钣金式侧门铰链结构形式与车门垂直刚度分析

滕平

【摘 要】文章分析汽车侧门垂直刚度的影响因素，并重点分析钣金式侧门铰链各结构形式对车门垂直刚度的影响情况。对于钣金式侧门铰链，文章首先分析了铰链力臂、铰链板材厚度、铰链翻边对车门垂直刚度影响的情况，并给出了定性分析结果及优化方向。然后运用Hypermesh和Nastran虚拟分析软件，设定特定的约束、加载和测量方法，对铰链安装孔组的位置、铰链加强筋的形式及位置在同等外部条件下进行定量分析，为侧门铰链平台化运用提供了理论支撑。

【关键词】侧门铰链;垂直刚度;车门;钣金

【中图分类号】U463.8 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0045-03

1 汽车侧门垂直刚度影响因素

汽车的侧门（这里指前门和中门）除了要满足人员进出、车辆密封外，还需要有一定的强度和刚度保证车门的长时间使用而不损坏。在各种刚度要求中，车门的垂直刚度尤为重要，它直接影响到车门长时间使用后能否顺利关闭。为了保证车门垂直刚度的实现，必须用系统性方法来处理各种零件的设计关系。从目前绝大部分汽车的结构来看，可以从如下几个方面提升车门垂直刚度。

（1）白车门的刚度。重点考虑车门铰链加强板与车门内板、防撞杆、窗台加强板及门锁加强板的布置形式及各自的结构形式。

（2）白车身的剛度。要保证A柱和B柱的腔体尺寸，如有条件可以适当加大热成型板材的使用量。

（3）铰链的刚度。铰链本身的结构，比如力臂长短、板材厚度、翻边、安装孔的位置、加强筋的形式及布置方向都会对铰链的刚度产生重大影响。

（4）车门上、下铰链的分布率。在车门结构布置中，车门上、下铰链的相对距离越远，其铰链分布率越小，那么车门的垂直刚度越好。但是考虑到造型因素的影响，铰链分布率也不能设计得过小，一般小于2.7为宜。

本文主要分析不同的钣金式铰链（也称为冲压铰链）结构形式对侧门垂直刚度的影响。

2 钣金式侧门铰链结构对车门垂直刚度的影响

2.1 铰链力臂

铰链力臂分L1力臂和L2力臂（如图1所示）。 L1力臂是指铰链轴线到车身侧合页的投影距离，投影方向按车身侧合页铰链螺栓安装面的法向方向。L2力臂是指铰链轴线到车身车合页上的铰链安装孔在X方向上的投影距离。L1和L2力臂，就是材料力学上所提到的悬臂梁结构。

从力学的角度来说，力臂L1越小刚度越好，结构越紧凑。但是力臂变小以后，铰链本身对造型的适应能力就会下降：主要体现在力臂变小以后，如果车型的侧门造型面的上、下方向和Y向尺寸落差大，此时为了满足车门开关时的运动间隙，那么车门前后方向处的分缝从侧门看是扭曲的（主要是铰链安装区域），外观感知质量差。所以，铰链力臂不能太小，当然力臂也不能太大，否则刚度难以保证。一般来说，力臂L1按40～55 mm设计的性价比会更高;如果一定要使用大于55 mm悬臂的铰链，此时使用锻造铰链更符合要求。力臂L2也是越小刚度越好，不过L2不能无限变小。力臂L2主要受到铰链安装工具的操作空间及铰链本身结构限制。在同等条件下，力臂L1每增加5 mm，车门的垂直刚度值会变差8%左右;力臂L2每增加1 mm，车门的垂直刚度值会变差0.7%左右。

2.2 铰链板材厚度

铰链板材厚度对刚度会有影响，但是不完全是线性对应关系。在某些情况下，板材厚度是刚度敏感因素，而某些情况下则不是。此外，铰链板材越厚，冲压成型越难。综合考虑，铰链板材取4.0～5.0 mm为宜，同时配合使用抗拉强度不小于400 MPa的材料，效果会更好。

2.3 铰链翻边

在钣金件设计中，钣金的翻边对刚度的提升会起到事半功倍的效果，也是最常用的设计结构方案。但是，不是所有的地方加翻边都会有同样的效果，具体情况还需具体分析。例如，图1的零件就应根据CAE分析的应力分布图（如图2所示）来增加翻边。

由图2中的应力分布图可知，对于高应力区，在零件冲压成型和运动避让允许的情况下，翻边能加多高就加多高，最小应保证12 mm。为此，在做此处的翻边设计时，应事先做好其他区域对此处的约束边界，然后根据这些边界重新拟合此处铰链翻边的切边线。

对于图2中的低应力区，翻边高度对刚度影响不敏感，一般取6 mm即可，多了会增加成本，也不符合当下轻量设计的要求。

2.4 铰链安装孔组的位置

对于目前常见的钣金式铰链，其门侧合页的安装孔因距离铰链轴线相对较近，其安装孔的位置对于车门垂直刚度不敏感。所以，门侧合页的安装孔一旦设计完成，后续新设计的铰链一般都不会再更改安装孔的位置。

