汽车车门设计

汽车车门设计

车门是车身上相对独立的总成，与车身组成一个有机的整体，因此，在车门的设计过程中，需要充分的考虑结构要素的完整统一和与车身其他相关要素的协调匹配。

1 车门的类型和功能要求，

1.1 车门的类型

车门有多种类型，详见上表1，车门可分为车门本体和车门附件两部分，车门本体可归于白车身范畴，指作为一个整体涂漆，未装备状态的钣金焊接总成，包括车门内外板，内外腰线加强板，防撞梁，锁加强板和铰链加强板（有些采用激光拼焊门板无单独的锁加强板和铰链加强板），玻璃导轨等，是实现车门整体造型效果、强度、刚度及附件安装的基础框架。而附件则是为满足车门的各项功能要求，在白车身上装配的零件和总成，其中包括车门锁、铰链、限位器、玻璃、拉手、操纵扭、密封件及内外装饰件等。

1.2 车门及附件的功能要求

车门的功能要求详见上表2。对车门总成的功能要求，一方面，车门作为车身结构中的重要组成部分，其造型风格、强度、刚度、可靠性及工艺等必须满足车身整体性能要求，另一方面，车门开关及上下车的方便性又是车门结构首要满足的要求，而车门结构自身的视野性、安全性、密封降噪等性能，又对整个车身结构影响较大，也是车门功能安全的重要组成部分。

车门附件的功能要求详见下表3。在表3中列出了车门主要附件的结构形式，功能要求等，其中铰链和门锁是车门承力件，开门时铰链受力，关门时铰链和门锁同时受力。因此，铰链、门锁的强度和刚度要求比较重要，车门限位器虽然不直接承受车门重量，但是起到了开关限位作用，与门锁和铰链在寿命、可靠性方面的要求应该一致。另外，玻璃升降器、锁操纵手柄、按钮等的可靠性也不能忽视，其他附件结构和功能一般也要与主要附件的要求一致。

2 车门结构分析

2.1 窗框形式和车门结构的关系

窗框的结构形式对车门的影响较大，可分为分体式车门和整体式车门、有窗框车门和无窗框车门，因此，在对车门结构进行分析时，车门窗框的结构形式和特点很关键。

2.1.1 分体式车门及窗框结构

分体式车门的窗框结构通常为滚压型材，经成型焊接等工序后制成独立的窗框总成（E31结构），再与内板焊接，最后合成车门焊接总成。滚压型材的断面形式较多，但是主要的原理是相同的。一般滚压型材窗框断面应具备玻璃导轨并可以镶嵌玻璃导槽、密封条

安

装槽，并具有足够的强度和刚度。由于分体式车门内外板冲压件材料利用率较高，模具结构较整体式简单，且费用低，窗框较窄，视野性能好，因此应用较普遍。但是由于该窗框为等截面型材制成，外表面形状变化受到限制，与车身外表面随形性不好，而且，为实现玻璃顺利升降，窗框与车门下钣金不能平齐，对外形造型效果有一定的不利影响。

2.1.2 整体式车门及窗框结构

整体式车门指车门内、外板都是板料整体冲压，在焊接包边成车门总体框架。这种车门框架结构因为内、外板都是板料整体冲压成型，随形性好，精度高，强度和刚度均较好，但是在窗框部分结构处理不佳，如玻璃导轨及密封条镶嵌结构需要另行设计，使车门结构

复杂化，工艺性较差。有的直接将密封条安装在门洞上，对门锁等车身附件无密封作用。

2.1.3 无窗框的车门结构

一般敞篷车，硬顶车，运动车等较高级的车型上采用无窗框车门结构，如这种车门仍有可升降的玻璃，则车门窗口线上部均是玻璃，视野较开阔，但其结构难度较大，必须使车门玻璃牢靠的贴紧密封条，并且不能影响外表面形状，又要兼顾行车时的安全可靠性，有时在工艺上采取将玻璃预先向车内倾斜的办法，以确保玻璃安装后密封条的反作用力使玻璃处于正确的位置。也有玻璃在窗框外部，靠连接在窗框内部的滑动轮引导玻璃升降的结构，从车外看有无框的感觉，称作隐藏式窗框车门。

3 车门设计的一般流程

在设计车门以前，必须首先输入车门设计条件，它们包括：车型总布置图、车身产品描述书、带分缝线的车身class-a数据、车身主断面、参考样车、车门附件引用件清单等。设计师在充分理解这些设计条件的前提下，进行车门的布置、车门DMU分析与结构设计等工作；在进行车门结构设计时，应充分考虑结构的冲压工艺、焊接工艺、涂装工艺、总装工艺的要求；结构设计完成后，应进行内部、外部评审，使设计的结构既满足功能要求，又满足制造工艺性要求，同时与用户的生产工艺水平相适应。通过用户评审与结构确认后，就可以把三维数模和二维图纸交付给用户，完成车身的结构设计工作。

