0第 1 章 緒 論1.1 行業(yè)概述隨著汽車技術的發(fā)展，汽車的舒適性不斷提高以滿足人們的要求。汽車車門是車上相對獨立的總成，車門設計不但關系到汽車的實用性，對汽車也有很大的裝飾作用。因此車門的設計也越來越講究，而且使用越來越多的網絡和電控技術。從 1957 年新中國的第一輛汽車正式生產下線，中國汽車在 20 世紀中期經歷了漫長的緩慢發(fā)展階段，在經過 2003 年和 2006 年的兩輪爆發(fā)式增長后，開始步入平穩(wěn)增長階段。2009年嚴峻的宏觀經濟形勢下，中國汽車行業(yè)的發(fā)展面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機遇，同時也受到來自各個方面的沖擊。中國要想從汽車制造大國發(fā)展成為汽車產業(yè)強國，就必須在汽車產品的研發(fā)上取得突破。歐美日的汽車企業(yè)之所以能夠如此強勢，與他們幾十年甚至上百年的技術革新與經驗積累是分不開的，翻開他們汽車產業(yè)發(fā)展的歷史，我們都能夠清晰的感受到他們相同的企業(yè)發(fā)展脈絡：明確的市場定位，堅定不移的技術研發(fā)，引領潮流的戰(zhàn)略方向，這一切，做足了他們的原始積累。我們的起步盡管有些晚，但是汽車產業(yè)作為中國經濟的支柱產業(yè)之一，近年來在技術研發(fā)上的投入力度明顯增加，從過去的汽車產品進口到產品引進生產再到技術轉化，近幾年來更是直接的技術引進、并購國外先進的汽車企業(yè)，中國的汽車技術如雨后春筍般迅猛發(fā)展。車門是整個車身中結構復雜又相對獨立的一個總成,它主要由車門骨架及蓋板、車門護面、門窗、車門玻璃及玻璃升降器、門鎖及其手柄、車門鉸鏈、車門密封條和車門開關機構組成。車門是汽車車身設計中的一個相對獨立的零部件。在車門設計中其安全性尤為重要，它必須保證在車輛發(fā)生碰撞時，盡可能地減少對行人和乘員造成的傷害，因此必須要求車門外覆蓋件表面光潔、有韌性；門鎖、門鉸鏈以及車門門體必須能夠按照 A 柱一 B 柱一 C 柱的路線傳遞碰撞沖擊力；碰撞后的車門必須能夠輕松地不借助于任何輔助工具用手打開。鑒于側面碰撞對乘員造成的危險性，在設計車門時注意將車門的變形限制在一定范圍內，為乘員提供一個有效的生存空間。這些都要求車門必須具備足夠的強度和剛度。在汽車車身設計的過程中，車門總成的布置設計除與整體設計有著協(xié)調配合關系外，可稱的上是一個相對獨立的，最具有代表性的車身總成設計。它不僅要與整車造型協(xié)調一致，還要保證必要的開度，方便上下車，良好的安全性，穩(wěn)定的操縱性，密封性，工藝性，足夠的強度剛度，以滿足功能上的要求。因此車門的設計成為車身設計中的一個重要環(huán)節(jié)。1生產廠家為了能在市場競爭中立于不敗之地，就必須提高產品質量，降低生產成本，縮短產品的開發(fā)周期，提高勞動生產率，所有這些迫使設計者不斷地尋求智能化的設計工具和先進的設計方法。本課題的研究內容就是在這樣的情況下產生的。1.2 基于流程與知識的轎車車門布置的背景與意義1.2.1 汽車行業(yè)的背景如今汽車產品的更新?lián)Q代速度很快，而每一款汽車的設計作為一個系統(tǒng)的工程，是相對獨立的過程，很多跨國汽車公司早在幾十年前就已經打破了這種相對的獨立，將設計的每一個過程凝練提升，形成一個個模塊，按照系統(tǒng)的方法組織起來，定義為汽車設計流程。在以后的新車設計中，將每一個過程融入了這種既定的設計模式，按部就班地推進，控制著汽車的每一個非常詳細的設計過程，從而順利高效地完成設計。