基于CATIA的汽车车门铰链设计

基于CATIA的汽车车门铰链设计

摘要：文章论述了车门铰链的设计过程，车门铰链各个零部件的参数设计、干涉检查、有限元分析全部都可以在CATIA软件中进行，应用CATIA软件做简单模型的有限元分析不仅结果可靠，还可以大大提高了工作效率。

关键词：CATIA；车门铰链；有限元分析

车门作为汽车车身的设计中的重要组成部分，它的设计过程直接影响着两侧前后翼字板、顶盖、车门框等相关结构的设计，同时车门作为一个旋转运动件，在关闭的时候必须满足车身整体的造型要求。作为支撑车门旋转的重要附件铰链就显得尤为重要，它将直接影响车门的使用性能。一个良好的铰链设计应该具备质量轻、刚度大、易安装等优点。铰链的种类很多，现代轿车车身广泛采用合页式铰链，它的刚度比较高，采用隐蔽式布置。为此，本文就以某车型为例，重点介绍车门铰链的设计过程。

1 铰链的设计

1.1 车门铰链的跨距要求

铰链把车门与车身本体连接在一起，车门在关闭的时候，车门门锁与铰链是承力件；车门打开的时候，很明显车门的重量都由车门铰链来承担。因此引起车门下沉的主要原因是车门与铰链、立柱与铰链连接刚度不足。为了加强其连接刚度，除了在铰链安装部位加装加强板外，在布置铰链时，要尽量加大两铰链之间的间距，改善其受力状况。通常上下铰链的跨距Z与车门长度L之比为Z/L>1/3，而且上铰链的上端到下铰链的下端要保证350 mm以上。设计车型为微型轿车，车门相对较小，同时考虑到车身造型的需要，两铰链的间距选择330 mm。

1.2 铰链的轴线设计

铰链轴线的位置会影响车门体和翼子板的分缝线位置、车门的自动闭合趋势等。限制车门铰链轴线的参数主要有车门倾角。我们把铰链轴线在xz平面上的投影与z轴之间的夹角称为车门前后倾角，向后为后倾，向前为前倾。建议后倾角在2°以内，为了车门开启时能同时举起车门，车门一般都是后倾。门内、外倾角：铰链轴线在yz平面上的投影与z轴之间的夹角称之为内外倾角。内倾角一般在2°以内，为了车门关闭时有自关的趋势，车门铰链轴线都是内倾的，如图1所示。

为了保证车门在打开的时候不与其他部件产生运动干涉，铰链轴线要尽量外移。下面介绍铰链的一种确定方法：

①将所需替换的分缝线（车门外板和翼子板之间的分割线）和车门外板数模参数调入到CATIA中。

②铰链轴线的正向求作方法。以yz面作为草图基准面，以分缝线作为参考线，在到分缝线沿Y方向的距离为b处做倾角为α的直线L1，该直线要做足够长，其中α为铰链初步设计的内倾角度，一般在2°以内。b为铰链中心到分缝线的最短距离在x面上的投影距离。设计时在满足车门铰链安装方便的前提下应使得b值尽量小，以防增大车门开口线的回转半径，在车门开启时与翼子板干涉。

③铰链轴线的侧向求作方法。以xz面作为草图基准面，以分缝线作为参考线，在xz面上到开口线投影距离为c的地方做倾角为β的直线L2，同样该直线也要足够长，其中b为铰链中心到分缝线的最短距离在y面上的投影，β为初步设计的后倾角其大小在2°以内。其中总倾斜角度β的倾斜方向及大小到分缝线的倾斜方向、大小应相应。最后分别过两条直线向xz和yz面做垂面，两个垂面的交线既是要求的铰链轴线。

依据上面的方法，所设计车型的内倾角定为2°，后倾角为1.4°。

1.3 铰链的数模设计

车门铰链与车门和侧围的连接方式一般有螺栓连接和焊接。由于焊接引起的变形较大，同时按照后不能调整安装位置，现普遍采用螺栓连接的方式。在考虑到铰链使用时的磨损、承压等工作环境下，同时参照其他类型铰链的基础上，我们设计了本车型所用的铰链数模如图2、图3所示。