4 车门设计要求

4.1对车门设计的基本要求

4.1.1车门开启时应保证乘员上下车的方便性，要合理确定车门数，车门的开口位置，设计车门的开口大小和形状。并且车门要停留在最大开度的位置上。

4.1.2车门开启的过程中不应和车身的其他部位发生位置干扰。

4.1.3车门关闭时，要锁止可靠、安全，行车中车门不会自动打开。

4.1.4车门机构操纵要方便，包括开关车门自如，玻璃升降轻便等。

4.1.5应具有良好的密封性能。

4.1.6具有大的透光面，满足侧向视野要求。

4.1.7门体应具有足够的强度和刚度，保证车门工作可靠，减小车门部分振动，提高车辆侧向碰撞的安全性。足够的车门安装刚度，防止车门下沉。

4.1.8良好的车门制造，装配工艺。

4.1.9造型上应与整车协调一致，包括外表面形状，覆盖件的分块，门缝的设计和内饰。

4.2强度要求

4.2.1过行程强度

在车门后端加载一个使车门在开启方向发生规定的过行程所需要的载荷时，应该满足以下要求。

①加载250Ｎ负荷时：车门下沉1.0mm以下；

②加载250Ｎ负荷时：开启方向角度变形10°以下；

③加载290Ｎ负荷时：和各个部件之间没有干涉；

④加载450Ｎ负荷时：不发生龟裂、破断以及使性能降低的变形；

4.2.2向下加载负荷强度

在车门后端加载规定载荷时，要满足以下要求。

①加载500Ｎ负荷时：向下位移量10mm以下，残留位移量（永久变形）1.0mm以下

4.2.3全力关门强度

在车门全开状态下，把车门从全开位置用全力关闭车门时，外板、玻璃、车锁以及其他的部位不能发生龟裂、破断以及使性能降低的变形等。

4.2.4开合耐久强度

在白车身或者涂装后的车身上安装车门，实施５万次反复开合试验时，要满足以下要求。

①不能发生影响性能、外观质量的裂纹、磨损、变形、干涉、螺栓松动等情况。

②不能发生破坏外观涂装质量、脱落、扭曲等问题。

5 车门设计输入条件

车门设计输入条件包括：车型总体布置图、车身产品描述书、带分缝线的车身class-a数据、车身主断面、参考样车、车门附件引用件、新开发件清单等。

5.1车型总体布置图

汽车总体布置图是车门设计最基础的依据，它定义了整车车门的数量、门洞的开口位置与尺寸、门的开度等设计车门的关键参数。

5.2车身产品描述书

车身产品描述书是汽车车身结构的概括性描述，它概括性地描述了车身各大总成的结构形式、附件的应用情况、车身内外饰的安装方式，尤其对车门结构形式、车门附件的引用状况进行了较细致的描述。

5.3车身class-a数据

带分缝线的车身class-a数据是车门设计最重要的设计依据之一，它详细地定义了车门的外形尺寸、门缝线的位置与尺寸。在车身class-a数据冻解前，必须对车身class-a数据进行仔细地工程可行性分析，使其造型数据符合工程化要求。其工程可行性分析的内容是：

5.3.1前门部位圆角检查所主要考虑的内容：

① 与造型风格的协调性。

② 冲压成形工艺性。

5.3.2门周围的间隙定义所主要考虑的内容：

① 车身的造型风格。

② 门开启过程中，与周围零件的最小间隙要求。

③ 主机厂的制造工艺水平。

④ 充分参考同类车型，相同档次的车型的间隙值；

⑤ 车门使用过程中车身骨架件变形、车门下沉等因素。

5.3.3门周围的面差定义所主要考虑的内容：

①车身的造型风格；

②人的视觉误差；

③防水防雨措施。

5.3.4车门的特征分析所主要考虑的内容：

车门的特征分析是车门工程可行性分析的重要内容，也是决定车门设计成败的关键。

5.3.4.1玻璃面分析

车门设计最基本的曲面是玻璃面，玻璃面的形状、曲率分布状况、与其它曲面的位置拓扑关系等，将极大地影响着车门结构的成立性。玻璃横向半径越大，在给定的玻璃升降行程内，玻璃拱高越小，有利于玻璃的升降和布置，但会影响乘员进入客舱的方便性。玻璃横向半径一般大于1500mm。与玻璃横向半径相比，纵向半径一般很大，为了有利于玻璃的升降，一般把玻璃面定义为圆柱面，玻璃面的纵向定义为一条直线，但对于一些侧面造型拱高较大的车型来说，玻璃面的纵向也设计成弧形；但弧形的半径很大，一般定义为20000mm以上。这主要是考虑玻璃升降的顺利性。