在國內，一汽、二汽、上汽等大的汽車企業(yè)集團都已經建立起了比較完善的產品設計流程，在國內愈演愈烈的汽車產品競爭中，這些企業(yè)的產品競爭力有著明顯的優(yōu)勢，產品更新速度快，質量可靠，深得用戶的信賴，可見研發(fā)流程的建立對企業(yè)的重要意義。伴隨著汽車車身造型的設計與修改要求日趨增高，參數(shù)化設計更符合和貼近現(xiàn)代CAD 中的概念設計和并行設計思想，并可提高設計與分析的柔性，因此車身模型的參數(shù)化設計經成為車輛制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。參數(shù)化設計是以一種全新的思維方式來進行產品的創(chuàng)和修改設計的方法[1]。目前傳統(tǒng)的手工造型方法已被建立在各種先進的造型建模軟件基礎上的計算機輔助造型方法所取代，參數(shù)化設計技術能夠快速吸收國外汽車車身設計的先進技術，快速響應市場，提高我國自主設計開發(fā)汽車的能力，提高汽車產品競爭能力。1.2.2 計算機輔助設計在汽車工程技術領域的應用自從上世紀 70 年代，隨著計算機輔助幾何設計和計算機圖形學的迅速發(fā)展，車身設計過程中部分或全程引入計算機輔助系統(tǒng)(CAD/CAM 軟件)，在計算機中構建車身三維數(shù)字化模型，以“ 所見即所得 ”的交互方式完善設計方案，是現(xiàn)代車身設計方法的主要特點。其基本流程：經過市場調研，形成車型的整體要求；制作手繪效果圖，也可利用計算機輔助軟件繪制；制作縮比例模型及 1:1 主模型；以三坐標掃描或激光掃描的方式在計算機中構建車身數(shù)字模型；進行結構設計，構建 A 級模型；生成 NC代碼，生產樣車。在計算機中不但可以對車身外觀及內飾建立數(shù)字模型，而且可以對發(fā)動機、底盤等其它零部件建立模型，并直接進行有限元分析、結構設計/分析、甚至虛擬裝配、虛擬風洞試驗等，使得設計人員可以在計算機中構建虛擬的電子樣車并進行試驗，能2在實際生產前預先發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，提高了效率，降低了成本。通常各零件模型分類存放在大型數(shù)據(jù)庫中，以后對車型做改進時可直接到數(shù)據(jù)庫中匹配類似的零部件，修改其相關參數(shù)即可滿足要求，無需重新設計，非常有利于車型的系列化，生產商應對迅速變化的市場的能力也強得多?，F(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車設計以及工藝設計的要求越來越高，但是相對越來越低的生產與設計成本、大大縮短的設計周期，要求對汽車設計的結構優(yōu)化、鈑金成型以及 NVH 的研究在設計過程中就應該介入，傳統(tǒng)的后期介入會浪費大量的費用，設計周期很長，這在愈發(fā)激烈的市場競爭中已經逐步淘汰。軟件工具的應用使設計中期的分析工作開展成為可能。1.2.3 基于知識工程的汽車設計的發(fā)展人工智能技術，特別是專家系統(tǒng)的技術與現(xiàn)有的、傳統(tǒng)的 CAD 技術相結合開發(fā)一些專用的 CAD 軟件和程序模塊是今后 CAD 發(fā)展的必然趨勢。知識工程（KBE，Knowledge Based Engineering）是人工能領域的一個重要分支，它研究的主要內容包括知識的獲取、知識的表達知識庫的構造、知識的自動獲取和更新等，其核心是如何運用知識來解問題。