汽車車門，作為車輛設(shè)計(jì)中不可或缺的精髓所在，其形態(tài)與功能不僅深刻塑造著汽車的整體美學(xué)風(fēng)貌與獨(dú)特風(fēng)格，更是直接關(guān)系到每一位乘客的出行安全與乘坐體驗(yàn)。隨著科技進(jìn)步與消費(fèi)者需求的日益多元化，車門設(shè)計(jì)已不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)用范疇，而是成為了展現(xiàn)汽車品牌理念、技術(shù)創(chuàng)新及個(gè)性化追求的重要窗口。

在這個(gè)追求極致美學(xué)與功能并重的時(shí)代，車門的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了前所未有的變革與創(chuàng)新，越來(lái)越多好看的車門類型也展現(xiàn)在我們面前，例如剪刀門、歐翼門、蝴蝶門等等放到現(xiàn)在這個(gè)時(shí)代已經(jīng)是司空見(jiàn)慣的存在。其中，最常見(jiàn)的莫過(guò)于轎車的普通鉸鏈側(cè)開(kāi)門和面包車的滑移門。

對(duì)比普通鉸鏈側(cè)開(kāi)門的汽車而言，采用滑移門的汽車更能在狹小的空間完成開(kāi)關(guān)門，并且在一定程度上減少了因?yàn)閭?cè)開(kāi)門導(dǎo)致的交通事故。但是，滑移門使用了一段時(shí)間過(guò)后，容易因?qū)е聶C(jī)械故障、密封性能下降、潤(rùn)滑減少導(dǎo)致噪音和零件老化等問(wèn)題的出現(xiàn)。下面針對(duì)滑移門使用一段時(shí)間后導(dǎo)致導(dǎo)軌變形的問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。

某車型的滑移門經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的正常使用，出現(xiàn)上導(dǎo)軌變形，移門沿導(dǎo)軌滑動(dòng)困難的情況。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定：移門初始狀況良好，沿導(dǎo)軌滑動(dòng)順暢，并且在初期的使用過(guò)程中可以保持良好的開(kāi)關(guān)性能和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)分析一時(shí)難以找到故障原因。

圖1變形后的上導(dǎo)軌

變形后的上導(dǎo)軌如圖1所示。變形區(qū)域集中在導(dǎo)軌外側(cè)移門滾過(guò)限位器的區(qū)域，變形后導(dǎo)軌外側(cè)呈波浪形分布。由于移門相對(duì)導(dǎo)軌沒(méi)有固定點(diǎn)，為了限制其自由運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)本身通常設(shè)計(jì)成過(guò)約束系統(tǒng)，受力狀態(tài)較復(fù)雜，受裝配的影響較大，因此故障的診斷和排除具有一定難度。運(yùn)用 CAE仿真技術(shù)，模擬滑移門沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)和跨越限位器的過(guò)程，通過(guò)改變輸入?yún)?shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)的偏差，考察各種偏差對(duì)車門開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)的影響，可以很快診斷故障原因。

滑移門的結(jié)構(gòu)如圖2所示?；崎T通過(guò)上、中、下三個(gè)滾輪支架放置在與車身固接的導(dǎo)軌內(nèi)。滾輪支架通過(guò)絞鏈與門內(nèi)板連接，兩者之間可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此整個(gè)移門系統(tǒng)組成一個(gè)復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)。通過(guò)滾輪與導(dǎo)軌的接觸，不僅可以限制這些自由度的運(yùn)動(dòng)，而且可以引導(dǎo)移門沿預(yù)定軌跡滑動(dòng)。

圖2 滑移門、限位器、滾輪支架及導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

如前所述，移門在使用了一段時(shí)間后，當(dāng)下支架滾輪滾過(guò)限位器彈片時(shí)，上導(dǎo)軌外側(cè)發(fā)生變形。因?yàn)閷?dǎo)軌只與滾輪接觸，因此導(dǎo)軌發(fā)生變形的原因只可能是：滾輪作用于導(dǎo)軌的載荷超過(guò)了導(dǎo)軌的承載極限。導(dǎo)致滾輪作用于導(dǎo)軌的載荷急劇增大的原因可能有三種：(1)導(dǎo)軌的微小變形和偏差在使用過(guò)程中被積累放大;(2)限位器的彈片被滾輪多次滾壓之后磨損、變形;(3)滾輪與導(dǎo)軌磨損，導(dǎo)致兩者之間摩擦系數(shù)增大。這三種可能的原因均可以通過(guò) CAE仿真模擬的辦法進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)改變計(jì)算模型的輸入條件可以驗(yàn)證這些因素對(duì)于移門與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

有限元分析

分析移門系統(tǒng)經(jīng)過(guò)限位器時(shí)，各滾輪與導(dǎo)軌的受力情況，以及限位器的變形情況。由于移門系統(tǒng)包含的部件較多，為提高計(jì)算速度，對(duì)計(jì)算模型作了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。根據(jù)分析的重點(diǎn)，模型中詳細(xì)建立了滾輪、滾輪a，僅保留其質(zhì)量分布特性。有限元模型如圖3所示支架，導(dǎo)軌和限位器等部件，對(duì)于移門的內(nèi)、外板、保險(xiǎn)杠、門鎖等部件則簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量單元。