5.3.4.2滚压件结构可行性分析

对于滚压件结构的车门设计来说，车门上部的框架部分的表面应与玻璃面平行，它们之间的距离应与滚压件的断面形状、玻璃泥槽的断面形状、导轨断面形状、水切密封条的断面形状相匹配。为了能使整块玻璃顺利地下降到门内外板所围成的空间内，必须合理地定义玻璃外表面与车门外板之间的距离，确保车门在安装防撞杆位置处，有足够的安装空间和运动间隙，同时还要合理设计车门玻璃框的高度与车门内腔高度之间的比例关系，使门玻璃能顺利地下降到合理的设计位置。

5.3.4.3车门外把手的凹坑设计可行性分析

安装车门外把手的凹坑设计，也是车门外形class-a工程可行性分析的重要内容。该处分析主要考虑如下内容：

① 乘员的操作方便性，操作者的手指或手掌能顺利地进入所需的位置。

② 门把手机构的可行性。

③ 安装门把手机构的可行性，安装工具能否顺利地进入所需的位置，对门把手机构进行安装。

④ 门把手安装处的冲压成形可行性分析，板料拉延成形时，该处是否会出现破裂、起皱和波纹的现象；影响该处成形性的主要因素是：凹坑的形状与尺寸，包括凹坑的长、宽、深度尺寸，拔模角、圆角半径的大小等尺寸参数；板料的冲压成形性能。

5.3.4.4车门腰线部位的形状分析

车门腰线部位的形状分析，主要考虑到车门腰线部位要安装外水切密封条，而外水切密封条是通过挤出工艺成型的，挤出工艺的特点是要求产品的断面形状一致，由于这一要求，就需要把车门的腰线部位设计成落差均匀的形状，这样就能保证外水切密封条安装到车门外板上后，水切密封条与车门腰线部位的形状协调一致，提高车型的观赏效果。

5.3.4.5门外板的刚度和抗凹性分析

为了提高车门外板的刚度和抗凹性，要求门外板设计成具有一定数量特征线的结构。

5.4车身主断面

车身主断面是车门设计的重要设计依据之一，它定义了零件之间的结构断面形式以及装配、焊接、密封关系。与车门设计有关的主要主断面有：

5.4.1前门、侧围上部、顶盖关系主断面

该断面表示侧围外板、顶盖、顶盖侧梁、顶盖侧梁加强板、顶棚、前门门框上部结构、门洞密封条、门框密封条、玻璃导槽、流水槽装饰条之间的装配关系。

5.4.2前门、后门、中支柱、后门铰链关系主断面

该断面表示前门结构、后门结构、中支柱结构、前门锁、后门铰链、密封条之间的装配关系。

5.4.3前门、门槛关系主断面

该断面表示前门外板、前门内板、前门护板、侧围下门槛、门槛内板、门槛加强板、前地板、门槛外侧装饰件（塑料件）、门槛法兰焊接边处的装饰件、地毯、线束、密封条之间的装配关系。

5.4.4前门水切主断面

该断面表示前门内板、水切内外加强板、前门护板、内外水切密封条之间的装配关系。

5.4.5前门、翼子板关系主断面

该断面表示前门内外板、翼子板、A柱结构、前门铰链、密封条、前门护板、A柱护板之间的关系。

5.5参考样车

在进行车身结构设计时，选择一款合理的参考样车，会使设计工作事半功倍。选择参考样车的原则是：

①车身结构形式借鉴意义较大；

②造型风格类同；

③车型、档次类同。

6车门结构方案设计

6.1 车门的结构形式

车门结构方案设计首先要确认车门的结构形式，是采用整体式门还是框架式车门结构。整体式车门的优点是造型灵活，车门的玻璃框架可以设计成断面尺寸不一致，它可以通过把整体式的内外板板金件焊接而成车门总成；框架式车门是由滚压件、门内外板焊接而成；受滚压件的工艺的限制，其断面的形状与尺寸必须一致，因此，车门部位的造型受一定的限制。