知識工程實質上是突破了簡單的邏輯運算，把經驗和推理合起來，將邏輯思維和形象思維結合起來，實現(xiàn)計算機的智能化。KBE系統(tǒng)存儲產品模型包含幾何、非幾何信息以及描述產品如何設計、分析和制造的工程準則。知識工程是研究知識信息處理的學科，提供開發(fā)智能系統(tǒng)的技術，是人工智能、數(shù)據(jù)庫技術、數(shù)理邏輯、認知科學、心理學等學科交叉發(fā)展的結果。KBE 系統(tǒng)將重復的設計和工程任務自動化，縮短了產品開發(fā)時間，將設計、分析、制造集成起來實現(xiàn)并行工作。使用 KBE 建立模型可以將幾何造型與分析等結合起來，實現(xiàn)多學科優(yōu)化，并確切地進行可行性評估，應用標準和實踐經驗來提高產品的質量，對設計實踐、過程經驗等知識信息進行數(shù)字化獲取和重用，從而提高自動化過程的效率。1.2.4 車門設計的流程化道路車門是汽車車身結構中重要的組成部分，同時相對獨立，是供乘員或貨物進出的必要通道。車門設計的好壞直接影響到整車的造型效果、安全性、密封性、視野、噪聲控制以及乘坐空間等諸方面的優(yōu)劣。車門主要由車門內外板、內飾板、加強梁、加強板、車門玻璃及升降器、門鎖、內外手柄、車門鉸鏈、限位器、車門密封條和車門開關機構組成。車門從布置到設計再到制造，每一個環(huán)節(jié)考慮的因素都比較多，既要保證車門與整車的協(xié)調一致，還要保證車門本身的技術要求。很多時候，各個環(huán)節(jié)是一個循環(huán)反復的過程，造成了傳統(tǒng)3的車門設計難度與周期很長。車門設計必須走流程化的道路，并且要利用先進的計算機平臺做早期的判斷分析、循環(huán)優(yōu)化，是目前我們公司正在努力探索的一個方向。車門結構分析的早期介入，可以及早解決因結構設計不合理造成的機能件運動干涉、鈑金成型性差、總成的振動特性無法滿足整車 NVH 的需要，避免后期修改造成的資金與時間上的大量浪費。隨著計算機技術快速發(fā)展，結合知識工程，各大汽車公司紛紛建立了自己的研發(fā)流程，確立了現(xiàn)代設計方法在汽車領域的主導地位。長期以來，車門設計一直是一個難點，現(xiàn)代設計方法的應用，使得車門設計的后期分析可以提前到設計過程中進行，使設計的難度降低。車門設計兼顧的方面多、初期布置復雜、需要有豐富的知識與經驗，基于流程與知識的車門布置很好的解決了這個問題。所以本課題以某款新車的開發(fā)為例，在該領域做一些研究是很有意義的。1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀早于七、八十年代，國外大型汽車公司已建立了相當規(guī)模成套的 CAD、CAE 和CAM 等計算機輔助系統(tǒng)，使得車身設計方法發(fā)生了根本性的變革，運用三維“CAD/CAM”技術替代了以“主圖板，主模型” 為主的傳統(tǒng)設計方式。CAD 是一種技術，其中人與計算機結合為一個問題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應用多學科方法的綜合性協(xié)作提供了可能。日本豐田公司很早就引進了 CAD 系統(tǒng)，并且在初步升級改善。美國福特公司從 1967年就開始開發(fā)車身設計 CAD 系統(tǒng)，目前百分之八十以上的設計由 CAD 完成，大大降低了產品成本，提高了產品的生產能力。