某SUV车型蝴蝶门铰链系统的设计分析

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　　摘 要：文中基于某SUV展车的蝴蝶门系统的开启效果及要求，阐述了蝴蝶门铰链系统（铰链轴线及开闭系统）的布置方案，以及铰链系统的结构设计及参数计算/选型，并进行了CAE分析验证和实车验证。
　　关键词：蝴蝶门；铰链；CAE
　　中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）06-38-02
　　Design analysis of butterfly door hinge system of an SUV
　　Gu Hexiong， Xue Dongliang， Zhang Xiaocheng
　　（Great Wall Motor Company， Automotive Engineering Technical Center of HeBei， Hebei Baoding 071000）
　　Abstract： In this paper， based on a certain SUV below butterfly door open effect and requirements of system， this paper expounds the butterfly door hinge system （ hinge axis and the distribution of the open closed system ），as well as the hinge system structure design and parameter calculation/selection， CAE analysis and real vehicle validation.
　　Keywords： butterfly door； hinge； CAE
　　CLC NO.： U463 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）06-38-02
　　前言
　　隨着消费观念及技术的发展，消费者已不满足于汽车基本代步的功能，更加注重汽车的消费品特质，蝴蝶门就是汽车的特质之一。
　　我公司某SUV展车为了提升科技感、豪华感，增强展示效果，计划搭载蝴蝶门系统。本文针对蝴蝶门铰链系统设计及校核分析方法进行介绍。
　　1 蝴蝶门分型
　　1.1 蝴蝶门的发展史
　　蝴蝶门铰链一般布置在A柱或靠近A柱的翼子板上，通过铰链向前上方开启的车门如同蝴蝶展开的翅膀，因此得名“蝴蝶门”。
　　1.2 蝴蝶门的布置类型
　　常见的蝴蝶门布置分两大类，见表1：
　　2 铰链系统的布置设计
　　2.1 轴线布置及开闭效果验证
　　以造型效果图为蓝本，以CAS数据中布置铰链轴线[1]，建立车门开启的运动仿真分析模型，模拟开启效果与效果图一致，确定铰链轴线及最大开启角度为90°。
　　2.2 设计要求及基础参数
　　为减小开启力/力矩，对车门总成减重设计，如门板采用碳纤维材质等；
　　基础参数：
　　a.车门总重35kg，含门板、玻璃等；
　　b.车门重心（1574.6，-929.8，477.7）；
　　c.开启时间10s、门转速1.5rpm。
　　2.3 铰链系统设计及布置
　　本车型为无框车门，采用单铰链+单撑杆系统布置方案。
　　通常的蝴蝶门系统的撑杆外露布置于翼子板下侧，美观性差；为提升展示效果，将电撑杆布置于机舱内部，外观简洁、优美。布置方案见图1。
　　铰链系统工作原理：
　　本系统主要由9部分组成。
　　通过电气系统向电动推杆3提供动力，以驱动控制摆臂5实现旋转运动，摆臂5与铰链7通过铰链轴6进行联接，铰链7与车门端的车门安装结构9刚性联接，铰链7旋转带动车门安装结构9同步旋转，从而实现蝴蝶门开启/关闭。
　　通过电控系统，实现蝴蝶门开闭控制及开闭逻辑/角度调整等个性化设置。
　　2.4 铰链系统计算及选型
　　首先结合轴线及开启效果，做出重心轨迹线[2]；
　　驱动力F：重力G门分解为有效力F1与无效力F2，无效力F2通过旋转轴轴向抵消，驱动力F克服有效力F1从而驱动蝴蝶门开闭，即F=F1；
　　力臂L：蝴蝶门在打开旋转过程中，重心绕轴线形成圆弧，驱动力与轴线间的距离；
　　驱动力矩：T1=F×L=F1×L
　　计算蝴蝶门开启力矩表：
　　以蝴蝶门关闭状态为起点，完全打开（90°）状态为终点，间隔10°计算开启力矩，见表2。
　　由表2可知，蝴蝶门开启50°时所需瞬时驱动力矩最大，即T1=216.3Nm，故以此来计算选型[3]；
　　通过开启力矩计算所需电撑杆的推力：
　　摆臂5的摆臂力矩T0=F0×L0
　　驱动力矩T1=F1×L
　　摆臂力矩T0=驱动力矩T1，即F0=T1/L0=2163N
　　综合考虑摩擦力等损耗，取安全系数a=1.8，故电撑杆推力取T=4000N，故推杆参数选型为24V DC、15mm/s、推力4000N、行程140mm；
　　依据上述设计参数及周边结构数据，制作铰链系统的CATIA数据。
　　3 铰链系统的验证
　　3.1 铰链CAE分析验证
　　模拟使用工况，针对最大扭矩工况（50°）及最终扭矩工况（90°）状态的铰链进行CAE分析（选用常见材质45钢），分析结果见表3及图2：
　　3.2 实车验证
　　蝴蝶门系统经实车试验，各工况均平稳执行，试验效果与设计相符。
　　4 结束语
　　与标杆车相比，本车开创性的将蝴蝶门铰链系统内置于机舱内，使得外观最大程度的简洁、优美，提升了展车的展示效果。并通过数据设计、计算校核及模拟分析、实车验证，实现了此方案的实际应用。
　　参考文献
　　[1] 沈茂涛.车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算[J].汽车技术， 2012（8）：29-36.
　　[2] 谷正气.汽车车身现代技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
　　[3] 黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
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