某偏置驾驶室自卸车车门下沉问题分析及改进

2013-09-04郭晓青

汽车技术 2013年7期

郭晓青

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

1 前言

在产品开发过程中，通常用CAE分析和台架试验两种方法来评价车门的垂直刚度水平。在工程设计阶段，产品三维数据设计完成后，通过Nastran有限元分析软件，将带铰链的车门焊接总成模拟实际情况进行约束，然后在门锁处向下加载一定的力，计算门锁处的最大垂直位移和卸载后的残余塑性变形量。在开发验证和生产阶段，将样件进行垂直刚度台架试验，进一步验证车门刚度是否满足要求。由于CAE分析结果与台架试验结果必然存在一定偏差，最终以样件的台架试验结果为准，其必须满足产品开发初期定义的刚度性能指标。

按照企业现有的车门刚度评价方法[1]，无论商用车还是乘用车，车门总成垂直刚度的评价指标为:带铰链的车门焊接总成固定在刚性台架上，在门锁处向下加载500 N，最大Z向位移弹性变形≤5 mm，塑性变形≤0.5mm。由此可见，在不考虑侧围前立柱刚度的前提下，车门焊接总成和车门铰链的刚度都会影响车门总成的垂直刚度指标[2]。

2 问题描述及分析

2012年2月，黑龙江达连河煤矿的某款偏置驾驶室自卸车用户反馈，车辆在行驶2万公里后，车门出现了下沉现象，并且车门铰链已发生可见变形，如图1所示。

初步判断，该偏置驾驶室自卸车车门铰链刚度不足是导致车门下沉的原因之一，同时车门焊接总成刚度不足也有可能导致车门下沉，具体原因需要结合CAE分析和台架试验进一步判断。

2.1 500 N加载下车门垂直刚度CAE分析

按照现有评价方法对带车门铰链的车门焊接总成进行垂直刚度CAE分析，验证其垂直刚度是否满足要求。通过CAE分析可知，其车门刚度为102 N/mm（表1），刚度指标在临界值，并且与其它几款商用车车门相比刚度值较低（表2）。

表1 车门闭合状态下偏置驾驶室自卸车车门原始结构垂直刚度分析结果

表2 几款商用车车门的垂直刚度

偏置驾驶室自卸车的使用工况比乘用车及普通商用车要恶劣的多，在实际使用中出现了较为明显的车门下沉现象，说明需要重新判断加载500 N是否满足偏置驾驶室自卸车车门的实际使用工况。

2.2 加载值的确定

加载值的确定必须符合实际使用工况。由于偏置驾驶室自卸车属于专用车辆，与普通商用车相比上、下车方便性较差，调研中发现驾驶员经常按压或拉拽车门上的关门扶手上、下车，车门所受载荷较大，这就要求车门刚度及强度更高。

根据以上实际使用工况，试验人员选取了4位不同体重的人员，按照驾驶员的实际使用情况分别进行上、下车操作，并对车门拉手处所受的实际垂直载荷进行测量，最终换算到门锁处的最大垂直静载荷为401 N（表3），换算成瞬间动载荷（通常是静载荷的两倍）为800 N。

表3 上、下车车门受力数据

考虑到不同驾驶员体重的差异性，并参考国外汽车生产企业的中重型载货汽车车门垂直刚度评价基准，最终确定偏置驾驶室自卸车车门垂直刚度的加载指标为1000 N，最大加载点Z向位移≤5 mm，即垂直刚度应大于200 N/mm。

2.3 1000 N加载下的车门垂直刚度CAE分析

对带铰链的车门焊接总成进行了 1000 N垂直加载CAE分析，同时为了分别判断车门铰链刚度与车门焊接总成刚度，增加了车门铰链自身在1000 N加载下的刚度分析，如图2所示。