美國通用汽車公司在 1988 年投資千萬美元完成了以三維 CAD 系統(tǒng) UG 為核心的 CAD/CAM/CAE/CIM 的 4C 集成化工程，達到信息流暢，公司的轎車和概念車的開發(fā)試制時間由五年縮短到兩年，設計階段從24 個月縮短到 14 個月，一些零部件的設計從六個月縮短到一個月。我國各大汽車公司近幾年來紛紛引進了先進的 CAD/CAM/CAE 軟件用于汽車車身設計和開發(fā)，并取得較好的成果。一汽，東風汽車公司在八十年代就開始在車身設計方面研究與應用CAD/CAM 技術。另外在 CAE 領域也取得了不少成績。電子樣機（DMU：Digital Mock-Up）技術主要是指在計算機平臺上，通過三維CAD/CAE/CAM 軟件，建立完整的產品數(shù)字化樣機，組成電子化樣機的每個部件除了準確定義三維幾何圖形外，還賦有相互間的裝配關系、技術關聯(lián)、工藝、公差、材料等信息，電子樣機應具有從產品設計、制造到產品維護各階段所需的所有功能，為產品和流程開發(fā)提供一個平臺的電子樣機功能由專門的模塊完成，從產品的造型、上下關聯(lián)的并行設計環(huán)境、產品的功能分析、產品瀏覽和干涉檢查、信息交流、產品可4維護性分析、產品易用性分析、支持虛擬實現(xiàn)技術的實時仿真、多 CAX 支持、產品結構管理等各方面提供了完整的電子樣機功能，能夠完成與物理樣機同樣的分析、模擬功能，從而減少制作物理樣機的費用，并能進行更多的設計方案驗證。電子樣機技術在現(xiàn)代汽車業(yè)中的應用越來越廣泛，正在逐步取代物理樣機用于多方面的研究。DMU 主要有以下功能和特點：1)與 CAX 系統(tǒng)完全集成，并以“上下關聯(lián)的設計” 方式作業(yè)。2)提供強大的可視化手段，除了虛擬顯示和多種瀏覽功能，還集成了 DMU 漫游和截面透視等先進手段。3)具備各種功能性檢測手段，如安裝/拆卸、機構運動、干涉檢查、截面掃描等。4)具有產品結構的配置和信息交流功能。由于電子樣機（DMU）技術加強了設計過程中最為關鍵的空間和尺寸控制之間的集成，在產品開發(fā)過程中不斷對電子樣機進行驗證，大部分的設計錯誤都能被發(fā)現(xiàn)或避免，從而大大減少實物樣機的制作與驗證。AutoForm 軟件包是 AUTOFORM 工程有限公司包括瑞士研發(fā)與全球市場中心和德國工業(yè)應用與技術支持中心推出的板料成形模擬軟件包。它將來自世界范圍內的許多汽車制造商和供應商的廣泛的訣竅和經驗融入其中，并采取用戶需求驅動的開發(fā)策略，以保證提供最新的技術?？梢詭椭Y構設計人員方便地求解各類板料成形問題，同時，AutoForm 也最大限度地發(fā)揮了傳統(tǒng) CAE 技術的作用，減少了產品開發(fā)的成本和周期，目前世界上大多數(shù)大汽車公司都已經將鈑金成形模擬作為結構設計的必有過程，避免了鈑金模具的后期修改問題。我國汽車行業(yè)經過十多年努力和發(fā)展，CAD 技術、專家系統(tǒng)、知識庫技術等新興技術在我國汽車行業(yè)的應用已取得很大的進步，但由于起步較晚，車身技術與國外汽車公司相比還有很大的差距，國內各汽車公司普遍存在設計效率低下、后期問題難以預測的問題。加大 CAD/CAM/CAM 軟件在汽車開發(fā)中的應用力度，并且結合汽車設計的專業(yè)經驗總結一些面向汽車設計的專業(yè)設計流程以幫助設計人員提高產品的開發(fā)效率和質量，是縮短我國與國外汽車設計水平的差距，早日實現(xiàn)我國轎車自主開發(fā)能力的有效措施之一。國外各大汽車和設計公司積累了幾十年的轎車車身開發(fā)經驗，形成了較完善的數(shù)據(jù)庫和設計規(guī)范。