某SUV車型蝴蝶門鉸鏈系統(tǒng)的設(shè)計分析

谷賀雄，薛東亮，張驍誠

（長城汽車股份有限公司 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

前言

隨著消費觀念及技術(shù)的發(fā)展，消費者已不滿足于汽車基本代步的功能，更加注重汽車的消費品特質(zhì)，蝴蝶門就是汽車的特質(zhì)之一。

我公司某SUV展車為了提升科技感、豪華感，增強展示效果，計劃搭載蝴蝶門系統(tǒng)。本文針對蝴蝶門鉸鏈系統(tǒng)設(shè)計及校核分析方法進行介紹。

1 蝴蝶門分型

1.1 蝴蝶門的發(fā)展史

蝴蝶門鉸鏈一般布置在A柱或靠近A柱的翼子板上，通過鉸鏈向前上方開啟的車門如同蝴蝶展開的翅膀，因此得名“蝴蝶門”。

1.2 蝴蝶門的布置類型

常見的蝴蝶門布置分兩大類，見表1：

表1 蝴蝶門車型及布置分類

a.車門有框/無框決定了蝴蝶門展開效果、鉸鏈布置、開閉門是否需降玻璃；

b.其中，奔馳SLR邁凱輪722分為多種車型，敞篷/無A柱無框車門采用單鉸鏈+單撐桿布置方式，硬頂/有框車門及軟頂/有A柱無框車門采用雙鉸鏈+單撐桿布置方式。

2 鉸鏈系統(tǒng)的布置設(shè)計

2.1 軸線布置及開閉效果驗證

以造型效果圖為藍本，以CAS數(shù)據(jù)中布置鉸鏈軸線[1]，建立車門開啟的運動仿真分析模型，模擬開啟效果與效果圖一致，確定鉸鏈軸線及最大開啟角度為90°。

2.2 設(shè)計要求及基礎(chǔ)參數(shù)

為減小開啟力/力矩，對車門總成減重設(shè)計，如門板采用碳纖維材質(zhì)等；

基礎(chǔ)參數(shù)：

a.車門總重35kg，含門板、玻璃等；

b.車門重心(1574.6，-929.8，477.7)；

c.開啟時間10s、門轉(zhuǎn)速1.5rpm。

2.3 鉸鏈系統(tǒng)設(shè)計及布置

本車型為無框車門，采用單鉸鏈+單撐桿系統(tǒng)布置方案。

通常的蝴蝶門系統(tǒng)的撐桿外露布置于翼子板下側(cè)，美觀性差；為提升展示效果，將電撐桿布置于機艙內(nèi)部，外觀簡潔、優(yōu)美。布置方案見圖1。

圖1 鉸鏈系統(tǒng)布置方案

鉸鏈系統(tǒng)工作原理：

本系統(tǒng)主要由9部分組成。

通過電氣系統(tǒng)向電動推桿3提供動力，以驅(qū)動控制擺臂5實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，擺臂5與鉸鏈7通過鉸鏈軸6進行聯(lián)接，鉸鏈7與車門端的車門安裝結(jié)構(gòu)9剛性聯(lián)接，鉸鏈7旋轉(zhuǎn)帶動車門安裝結(jié)構(gòu)9同步旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)蝴蝶門開啟/關(guān)閉。

通過電控系統(tǒng)，實現(xiàn)蝴蝶門開閉控制及開閉邏輯/角度調(diào)整等個性化設(shè)置。

2.4 鉸鏈系統(tǒng)計算及選型

首先結(jié)合軸線及開啟效果，做出重心軌跡線[2]；

驅(qū)動力F：重力G門分解為有效力F1與無效力F2，無效力F2通過旋轉(zhuǎn)軸軸向抵消，驅(qū)動力F克服有效力F1從而驅(qū)動蝴蝶門開閉，即F=F1；

力臂 L：蝴蝶門在打開旋轉(zhuǎn)過程中，重心繞軸線形成圓弧，驅(qū)動力與軸線間的距離；

驅(qū)動力矩：T1=F×L=F1×L

計算蝴蝶門開啟力矩表：

以蝴蝶門關(guān)閉狀態(tài)為起點，完全打開（90°）狀態(tài)為終點，間隔10°計算開啟力矩，見表2。

由表2可知，蝴蝶門開啟50°時所需瞬時驅(qū)動力矩最大，即T1=216.3Nm，故以此來計算選型[3]；

通過開啟力矩計算所需電撐桿的推力：

擺臂5的擺臂力矩T0=F0×L0

驅(qū)動力矩T1=F1×L

擺臂力矩T0=驅(qū)動力矩T1，即F0=T1/L0=2163N

表2 開啟力矩表

綜合考慮摩擦力等損耗，取安全系數(shù)a=1.8，故電撐桿推力取T=4000N，故推桿參數(shù)選型為24V DC、15mm/s、推力4000N、行程140mm；

依據(jù)上述設(shè)計參數(shù)及周邊結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，制作鉸鏈系統(tǒng)的CATIA數(shù)據(jù)。

3 鉸鏈系統(tǒng)的驗證

3.1 鉸鏈CAE分析驗證

模擬使用工況，針對最大扭矩工況（50°）及最終扭矩工況（90°）狀態(tài)的鉸鏈進行CAE分析（選用常見材質(zhì)45鋼），分析結(jié)果見表3及圖2：

表3 鉸鏈CAE性能分析

圖2 最大扭矩工況（左）及最終扭矩工況（右）

3.2 實車驗證

蝴蝶門系統(tǒng)經(jīng)實車試驗，各工況均平穩(wěn)執(zhí)行，試驗效果與設(shè)計相符。

4 結(jié)束語

與標桿車相比，本車開創(chuàng)性的將蝴蝶門鉸鏈系統(tǒng)內(nèi)置于機艙內(nèi)，使得外觀最大程度的簡潔、優(yōu)美，提升了展車的展示效果。并通過數(shù)據(jù)設(shè)計、計算校核及模擬分析、實車驗證，實現(xiàn)了此方案的實際應(yīng)用。