从CAE分析结果可知，在1000 N加载下，车门+铰链的最大Z向位移达到9.8 mm，不满足Z向位移≤5 mm的要求，如图3、表4所示；且车门内板及铰链的局部应力值较高（图4），均高于限值，说明铰链刚度及车门焊接总成刚度都较差。因此，需要对铰链及车门焊接总成结构进行加强，提高刚度。

表4 车门闭合状态下1000 N加载时车门垂直刚度

3 改进措施

3.1 铰链结构改进

3.1.1 铰链垂直刚度试验

为近一步判断该偏置铰链自身刚度，对铰链进行标准台架下的垂直刚度试验，并与其它同类车型的铰链进行刚性对比。

试验方法:将铰链固定在刚性门上，铰链间距300 mm，在离铰链轴线1 m处向下施加500 N的垂直载荷，测定施力点的Z向位移（图5）[5]。

在同等试验条件下，共测量了5种铰链，该偏置铰链刚度为117N/mm（最大位移为4.25 mm），和其结构类似的J5R铰链刚度为177 N/mm（最大位移为2.85 mm），其它3种常规结构铰链刚度范围从250～333N/mm（最大位移为 2～1.49mm）。由此可见，该偏置驾驶室自卸车铰链的垂直刚度与其它铰链相比较低。

3.1.2 原因分析

由于偏置驾驶室自卸车的前立柱外板不可拆卸，同时要实现车门铰链的X、Y、Z 3个方向都可以进行调整，因此车门铰链借用了某款轻型车的后门铰链，其固定页板为冲压件，材料厚度为3 mm，活动页板为悬臂式结构的锻件，壁厚为10 mm，在端部与铰链轴套焊接。此种结构由于活动页板固定点离铰链轴中心距离较远，因此导致铰链刚度与常规铰链相比要差（图 6、图 7、图 8）。

考虑到结构其与常规铰链相比的特殊性，初步确定改进后偏置铰链的垂直刚度目标值为:在标准刚性台架上测试，刚度值为200 N/mm以上（最大位移为2.5 mm以下）；CAE分析时，在实际车门状态下，1000 N加载，刚度值为400 N/mm以上（最大位移为2.5 mm以下）。

3.1.3 具体改进措施

通过图4中铰链的应力云图可见，铰链固定页板及活动页板的凸臂处都是应力集中及变形较大的地方，因此针对以上部位进行以下结构改进（图9）。对固定页板的形状进行优化，重点加强铰链轴周围部位，同时将页板材料厚度由3 mm改为4 mm，并增加固定页板与立柱的固定面尺寸及固定点数量；取消活动页板与轴套的焊接方式，将活动页板与轴套改为整体锻件，并对弯臂形状进行优化和局部加厚。

3.2 车门焊接总成结构改进

通过对铰链、车门+铰链的CAE分析结果可知，偏置驾驶室自卸车车门焊接总成的自身刚度也较差。排除铰链的影响，在1000 N加载情况下，车门焊接总成的最大变形达到3.1 mm。结合铰链的改进目标，要想实现1000 N加载下车门+铰链的最大位移≤5 mm，车门焊接总成的垂直刚度CAE分析值应满足最大位移≤1.3 mm的要求。

车门焊接总成为内外板冲压焊接结构，内外板材料厚度均为1.0 mm，铰链加强板厚度为2.0 mm，外板窗口加强板和加强梁材料厚度为1.0 mm，门锁加强板厚度为2.0 mm（图10）。

通过车门焊接总成的应力云图（图11）可见，车门内板上、下铰链固定面的应力集中及变形较大，因此针对以上部位进行以下结构改进（图12），同时需考虑尽量在现有结构上更改，减少后期改进的模具投入。将车门铰链加强板材料厚度增加到2.5 mm。在原有车门铰链加强板的基础上增加上、下两处加强板并与车门内板焊接，材料厚度为2.5 mm。在原有铰链加强板上、下铰链固定面处增加2个U型加强件，以提高此处的抗变形能力。