筆者曾親身體驗過豐田公司的設計檢查卡（CHECKLIST）與德國大眾公司的對標數(shù)據(jù)庫，在每一個細節(jié)，總括了在該領域的各種車型的經驗數(shù)據(jù)與經驗值，詳盡嚴密地表述出設計流程。經過整理的知識庫就像一個專家委員會，指導設計師的工作，引導設計師進行每一步設計，指出所選擇的尺寸和參數(shù)的界限，并驗證5所設計的結構是否合理，及時糾正設計中出現(xiàn)的錯誤，使設計師避免誤入歧途和返工，絕對不會因經驗不足和考慮不周而造成嚴重疏忽。有了這樣的數(shù)據(jù)庫，設計時就能對自己不熟識的內容信心百倍，并可迅速獲得設計結果而且確信它是正確的，因為該設計是由綜合的知識庫創(chuàng)造出來的，其中包含了寶貴的專家知識和設計知識的法規(guī)、規(guī)則。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，消費者的消費觀念更趨理性，對汽車的需求偏好也逐步發(fā)生變化、升級，由于國內消費者換車周期的大幅縮短，使得汽車的更新?lián)Q代也加快了。汽車設計技術及手段的不斷發(fā)展，特別是以計算機技術為核心的現(xiàn)代工程技術方法的飛速進步，日益成熟的 CAD/CAE/CAM 一體化產品開發(fā)技術在轎車車身設計領域得到廣泛應用。汽車設計方法正逐步由傳統(tǒng)的設計方法，向著以大大縮短產品開發(fā)周期和提高產品設計精度為目標的現(xiàn)代設計方法轉變。國內外成熟的計算機技術結合汽車行業(yè)日漸成形的汽車模塊化思想，為我們在實際設計過程中縮短開發(fā)周期與提高工作效率奠定了基礎，縱覽以上，我們有必要建立一套全面的設計流程。1.4 本課題的研究內容本課題研究是以威馳汽車開發(fā)項目為依托、以 CAD 為軟件平臺，在開發(fā)過程中從造型數(shù)據(jù)模型確立，到前車門各個機能件選型，結構布置，直到結構設計完成，并結合工藝、工裝的設計驗證，建立起一套完善的車門設計解決方案。6第 2 章 車門設計2.1 車門參數(shù)化設計技術汽車車門的參數(shù)化設計方法，是通過參數(shù)化設計采用幾何約束控制產品形狀的幾何特征，改變約束可迅速獲得不同的設計結果，提高設計效率，有助于減輕設計人員的工作強度。參數(shù)化設計技術是當前 CAD/CAM 系統(tǒng)的研究熱點之一，主要是通過改動圖形某一部分或某幾部分的尺寸，自動完成對圖形中相關部分的改動，從而實現(xiàn)對圖形的驅動，只需要根據(jù)某些具體的條件和參數(shù)來決定產品某一結構形式下的結構參數(shù)，從而設計出不同規(guī)格的產品。參數(shù)化設計可以提高產品的設計效率，有效保證產品模型的安全可靠性，極大地改善設計的柔性，并在概念設計、動態(tài)設計、實體造型、裝配、公差分析、機構仿真、優(yōu)化設計等領域發(fā)揮著重要的作用。參數(shù)化設計的關鍵是幾何約束關系的提取和表達、約束求解以及參數(shù)化幾何模型的構造。它允許尺寸欠約束的存在，設計者可以采用先形狀后尺寸的設計方式，優(yōu)先考慮滿足設計要求的幾何形狀而暫不用考慮尺寸細節(jié)，設計過程相對寬松。在車門設計的布置設計階段，產品的內部機能件主要位置、結構細節(jié)難以具體化，設計師關心的是產品的基本結構、主要尺寸關系，因此無法采用具體尺寸繪圖設計。