汽车研发:车门铰链设计及布置要求解析!

漫谈君 汽车大漫谈 2020-04-14

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我敢保证,老司机们看到下面这样漂亮的小姐姐,肯定很喜欢,8头牛都拉不回来他扭过去看小姐姐的头,因为他的头关节暂时失灵了,哈哈!汽车也是有关节的,这样车子才能开门,话说汽车的关节其实就是铰链啦!


今天

漫谈君就带你一起来看看

车门铰链设计及布置要求解析


漫谈君说 

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说到车门,就不得不提铰链。车门铰链是汽车上重要的安全件之一,想必很多开车的朋友都没注意过车门铰链,车门上都有哪几种铰链,起到什么作用?您能回答出来吗?估计会有不少朋友回答不出来。今天就由漫谈君和大家一起聊聊铰链如何设计,如何布置以及要注意哪些要点。



铰链分类及结构

打开车门,可以看到车门与车身连接处有两个零件,一个叫铰链,另一个叫限位器。铰链起到固定作用,是连接车门与车身的合页。目前市面上常见的家用车铰链分为铸造式铰链和冲压式铰链两种。由于结构设计的不同,使两种类型的铰链材质厚度也不一样,铸造式铰链通常要比冲压式铰链厚很多。



铸造铰链的优点是生产精度和统一性,从结构上来说承载能力也有优势,但重量较大,生产成本也会高一些;冲压铰链相对生产成本会低廉一些,对于家用车来说使用上也不会有什么缩水,完全可以满足需求,具体材料选择可参考下表所示。


 

判定材料强度是否满足强度要求,我们可以通过GB15086_2013《汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法》查看结果。国标要求车门铰链必须达到纵向载荷11000N和横向载荷9000N。



车门铰链一般采用三种连接方式:一种是车身与侧围采用螺栓连接方式;另外一种是与车门采用焊接,与侧围采用螺栓连接方式;还有一种是与车门,侧围采用焊接连接方式。按这三种连接方式,通常车门铰链的结构一般由阴铰链、阳铰链、铰链销和衬套组成。





铰链设计要求

车门铰链一般都是进行选型设计,如果现有铰链仍然无法满足要求,那就需要对铰链进行全新设计,需要特别强调的是,无论是选型还是全新开发,都需要满足基本要求并且能够满足设计匹配要求,只有这两个要求同时满足才算得上是合理的设计。另外,铰链的设计是后续结构设计的基础,因此必须小心谨慎、通盘考虑;一旦发现铰链的设计有误,往往意味着车门所有的结构设计等于白做。铰链设计具体要求如下所示。

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基本要求 

车门铰链是连接车身与车门的关键部件,也是车门主要受力部件,车门围绕门铰链轴开启与关闭,车门铰链在设计上应满足以下基本要求:



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设计匹配要求

铰链属于精密零部件,装配配合方面的要求很高。因此,对铰链总成中每一个零部件的要求都比较高,这里主要介绍阴阳铰链、铰链销的设计尺寸要求。

1)阴铰链

下图为一种阴铰链的设计样图。在尺寸方面,需要定义安装孔的位置、大小和相对距离,以及铰链销通过孔的直径和相对位置等。

在公差方面,安装孔的位置公差一般为±0.2mm,孔径应规定+0.2mm的上偏差,下偏差为0,铰链销通过孔径应规定+0.05mm的上偏差,下偏差为0,另外还要规定两个孔之间的同轴度,一般为0.1。对各孔的内部,还需要有1.6的表面粗糙度要求。对阴铰链安装面还要有平面度要求,一般设定为0.1。

2)阳铰链

下图为一种阳铰链的设计样图。尺寸、形位、公差、表面粗糙度等方面与阴铰链类似。

需要特别指出的是,阳铰链的安装孔一般设计为腰孔,设定2mm左右的调节量,目的是为方便车门装配时进行调整。另外,在阳铰链的安装面也需要有平面度要求,一般设定为0.1。


3)铰链销

下图为一种铰链销的设计样图。由于铰链销在整个车门总成中起到旋转中心的作用,其尺寸、形位、公差等方面的要求比阴阳铰链还要高。在设计样图中,应对若干尺寸进行详细标注。需要提及的是,铰链销外径应规定下偏差为0,上偏差一般设定为0.1mm。铰链销与铰链上通过孔的公差带设定,应能避免铰链销松动,影响车门运动和使用寿命。

对于可拆分式铰链,还要考虑铰链销的可进入性和可拆解性。根据装配和拆解方向,铰链销的一端直径要小一些,并应在尾部倒角。




铰链布置要求

铰链的布置非常重要的一步是对铰链轴心线的布置,两铰链的轴心线应该布置在同一直线上,为了避免车门开启时,车门与车身的其他部位发生运动干涉,在铰链的布置中应使其轴心线尽可能地向外移动,这一点在车身外形和初步设计阶段就应该予以考虑。铰链具体布置要求如下所示。