6.2 车门的构成

车门由门体板金件、车门附件和内饰组成。门体钣金件包括车门外板、车门内板、车门窗框、车门内外加强板、防撞杆、铰链加强板、锁加强板、后视镜安装板等零件组成；车门附件包括铰链、锁系统、限位器、玻璃升降器、车门玻璃、密封条、扬声器、后视镜等组成；内饰由门护板骨架、蒙皮、内扶手、玻璃升降器开关等组成。

6.3 车门材料的定义

车门总成各个零部件的材料选择与定义是车门设计结构方案设计的重要内容。材料主要包括板料和塑料。车门外板一般烘烤硬化钢，它是为提高钢板的抗凹性、抗划痕性而开发的高强度钢板；冲压成形时具有低的屈服强度、成形性能好，但烘烤硬化处理后，其屈服强度增加30MPa—40MPa。门内板一般选择具有良好成形性能的低碳冷轧钢板，如ST14、ST16等；防撞杠选择具有良好防撞性能的低合金高强度钢板；水切加强板、铰链加强板、锁加强板等零件选择加磷高强度冷连扎钢板，如B170P1、B210P1等。

7 车门总体布置

车门总成的总体布置设计是车门设计的重要环节，总布置质量的好坏将直接影响到车门总成的使用性能。因此设计人员在进行车门总成的总体布置设计工作以前，应充分了解与掌握车门的构造与结构形式、主要性能参数和尺寸参数、车门附件的种类与性能以及它们的位置关系，在此基础上进行车门总成的布置工作。总布置工作的重要内容是：合理地、准确地选择车门附件并将其布置到车门总成的合适位置上。

8 车门的DMU分析

车门的DMU分析包括运动分析与拆装分析。

8.1 车门运动分析

车门运动分析是车门方案设计的重要组成部分，运动分析的目的是分析与判断运动部件在运动过程中，与周围零、部件的运动间隙的大小。而且这些间隙值与汽车的造型风格、

车型的高档化程度、主机厂制造工艺水平等密切相关。在车身class-a冻结以前，必须对门缝开口的位置与尺寸，进行运动校核，满足车门在运动过程中的最小间隙值得要求。车门的运动分析包括：带限位器的车门运动分析，玻璃升降运动，锁系统（锁体、内外把手、锁芯、锁止机构、传动杆系统）的运动分析。

为了进行前车门运动分析，必须首先定义运动部件和固定部件，运动部件包括：前车门总成（车门板金件、内饰件、车门附件），前门侧的铰链座，前门侧的限位器座、限位器臂；固定部件包括：侧围总成、A柱、翼子板、A柱侧的铰链座、A柱侧的限位器座。分析的内容是，固定部件与运动部件、运动部件与运动部件的最小间隙值。定义完固定部件与运动部件后，就把相应的零部件数模放在对应的产品结构树上，利用CATIA软件进行前车门的运动分析。利用CATIA软件进行运动分析的主要工作是定义运动副。前车门运动副定义如下：把固定件定义为固定运动副，铰链、限位器定义为转动副，铰链、限位器的转动轴相互平行。限位器臂的运动定义为面到点的运动副。定义完运动副后，就可以在CATIA软件完成车门的运动模拟工作。

8.2 前车门拆装分析

前车门拆装分析包括：升降器拆装分析和玻璃拆装分析，拆装分析的目的是模拟零部件的装配和拆卸过程，来判断零部件的装配和拆卸的可行性。为了进行前车门玻璃拆装分析，必须首先定义运动部件和固定部件，运动部件是车门玻璃；固定部件包括：车门内外板、前后导轨、防撞杆结构。分析的内容是，把车门玻璃安装到门内板和门外板所构成的空腔内。定义完固定部件与运动部件后，就把相应的零部件数模放在对应的产品结构树上，利用CATIA软件进行前车门的拆装分析。拆装模拟的主要工作是：把CATIA软件特有的罗盘放在运动部件上，利用罗盘的运动轨迹来模拟玻璃的安装过程，就可以利用CATIA软件完成车门的拆装模拟工作。

9 车门结构设计和CAE分析

在完成车门总体布置设计、结构方案设计、主断面设计和DMU运动分析后，就要进行车门结构设计工作，车门结构设计必须满足功能和制造工艺要求。完成车门结构设计后，应进行结构CAE和冲压成形可行性分析，结构CAE包括车门刚度分析、模态分析、门下垂分析、碰撞分析、抗凹性分析等；冲压成形可行性分析包括如下内容：①压料面和工艺补充部分设计；②板料定义，包括板料形状、料厚、牌号等；③有限元网格划分；④冲压成形边界条件确定，包括板料参数、模具状态、压边参数、润滑条件等；⑤冲压成形性计算；⑥成形分析结果显示。