參數(shù)化計系統(tǒng)可以在布置設計過程中通過捕捉模型中存在的關系及其定義的參數(shù)化的位置點來捕捉機能件的位置，同時也允許對零件進行反復地編輯，允許用戶試探不同的設計方案或生成不同的位置版本和零件版本，對位置的編輯可以簡單地通過改變草圖的關系來完成，如在鉸鏈布置時，通過改變幾個不同方向上的草圖上的幾個點，然后進行重新計算，就可以完成新的設計，非常簡便。2.2 車門的結構類型一般來講，乘用車車門分為帶窗框車門和無窗框車門（Frameless GlassConstruction，多見于高檔跑車，俗稱硬頂車）兩大類，其中帶窗框車門又可以分為整體式（Full Stamped Inner and Outer Panel Construction，即內外門板帶著窗框部分一起沖壓成型）和獨立窗框（Loose Upper Frame Construction，即窗框部分與窗口線以下的內外板分別成型）兩大類，如圖 2.1 所示。實際上車門還可以做更細致的區(qū)分，現(xiàn)在按照以下分類對各個類型的優(yōu)缺點略做7評述。2.2.1 無窗框車門（Frameless Glass）優(yōu)點：造型前衛(wèi)時尚，且外觀上各處配合對消費者很是養(yǎng)眼；因為沒有窗框部分的金屬板材，內外板沖壓成型不必考慮此處廢料損失，可將廢料率降至最低；左右內（外）板可以在一個模具中成型；該類型車門具備整形能力。缺點：窗玻璃的穩(wěn)定性差（當玻璃在 full up 位置時，至少在門肚子里留有露出部分的三分之一長度，否則容易失穩(wěn)） ；門肚子里需要有額外的支架來保持玻璃的穩(wěn)定性；當然這些都會增加產品成本，而且造成門密封性先天不足，為了改善其密封性，不得不花更多代價；除此之外，車身腰線（Belt line）也被抬高。2.2.2 獨立窗框式車門（Loose Upper Frame）優(yōu)點：廢料率同樣能降至最少；左右內（外）板可以在一個模具中成型；該類型車門具備整形能力；門質量好。缺點：可裝配性差，會產生匹配上的這樣那樣的問題（諸如 gap、flush 等等） ；限制了主密封樣式的選擇范圍，而且也存在密封性差的潛在問題。2.2.3 內、外板整體沖壓成型式車門1)外板整體沖壓成型式車門（Full Stamped Inner and Outer Panel）－窗框部分進入到車頂區(qū)域（into roof，從外觀看，就是車門上部有面共享了車頂面） 。優(yōu)點：結構剛性好，密封性好，在整條 J－Line（就是指車門在關閉時，車門上與車身接觸的密封條區(qū)域，總裝車間一般稱為“頭道” ，或者“頭條”）上可以作出對結構有利的拔模斜角。缺點：廢料多；增加了密封成本：如沿著車頂與車門邊的密封，沿著風窗與車門邊的密封；不具備整形能力。2)內、外板整體沖壓成型式車門（Full Stamped Inner and Outer Panel）－窗框部分側向暴露（exposed on side，相對于上面類型） 。2.2.4 窗框內藏式車門（Frame Under Glass）該類型又可以分為兩類：一類是門內板整體沖壓（Full Stamped Inner） ，質量與密封性都好，而且 J-line 的工藝性拔模也可以做，外觀當然極像無窗框式車門的新穎前衛(wèi)；但是內板仍然要產生8許多廢料，密封性有待改善。整體沖壓的內板剛度大，免去焊接的麻煩，尺寸精度高。另一類是獨立窗框（Loose UPR Frame）廢料率低，質量也好，左右內（外）板可以在一個模具中成型，外觀優(yōu)勢同上。但凡獨立窗框，裝配時產生的問題是無法避免的，而且因為滾壓的窗框，使得密封形式的選擇有限，會導致潛在的密封性能問題。