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轴心线布置要求

车门铰链布置时一般布置在车门腰线以下,考虑其前倾角和内倾角,要保证当车门打开到最大开度时,车门在高度方向上升30mm左右的要求,具体注意事项如下。

1)由于车门在腰线以上的厚度急剧减少,不具备铰链布置的空间,车门铰链一般都布置在车门腰线以下。

在布置时,应使上下铰链间距尽可能大,以利于车门受力状况的改善,上下铰链的距离不能低于320mm(对于经济型轿车,前门不小于350mm,后门不小于320mm),并且铰链间距应大于车门长度的1/3,具体如下图所示。


2)轴心线的布置,考虑其前倾角和内倾角,确定车门举升高度10mm≤h≤30mm(舒适性和自闭性)。一般铰链中心线的倾角内倾1~3°、后倾1~3°、前倾1~3°。在通常情况下,铰链中心线都采用前倾和内倾的方式。

3)铰链的最大开启角度应比限位器最大开启角度(实际开启角度)大3~5°。

4)铰链的拆装工艺性,例如车门铰链的安装螺栓一般为M8,要充分考虑套筒尺寸Φ22的通过性。



5)铰链安装位置立柱的强度和结构。

6)铰链轴线布置越靠近车门外板和车门前端就越有利。

因为轴线越靠近车门外板,门完全打开后,其前门与翼子板间隙以及前后门间隙就越大,避免干涉;轴线越靠近车门端,门旋转时,其对A、B柱的侵入量越小。但阳铰链与车门外板的距离应不小于12mm。如下图所示。


7)布置车门铰链中心线时,应满足在车门整个运动过程中,车门与周边零件的安全间隙不小于1.8mm,在车门运动到铰链最大开启角度时,车门与周边零件的安全间隙不小于6mm。


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布置前期输入

1)CAS面和分缝线根据初版分缝线。

对CAS进行分块处理,将分块后的CAS面进行简单处理(缝合、倒角),侧围腰线倒角尽量小,因为偏小的话对运动分析时测量间隙影响更大(最终倒角将由造型和工艺部门确定),车门应进行包边建模,翼子板应进行翻边建模,得到翼子板及车门数据。如下图所示。



2)车门最大开度。

3)轴线的倾斜角度,比如前倾角和内倾角。


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铰链具体布置要求

在这里以某一车型CAS面,开度68°,前倾1°,内倾2°为例,来布置车门铰链,并对其做相关分析。

1)初步确定铰链倾角平面,如下图所示。内外倾平面为偏移yz平面距离A,前后倾平面为偏移zx平面距离B。



2)在铰链倾角平面内分别绘制铰链轴线,初定铰链倾角,如下图所示的铰链倾角为前倾1,内倾2。


3)用Combine命令将倾角线合成,得到铰链轴线L。

4)车门绕铰链轴线L运动分析,校核车门运动间隙,车门举升高度,具体分析如下图所示。



在铰链轴线的设计过程中需要重复步骤1)~4),校核车门运动间隙、车门举升高度(如下图所示,作出车门边界的轨迹线,测量最高点与关闭状态的Z向距离,确定车门举升高度10mm≤h≤30mm)、铰链装配调节空间等,直至得到合理的铰链轴线。



5)在轴线L上取一点H,做过此点垂直于轴线L的一平面C(一般在腰线以下),即为上铰链安装平面。如下图所示。

6)向下偏移平面C350mm以上得到平面D(内板密封面下边界以上),即为下铰链安装平面。



7)铰链优先选择借用。将借用车型的铰链移动到铰链中心点位置,然后将铰链投影到上铰链草绘平面C内,再分别绘制其它相关数据典型截面草图(侧围外板、门内外板、翼子板、密封条等),如下图所示。



8)同理绘制下铰链断面。在绘制上下铰链断面的设计过程中需要重复步骤5)~8),以保证侧围位置阴铰链安装面足够,门内板阳铰链安装面足够,密封条安装及密封面足够,铰链安装螺栓焊接空间等。其它需要分析内容可参照下图所示内容,同时借鉴其它车型。




结论

车门铰链汽车上工作条件是比较恶劣的部件之一,在汽车使用过程中,由于车门本身重量以及车门的频繁开关,使铰链受到较大载荷的作用,如果强度不够,很容易造成门在轴向或径向变形,致使车门关不上或关不严,使车门与车身由于撞击而产生噪音,甚至断裂,严重影响行车的安全性和舒适性。



写在最后

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由漫谈君根据经验整理,仅供学习、交流!

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