根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律，列出試驗樣本滿足方程式，正態(tài)分布曲線見圖2。

圖2 正態(tài)分布曲線

汽車車身附件的設計通常須滿足95%用戶的使用需求，求解V即為95%的用戶感覺舒服的關門速度范圍。關門速度求解示意圖圖3所示，方程如下：

圖3 關門速度求解示意圖

解得V=1.2 m/s。

由車門關閉速度試驗驗證可知，95%的用戶可以接受的關閉速度為1.2 m/s，小于1.2 m/s則更佳。為提高產(chǎn)品品質，將關門速度引入專用汽車推拉門評價指標，其值設定為V≤1 m/s，保證95%以上的用戶對關門速度滿意。

2.3 產(chǎn)品零件構成

專用汽車推拉門由車門FRP外板、車門玻璃、鋁合金內飾蓋板、車門框架總成及車門附件組成。圖4所示為專用汽車推拉門零部件組成爆炸圖。

圖4 專用汽車推拉門產(chǎn)品組成爆炸圖

3 產(chǎn)品斷面設計

3.1 鉸鏈斷面設計

鉸鏈導軌斷面尺寸為49 mm×38 mm，料厚為2 mm。圖5為車門鉸鏈斷面圖。

圖5 車門鉸鏈斷面

3.2 門洞密封斷面設計

為減少車門推拉過程中車門對密封條的摩擦，減小開關門力，車門采取梯形斷面，外表面平行于后圍。設計要求保證車門外表面與駕駛室整體的協(xié)調統(tǒng)一，確保車門密封性，減小開關門力，提升用戶舒適性。圖6為車門門洞密封斷面圖。

圖6 車門門洞密封斷面圖

3.3 窗口橫向斷面設計

車門與門洞密封條形成面密封。后圍粘接一道密封條，駕駛室內部不可見，當車門關閉時形成密封，提升美觀性的同時提高密封性能。圖7為窗口橫向斷面圖。

圖7 窗口橫向斷面圖

3.4 門鎖斷面設計

門鎖實現(xiàn)雙側鎖止功能，保證車門能夠在關閉和全開狀態(tài)下鎖止；門鎖集成內外把手和鎖芯，操作簡單，集成性強。圖8為門鎖斷面圖。

圖8 門鎖斷面圖

3.5 下裝配導軌斷面設計

下裝配導軌采用POM材料，自潤滑性好，內襯金屬骨架，通過螺栓連接固定在后圍上，拆裝方便，牢固可靠。圖9為下裝配導軌斷面圖。

3.6 緩沖塊斷面設計

緩沖塊采用橡膠材料，當車門開啟時可以緩解車門的慣性沖擊，起到保護車門及門鎖的作用。圖10為緩沖塊斷面圖。

圖9 下裝配導軌斷面圖

圖10 緩沖塊斷面圖

4 車門結構設計

4.1 車門金屬框架結構設計

圖11所示為車門金屬框架爆炸圖，表2為車門金屬框架構件清單，金屬框架總質量為13.8 kg。

4.2 車門附件結構設計

后車門附件包括車門玻璃、門鎖、鎖環(huán)、鉸鏈、緩沖塊、下裝配導軌、門洞密封條和后圍密封條。其中，車門關閉力大小的影響因素，密封條可占到20%～50%[5]，同時具有緩沖關門沖擊，減輕汽車在行車過程中振動的作用[6]。車門附件總質量為26 kg。

表2 金屬框架構件清單

圖12 車門附件圖

5 CAE分析

CAE分析使用Nastran軟件完成。導軌材料采用St12冷軋鋼，料厚2 mm。約束鉸鏈導軌和下裝配導軌，對車門中梁Z向加載500 N（如圖13），經(jīng)CAE分析后，導軌的最大應力為56.08 MPa，最大位移0.021 mm（如圖14）。

約束鉸鏈導軌和下裝配導軌，對車門中梁X向加載500 N（如圖15），經(jīng)CAE分析后，導軌的最大應力為87.31 MPa，最大位移0.121 mm（如圖16）。對Z和X向的加載分析，導軌的應力和位移都較小，滿足使用要求。

圖13 CAE分析結果a

圖14 CAE分析結果b

圖15 CAE分析結果c

圖16 CAE分析結果d

6 計算驗證

以往車門設計開發(fā)模式，評價指標通常是在產(chǎn)品試制階段，經(jīng)過試驗驗證確定產(chǎn)品是否滿足評價指標，風險高，時間長，成本高。通過專用汽車推拉門已知的零件參數(shù)，利用數(shù)學方法對專用汽車推拉門最小關門速度V進行計算推導，求得評價指標的理論計算方法，可在產(chǎn)品設計階段得知車門的關閉速度，降低開發(fā)風險。

影響專用汽車推拉門關閉速度的因素包括車門結構、自重、鉸鏈、門鎖、導軌、緩沖塊、氣阻效應、密封條及使用環(huán)境等[8]，其中，車門自重、密封條、導軌和氣阻效應對其影響最大，在不考慮氣阻效應和其他附件影響的條件下，利用密封條、導軌和車門自重對車門關閉的阻力所做負功進行推導，求取專用車推拉門最小關門速度V。計算推導過程如下：

密封斜面與車門外表面的斜度控制在3°以內，從門洞密封條與車門接觸到車門關閉，車門通過的長度為總通過長度（車門寬度）的三分之一左右為宜，否則將影響車門厚度，占用車內空間。