圖 2.1 車門結構型式所設計車門總裝圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 車門總裝圖2.3 車門的基本構成車門基本構成分為鈑金件、機能件、密封件、裝飾件與電器線束件五大類，下面9分別說明。本設計采用分體式車門結構，外板上集成窗框，內板與車門框架集成一體，外、內板之間焊接連接。車門附件均參照現(xiàn)有成熟結構進行設計，設計的具體部件包括：鉸鏈、限位器、后視鏡、外板、內板、門鎖、門玻璃、玻璃升降器、防撞梁及密封等。2.3.1 車門鈑金車門鈑金一般分為車門外板、內板、外板加強板、防撞梁、內板加強板、鉸鏈加強板、鎖加強板、鉸鏈支座、窗框（如果為滾壓窗框） 、窗框安裝支架、玻璃前后導槽、導槽安裝支架等，如圖 2.3 所示。圖 2.3 車門鈑金總成1)車門外板車門外板是汽車覆蓋件中極為重要的部件之一,是車身上的活動部件,對其剛性及表面質量要求很高;它是典型的具有復雜型面的大型板料沖壓件。一般對車門外板的質量要求高：外觀表面光順平滑,棱線清晰,周邊尺寸精度 0.7mm,剛性好。由于門外板是一種平坦淺拉延件。成形時凸模表面與毛坯以大平面接觸,由于平面上的拉應力很低,材料得不到充分的塑性變形，所以車門外板剛性差，一般選擇外板材料時，考慮硬質板材，如圖 2.4 所示。車門外板和內板的裝配，一般采用點焊、粘接及咬合等方法。10圖 2.4 車門外板如圖 2.5 所示，車門外板采用強度適當、沖壓性能好的薄鋼板材料（厚度為 1 mm）經沖壓、輥壓等工藝制成。因車門外板是車身外表面件，中部不應該有焊點，以免影響外觀質量，這樣外板中部剛度就差，行車時易產生振動噪音，因此必須對外板剛度進行加強，采取的措施有：在外板內側粘貼磁性瀝青板；設計加強梁，與外板柔性粘接。所設計車門外板如圖 2.6 所示。圖 2.6 車門外板2)車門內板內板是車門附件主要的安裝機體，許多主要受力件均安裝在內板上，如鉸鏈、限位器、門鎖等，為增加連接部位強度和剛度，使附件正常工作，須在連接部位設置加強板。圖 2.5 外板的剛度加強11車門內板是車門中所有主要部件的安裝載體，其結構形狀的構建也是我們本課題研究的重點之一。在車門靠近車身 A、B 柱一側，由于需要考慮車門的下沉及鉸鏈等結構的安裝此處剛度和強度要求較高，為此這一部分鋼板厚度為 1.6mm 或 1.4mm 的高強板，其余部分采用了 0.7mm 的鋼板，這樣在保證車門內板必要的剛度和強度性能時又能減輕質量，降低成本，如圖 2.7 所示圖 2.7 車門內板（左側 a：高強板，用于鉸鏈加強板，右側 b：一般材料）鉸鏈加強板的型式多樣，一般根據(jù)性能與成本的需要來選擇，如圖 2.8 所示。圖 2.8 鉸鏈加強板型式所設計車門內板如圖 2.9 所示。圖 2.9 車門內板123)車門防撞梁車門防撞梁（桿） （Side Impact Beam,Door Beam） ，也叫側門防撞梁（桿） ，是指在車門內部結構中加上橫梁（從外面看不到） ，用以加強車輛側面的結構，進而提高側面撞擊時的防撞抵抗力，以提升側面的安全。基于側面撞擊的概率，消費者在選購車子的時候，一定把防側撞鋼梁這一項重要的安全配置考慮進去，如圖 2.6 所示。車門防撞作為一種額外吸能保護，可以降低乘員可能遭受的來自外部的力量。事實證明，車門防撞梁在車輛撞擊固定物體（比如樹木）時的保護效果非常明顯。依據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）發(fā)布的數(shù)據(jù)，車門防撞梁在 2002 年拯救了994 名事故受害者。