车身侧合页上安装孔距离轴线相对较远，这些安装孔位置不同，车门垂直刚度也会有变化。但是，这些安装孔因结构的原因，其空间布置相对灵活。所以，我们可以通过调整这些安装孔后形成不同的孔组组合来分析其对车门垂直刚度的影响。

为了研究准确性，我们用Hypermesh和Nastran软件对特定铰链进行分析，具体分析方法说明如下。

（1）模型：采用铰链力臂为55 mm的钣金式上铰链和钣金式下铰链，上、下铰链的各合页材料为SAPH400，上、下铰链的合页厚度为4.5 mm;上铰链的车身侧合页上的两个安装孔呈水平方向布置，下铰链的车身侧合页上的两个安装孔呈垂直方向布置;上、下铰链的轴线倾角：内倾3.1°;上、下铰链的跨距（即上铰链的上部铰链衬套上端面到下铰链的下部铰链衬套下端面的距离）为414 mm。

（2）约束：上铰链的车身侧合页和下铰链的车身侧合页的两个安装点SPC=123 456;上铰链的门侧合页和下铰链的门侧合页SPC=12 345（放开高度方向自由度）。

（3）加载：设上铰链的门侧合页上两个安装点连线的中心点作为P1点（该点设为上铰链上的一个点），设下铰链的门侧合页上两个安装点连线的中心点作为P2点（该点设为下铰链上的一个点）;取距离上、下铰链轴线为1 000 mm且与P1点、P2点距离相等的点，该点命名为P3点。将P1点、P2点、P3点作为刚性连接点连接起来，然后在P3点处加载垂直向下的力，力的大小为800 N，同时考虑上、下铰链的自重。

取车身侧合页上最靠近铰链轴线的那个点沿着该合页上两个安装点连线的方向测量时，该最近点距离铰链轴线的距离为L。然后对铰链不同孔组（即不同的L值）的情况采用上述分析方法分析后，其加载点处的位移量（也是下垂量，是垂直刚度的另外一种表达方式）及铰链最大应力见表1。

从表1的数据可以看出，虽然上、下铰链孔组距离有所不同，但是其加载点的位移量变化都不大，最大变化量为1.5%;铰链本身的最大应力变化也不是太大，最大变化量为1.0%。

根据表1的分析数值，我们可以用不同的铰链孔组组合来适应不同的车辆外造型，但是铰链组本身的垂直刚度却不会有大的变化。这就给铰链布置带来更大的灵活性。

2.5 铰链加强筋的形式及位置

对于钣金式的车门铰链，其车身侧合页及门侧合页一般都是选用抗拉强度不小于400 MPa的材料。这种材料强度虽好，但是其冲压成型性不是非常好。所以，设计铰链能太依赖于材料的冷拉延率来满足刚度要求。为此，需要从其他方面来考虑提高铰链本身的刚度，比如加强筋。

在不明显增加零件重量的情况下，好的钣金加强筋可以显著提升零件本身的刚度和强度性能，是钣金轻量化设计的重要措施。

对于钣金的加强筋，其形式有圆形筋（也称管状筋）、方形筋、梯形筋、三角筋等。不同的零件对筋条选用的情况也不一样，具体用什么样的加强筋要具体情况具体分析。以下根据钣金式铰链的特点选取圆形筋和三角筋及其不同的布置方向进行对比分析。

CAE分析基本同上述描述的方法，但是分析模型有所变化：只考虑在同一组铰链孔组中设计不同的铰链加强筋形式和不同的加强筋布置方向，具体的分析结果见表2和表3。

从表2中的数据可以看出，三角形的加强筋比圆形的加强筋对铰链的垂直刚度的提高不但没有好处，而且还降低了，变差量为0.7%左右。之所以造成这种结果，最主要的原因如下：该三角筋在铰链上、下方向的受力上起到了一个诱导变形的结构;而圆形筋，在铰链上、下方向是一个拱桥形结构，相对来说刚度保持更好。

从表3中的数据可以看出，水平方向布置的加强筋比竖直方向布置的加强筋对保证铰链垂直刚度效果更好，其变化量为6%左右。之所以造成这种结果，最主要的原因如下：铰链在上、下方向受力时，竖直方向布置的加强筋因为结构空间问题，沒有办法将筋条尺寸做大，所以没有将更多的力传递分散开;而水平布置的加强筋情况刚好相反。

3 结语

车门垂直刚度是侧门结构设计好坏一个重要评价指标，而车门铰链本身的结构刚度是车门垂直刚度指标中重要的一环。以上的分析是基于钣金式侧门铰链结构经过几十年发展后的基础上进行优化改进的，从零件质量保证及成本上考虑，经过优化后的铰链应作为平台化铰链来使用。

参 考 文 献

[1]韦学丽.汽车钣金加强筋的作用及设计要点[J].企业科技与发展，2015（2）：15-17.

[2]王钰栋.HyperMesh & HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]胡建锋.基于CATIA的侧门铰链布置设计[J].汽车实用技术，2018（8）.

[责任编辑：钟声贤]