6.1 門洞密封條做功推導

門洞密封條做功示意如圖17、18所示，門洞密封條橫向長度為L，豎向長度為H；假設車門推拉時，當門洞密封條與車門剛接觸時，門洞密封條與車門未接觸長度為b，當車門關閉時門洞密封條壓縮量為a，當門洞密封條壓縮量為x時，門洞密封條與車門接觸長度為L－b+y，車門關閉時門洞密封條每米長度的正壓力為C，則：

根據(jù)試驗得知，門洞密封條每米長度正壓力與壓縮量可以簡化成成線性比例關系，圖19所示。

圖17 車門運動俯視圖

圖18 門洞密封條示意圖

圖19 門洞密封條每米長度正壓力與壓縮量關系圖

可列公式求得門洞密封條上下兩端對車門的阻力所做的功：

式中，F(xiàn)橫壓為當門洞密封條壓縮量為x時，門洞密封條上下兩端作用在車門的正壓力；μ2為車門與門洞密封條的橫向摩擦系數(shù)；F橫阻為當門洞密封條壓縮量為x時，門洞密封條上下兩端作用在車門上的阻力；W橫為車門關閉過程中，門洞密封條上下兩端對車門的阻力所做的功。

設豎向門洞密封條與車門接觸到車門關閉的行程為U，如圖20所示。則當門洞密封條的壓縮量為x時，可以求得車門關閉過程中，門洞密封條左右兩端對車門的阻力所做的功。

式中，μ1為車門與門洞密封條的豎向摩擦系數(shù)；F豎壓為當門洞密封條壓縮量為x時，門洞密封條左右兩端作用在車門上的正壓力；F豎阻為當門洞密封條壓縮量為x時，門洞密封條左右兩端作用在車門上的阻力；W豎為車門關閉過程中，門洞密封條左右兩端對車門的阻力所做的功。

圖20 豎向門洞密封條剖面示意圖

6.2 后圍密封條做功推導

根據(jù)試驗得知，后圍密封條每米長度正壓力與壓縮量可以簡化成線性比例關系，如圖21所示。設當車門關閉時后圍密封條壓縮量為d，此時后圍密封條每米長度的正壓力為E，后圍密封條與車門的接觸長度為S，則可以求得后圍密封條對車門的阻力所做的功：

式中，F(xiàn)側為當后圍密封條壓縮量為u時，后圍密封條作用在車門上的阻力；W側為車門關閉過程中，后圍密封條對車門的阻力所做的功。

圖21 后圍密封條每米長度正壓力與壓縮量關系圖

6.3 上導軌做功推導

根據(jù)阻力公式：

式中，F(xiàn)3為上導軌作用在車門上的阻力；m為車門整備質量；g為重力加速度；μ3為車門鉸鏈軸承與上導軌的摩擦系數(shù)。得到上導軌對車門阻力所做的功為：

式中，W3為車門在門洞中間位置，車門關閉過程中，上導軌對車門的阻力所做的功。

6.4 下導軌做功推導

下導軌處受到的壓力F下壓為門洞密封條作用于車門壓力的一半，可得公式：

可以求得下導軌對車門的阻力所做的功為：

式中，μ4為車門與下導軌的摩擦系數(shù)；F下阻為當門洞密封條壓縮量為x時，下導軌作用在車門上的阻力；W下阻為車門關閉過程中，下導軌對車門的阻力所做的功。

6.5 求最小關門速度

根據(jù)動能定理：

得到最小關門速度計算公式：

式中，L為門洞密封條橫向長度，L=0.515 m；H為門洞密封條豎向長度，H=1.68 m；b為門洞密封條與車門剛接觸時，門洞密封條與車門未接觸長度，b=0.206m；C為車門關閉時門洞密封條每米長度的正壓力，C=35 N/m；U為豎向門洞密封條與車門接觸到車門關閉的行程，U=0.022m；E為后圍密封條每米長度的正壓力，E=60 N/m；S為后圍密封條與車門的接觸長度，S=1.733 m；d為車門關閉時門側密封條壓縮量，d=0.006 m；m為車門整備質量，m=26 kg；g為重力加速度，g=10 m/s2；μ為車門與門洞密封條的豎向摩擦系數(shù)，1μ1=0.72；μ2為車門與門洞密封條的橫向摩擦系數(shù)，μ2=0.68；μ3為車門鉸鏈軸承與上導軌的摩擦系數(shù)，μ3=0.04；μ4為車門與下導軌的摩擦系數(shù)，μ4=0.14。

將數(shù)值代入最小關門速度計算公式進行計算，求得專用汽車推拉門關門速度V=0.8 m/s＜1 m/s，專用汽車推拉門設計方案符合設計要求。

7 結語

文章以一港口專用牽引車駕駛室后車門的設計開發(fā)為案例，總結了專用汽車推拉門的設計開發(fā)過程。通過車門關閉速度試驗對專用汽車推拉門的關閉速度進行求解，得到專用汽車推拉門關閉的舒適性的評價指標：最小關門速度V≤1 m/s，此值可作為此類產(chǎn)品的參考評價指標，應用到產(chǎn)品的品質評價中，提升產(chǎn)品品質。通過數(shù)學推導，得到專用汽車推拉門最小關閉速度這一評價指標的理論計算方法，可應用于專用汽車推拉門評價指標的理論設計驗證計算，大幅度降低了產(chǎn)品設計開發(fā)的風險，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。設計開發(fā)人員對于類似產(chǎn)品的設計開發(fā)可引用借鑒。

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