某型掀背门铰链平台化参数研究及优化

晏宁, 邵长明

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

实施平台战略可大幅降低汽车公司的成本，并提高开发效率，加快新产品推出，平台化开发已成为各大汽车厂降低研发成本以及缩短开发周期的重要手段。对整车而言，平台化是一种降本增效的非常有效的手段，同时，平台化相关方法也可应用在汽车中各分总成、小总成的通用化设计中，这将对各分总成、小总成的设计时间与费用的降低产生较大的影响。基于平台化参数设计的思想与方法，拓扑优化多用于汽车行业设计的多参数优化，郭铃铃等采用拓扑优化方法对掀背门的轻量化进行一定研究，周德生、钱银生等基于拓扑优化方法对拖钩强度进行了相关的设计优化，张伟、王钰栋等则对白车身进行了基于拓扑优化方法的设计优化，另外，还有基于拓扑优化方法对发动机罩、车架进行的拓扑优化设计并取得了一定的成果。而参数化则是进行拓扑优化的基础，进行参数设计与研究可加快平台化的设计。文中主要基于参数化优化，阐述掀背门铰链平台化过程中的参数研究与优化。因此，文中主要是对铰链的布置方式、尺寸参数进行对比分析，解析出影响较大的铰链布置与结构参数，并针对这些参数进行多参数组合优化，获得较优的平台化参数。

1 铰链平台化参数对性能的影响

铰链作为掀背门与车身的连接件，其刚度和可靠性决定了掀背门在使用过程中的稳定性，铰链虽然结构简单但性能要求较高。掀背门铰链常用的布置方式有卷轴式(图1)和非卷轴式(图2)两种，其中非卷轴式在用料上较卷轴式少18.5%左右，但在生产线上装配的手操作空间较小、卷轴式掀背门铰链在生产线装配的手操作空间大，但制造工艺更加复杂、装配难度高。两相比较选取偏向基本持平，因此需要比较其刚度性能来确定掀背门铰链平台化采用的布置方式。

图1 某型掀背门铰链的卷轴式布置方式

图2 某型掀背门铰链的非卷轴式布置方式

采用有限元法对以上两种铰链布置方式的刚度性能进行对比。铰链的刚度性能分析采用纵向刚度和横向刚度两个指标作为评价标准，其分别定义为纵向加载和横向加载时加载点的位移的倒数，那么可知在同等条件下刚度越大越好。

基于铰链几何数据处理获得铰链的有限元分析模型，如图3所示，以非卷轴式铰链为例，并按照图2的边界和约束条件进行模型搭建。铰链4个部分(活动页、固定页、铰链轴、衬套)的材料信息见表1。

图3 铰链的有限元模型

表1 铰链各部分的材料信息

经有限元法分析，获得两种铰链布置形式的刚度对比，如图4所示。对比可知，非卷轴式铰链同等情况下刚度优于卷轴式铰链，因此文中选取非卷轴式铰链作为平台化铰链的布置形式。

图4 两种铰链布置形式的刚度对比

对于铰链设计来说，其主要的控制参数有8个，详见表2。此参数表中的几何尺寸参数对铰链的刚度影响通过有限元法进行分析，判断参数变化对刚度的影响程度及趋势，解析出影响较大的参数。

表2 铰链主要控制参数

按照设计实际相符的原则，在合理且可实现的尺寸范围内，对表2中的参数进行离散赋值，详见表3。然后分别建立对应参数值的有限元分析模型，计算获得铰链的刚度性能结果。

表3 各参数的离散赋值 单位：mm

有限元法建模以及分析后，获得各参数变化对刚度的影响趋势结果，如图5所示。对比分析可知，对掀背门铰链刚度影响较大的参数有、、f、a、等5个，接下来对这5个参数进行组合优化设计。

图5 各参数变化对刚度的影响趋势

2 铰链平台化参数优化研究

在满足铰链的侧向刚度、纵向刚度、塑性应变等要求的条件下，对铰链参数进行组合优化设计。文中对、、f、a、等5个参数的最优组合进行多参数优化设计，以体积最小为目标，以加载点位移、塑性应变为约束，以上述5个变量为参数，并考虑工程实际给定参数取值的变化范围,详见表4。参数的优化流程如图6所示。

表4 优化参数变化范围 单位：mm

图6 参数的优化流程

经过优化后的参数组合见表5，其中和f两个参数的优化值与初始值相差较大，且除f外其余参数基本在参数值范围的下限，这表明如果实际条件允许，这几个参数可以进一步降低，这有利于减重，但须根据实际尺寸配合的情况来决定。

表5 优化后参数组合 单位：mm

采用优化后的参数对模型进行网格变形，分析横向刚度和纵向刚度，结果如图7所示。从图中观察可知，横向刚度和纵向刚度在优化后均有一定提升，其中横向刚度提升65.7%，纵向刚度提升6.9%，且铰链质量减少2.2%，质量降低，进一步降低成本。

图7 优化参数前后刚度对比

3 结语

文中以某型掀背门铰链作为分析对象，对铰链的布置形式以及结构参数进行有限元对比分析，确定铰链平台化的布置方式采用非卷轴式。解析出对铰链刚度性能影响较大的参数，主要有、、f、a、等5个参数，并确定为铰链平台化的主要设计参数。再结合铰链设计实际确定参数变化范围，并以质量最小为目标，以刚度性能和塑性应变为约束条件，对铰链进行多参数组合优化分析，最后找出相对较优的结构参数组合，实现在保证刚度的前提下降低质量的目的以及掀背门铰链的平台化参数设计。