圖3 移門運(yùn)動(dòng)分析有限元模型

為模擬上述三種可能的因素對(duì)滾輪與導(dǎo)軌間載荷的影響，我們?cè)谟?jì)算模型中對(duì)相關(guān)輸入信息做了相應(yīng)的調(diào)整。對(duì)于因素(1)，調(diào)整導(dǎo)軌的形狀與位置來(lái)模擬實(shí)際情況中可能的偏差;對(duì)于因素(2)，調(diào)整限位器彈片的厚度與形狀來(lái)模擬簧片經(jīng)過(guò)擠壓和磨損后的情況;對(duì)于因素(3)，調(diào)整滾輪與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)來(lái)模擬摩擦增大的情況。

通過(guò)改變上述參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，考察導(dǎo)軌與滾輪間的作用力，很快找出導(dǎo)致移門運(yùn)動(dòng)失效、導(dǎo)軌變形的根本原因是導(dǎo)軌與滾輪間的摩擦系數(shù)的不穩(wěn)定，在正常使用一段時(shí)間后會(huì)增大。如圖4為當(dāng)摩擦系數(shù)依次為 0.02、0.05、0.1、0.2 時(shí)，上支架滾輪與導(dǎo)軌之間的接觸力曲線。由此可知，當(dāng)滾輪與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)為 0.02、0.05、0.1時(shí)，滾輪作用于導(dǎo)軌的載荷均存在一個(gè)極限值，當(dāng)滾輪滾經(jīng)限位器后，滾輪與導(dǎo)軌之間的作用力會(huì)逐漸減小:當(dāng)滾輪與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)增大到 0.2時(shí)，滾輪與導(dǎo)軌間的載荷呈現(xiàn)發(fā)散的趨勢(shì)接觸力不斷增大，直到超出導(dǎo)軌的承載能力而變形損壞。

圖4 上支架前滾輪作用于與導(dǎo)軌的載荷

圖5為摩擦系數(shù)為 0.2時(shí)，滾過(guò)限位器后上支架滾輪與導(dǎo)軌的接觸情況。由此可知，上支架的前滾輪與導(dǎo)軌的外側(cè)接觸，后滾輪與導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)接觸。在開(kāi)啟過(guò)程中，移門通過(guò)絞接點(diǎn)帶動(dòng)上支架運(yùn)動(dòng)，形成逆時(shí)針?lè)较蛄?，加劇了滾輪與導(dǎo)軌之間的正壓力，從而近一步提高摩擦阻力。當(dāng)滾輪與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)大到一定程度時(shí)，移門力的增加不足以克服摩擦阻力的增加，會(huì)形成自鎖，令接觸力呈發(fā)散的趨勢(shì)，最終超出導(dǎo)軌的承載能力，破壞導(dǎo)軌。

圖5上支架滾輪與導(dǎo)軌的接觸情況(u=0.2)

依據(jù)以上仿真計(jì)算可知，導(dǎo)致導(dǎo)軌變形的原因有兩個(gè):(1)滾輪與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)在使用后因磨損而增大，形成自鎖;(2)上支架與車門絞接點(diǎn)距離滾輪距離較遠(yuǎn)，開(kāi)啟過(guò)程中形成較大逆時(shí)針力矩，加大了滾輪與導(dǎo)軌間的正壓力。針對(duì)以上分析結(jié)果，改進(jìn)從兩方面入手:(1)保證滾輪與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)可以維持在穩(wěn)定的較低水平;(2)減小上導(dǎo)軌支架與車門絞接點(diǎn)到滾輪之間的距離。改進(jìn)(1)需要找到耐磨性更好的替代材料，受現(xiàn)實(shí)條件限制沒(méi)有采用。采用改進(jìn)方案(2)，重新設(shè)計(jì)的上支架結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 上支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，上支架滾輪與導(dǎo)軌之間的接觸力曲線如圖7所示。改進(jìn)后，即使摩擦系數(shù)達(dá)到0.2，上支架滾輪與導(dǎo)軌之間的接觸力依然成收斂趨勢(shì)，不再出現(xiàn)自鎖的情況，改進(jìn)效果明顯。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該方案后移門運(yùn)動(dòng)可靠性大大提高，可以滿足使用要求。

圖7 改進(jìn)后，上支架前滾輪作用于與導(dǎo)軌的載荷

結(jié)論

（1）移門運(yùn)動(dòng)的可靠性受諸多因素影響，其中尤其以滾輪的摩擦特性、支架的結(jié)構(gòu)形式影響最大；

（2）為提高移門的運(yùn)動(dòng)可靠性，滾輪支架與車門的絞接點(diǎn)距離滾輪的距離應(yīng)該盡可能短；

（3）滾輪在使用一段時(shí)間后會(huì)磨損，摩擦系數(shù)有可能增大，從而影響移門的運(yùn)動(dòng)可靠性，應(yīng)盡可能選用耐磨性較好的材料制做滾輪；

（4）ABAQUS/Explicit 可以較好的模擬移門開(kāi)關(guān)過(guò)程以及滾輪與導(dǎo)軌之間的摩擦，很好的再現(xiàn)和預(yù)測(cè)了試驗(yàn)。