1.3.1 限位器凸轮盘的设计

限位器的凸轮盘主要是用来对车门的开度进行限位。本车设计的车门最大开度为60°，为了保证车门在最大开度时不与翼子板相撞，保证车门停留在最大开度处，凸轮盘就显得尤为重要了。凸轮板上做有四个凹槽，保证车门有四个常用开度。位置0为车门的关闭时扭簧所在的位置；位置1为车门在开启角为3。时扭簧的位置；继续开启车门，铰链转动克服了扭簧力，扭簧就会滚入2位置，车门对应开度为30°。再开车门就会达到其最大开度为60°，对应扭簧滑入凸轮盘3位置，适合宽物体出入。限位器结构如图4所示。

1.3.2 扭簧受力分析

由于扭簧在工作时，尤其是打开车门的时候，开门力矩有很大一部分要克服扭簧的产生的阻力矩，因此此时要计算扭簧产生最大阻力矩的大小，如果扭簧产生的阻力过大，就会使得车门开启力过大，如果扭簧产生的阻力过小，限位器就起不到限位的作用，影响汽车的安全性。下面对扭簧扭矩进行简单的计算。

扭簧受到扭矩作用其扭矩大小与扭角的关系为：

式中，T为扭矩；θ为扭簧的转角；E为扭簧材料对应的弹性模量；I为惯性矩；D为扭簧直径；N为扭簧工作圈数。

已知扭簧的材料为60Si2Mn，限位器在第一限位处时其产生的阻力矩是最大的，以此状态来计算其阻力矩。其弹性模量E=206 GPa，d=3.5 mm，θ=sin2.63°，D=40 mm，带入数据计算本车型中人开启车门时的施力点与铰链轴线的大致距离是1 050 mm，也就是施力臂的长度，这样就可以计算人开启车门时要克服的扭簧阻力大概需要30 N，实际上开启车门的力比这个力还要小一点，因为车门在刚开启的时候压缩的密封条也会产生一部分动力。图5为扭簧的工作简图。

1.4 车门运动干涉检查

车门在打开时必须能保证其最大开启角大于设计最大角度3°左右，设计时车门与翼子板的分缝线间隙为4 mm，同时车门在开关时与翼子板的最小间隙在1.8～2.5 mm。最小间隙一般出现在车门刚开启时（3～8°内）及车门外板最大凸弧面处。

车门在打开过程中，不能和铰链本体及铰链本体固定螺栓干涉。推荐最小间隙3～5 mm。图6是在CATIA中进行车门运动分析的截图，主要查看车门外板和翼子板干涉的情况。

1.5 铰链有限元分析

车门在打开或者关闭的时候，车门的总重量基本都有铰链承受，尤其是在车门打开的时候。这样就要求车门铰链有一定刚性，保证铰链在长时间使用时塑性变形得到一定的控制。同时，汽车在发生侧向撞击时，车门会承受较大的撞击力量，在车门承受撞击时，车门铰链不能脱开致使车门被撞入成员厢内危害乘员安全，这就要求铰链具有一定的强度。所以，在做车门铰链设计时需要对铰链进行有限元分析，来校核铰链销轴孔的壁厚、销轴的强度等。

对铰链进行静态应力分析之前要对其进行网格划分和施加载荷。对一般实体分析单元类型一般选择四面体单元，施加载荷时铰链的工作状态一般选择其在车门打开时的情况。图7、图8就是其有限元分析的结果。

从图7、图8我们可以看到，车门在打开时的内应力分布比较集中的位置是在铰链的销轴位置，其内应力是55.3 MPa，上下铰链情况基本一致，但是其大小还是远小于铰链的许用应力值，满足设计需要。但是，由于销轴是个活动件，在车门开关的时候要经常磨损，这里又是应力集中区，在制造的时候我们就要考虑对其进行特殊工艺耐磨处理处理。

2 结论

本文所用的所有车身部件都是在CATIA中完成的，其中对车门铰链的有限元分析也是在CATIA的GSA模块中进行的，这样就省去了数模在CAD软件和CAE软件中相互转化的步骤，省去了在CAE软件中创建数模或者修改数模的麻烦，提高了工作效率为整车设计节约了时间。同时CATIA对一些简单的数模进行有限元分析得出的结果也是比较精确和可信的。