車門防撞梁的形狀：一般分為管狀和帽形兩種；日韓車常用管狀車門防撞梁（一般情況下兩端有支架，用于連接固定防撞梁與車門，而歐美車門常用帽形防撞梁，一般直接焊接在車門上） ；管狀防撞梁主要是圓管，也有矩形管、梅花形管、橢圓形管等，這要綜合考慮許多因素，如車門內部空間，吸能設計等；而帽形防撞梁主要有單帽形狀（U 形）和雙帽形狀（m 形） ；車門防撞梁的布置方式：最常見的是對角線布置方式，也有垂直布置的。車門防撞梁的吸能效果主要與以下幾個因素有關：a)結構設計——這是最重要的一點，一般來說，帽形防撞梁的吸能效果比管狀防撞梁好；另外，雙帽形結構一般比單帽結構要好；當然，還有帽形結構的高度，與A/B/C 柱、車門檻等的匹配等都至關重要；b)材料的強度——人們通常以為里面的管子是普通水管之類的，其實不然；一般日韓車中所用的管子抗拉強度高達 1400-1570MPa（目前有些國內品牌車是用的較為普通的管子） ，是普通管子強度的 4 倍以上；而歐美車中常見的帽形防撞梁的抗拉強度一般為 1000-1600MPa；c)材料的厚度——當然是材料越厚，吸能效果越好（不考慮與 A/B/C 柱、車門檻的匹配） ，吸能效果與材料的厚度成正比。13圖 2.10 Y 型防撞梁結構示意圖 2.10 為 Y 型側門防撞梁，采用特殊材料的鋼材，大大提高了車門的抗扭性，保證了駕乘人員的安全。4)內外板加強板一般車門鈑金結構中都有內外板加強板，起到增加車門內外板在窗框處的剛性的作用，同時也可以作為正面碰撞時的力的傳遞途徑之一，將作用在門框上的力合理地向后傳遞。當然也有的車中取消了該加強板，如圖 2.11、圖 2.12 所示。圖 2.11 車門外板加強板圖 2.12 車門內板加強板5)鉸鏈支座車門鉸鏈支座是安裝在車門內板上的鉸鏈座凸焊螺母的安裝載體，通常形狀簡單，板材比較厚，如圖 2.13 所示。14圖 2.13 鉸鏈支座6)車門窗框單獨對于窗框而言，我們可以簡單分為幾大類：與內外板同體式窗框、一體閉合式窗框、多體式窗框、滾壓窗框，如圖 2.14 所示。圖 2.14 窗框結構型式與內外板同體式窗框在很多的小型車中有比較普遍的應用，結構簡單，窗框由于與車門內外板一體，所以剛性較好，工藝性也比較容易控制，缺點是材料利用率低；一體閉合式窗框由于窗框結構閉合式，所以結構剛性好；多體式窗框在一些較早的車型上出現(xiàn)，成型工藝簡單，但是裝配誤差不容易控制。滾壓窗框（如圖 2.15 所示）的滾壓截面較為復雜，而且歐美日德的結構各不相同，如很多日系車沒有 belt pnl，即窗框加強板，前后兩個腳沒有加強板連接，剛度和安全性都不太好；歐美系車大多數(shù)車窗框都帶有加強板窗框。滾壓窗框一般要經過滾壓、拉彎或扭彎、沖切、點焊或氬弧焊（焊接總成） 。一般后門獨立窗框的滾壓件較難，因為大多數(shù)車型在 C 柱有很大的彎曲弧度，超過 90度，有的是分成兩件滾彎，再焊接，容易造成焊接面的面差，批量生產難以滿足；有的是一道彎曲，但是受材料流動和成型工藝控制影響，會有縮頸或擴口，修整調整模具也很難解決問題，除非更改造型或更換材料。15(a) 窗框（滾壓）(b) 窗框安裝支架 1(c) 窗框安裝支架 216(d) 玻璃導槽圖 2.15 滾壓窗框2.3.2 車門機能件車門機能件包括車門鎖、車門外手柄、車門內手柄、車門玻璃、玻璃升降器、車門限位器、車門鉸鏈等。1)車門鎖一個完整的汽車門鎖系統(tǒng)必須能實現(xiàn)內開啟、外開啟、內鎖止保險、外鎖止保險及鎖緊車門的功能，因此汽車門鎖是一個結構復雜、功能要求多的組合系統(tǒng)。門鎖看成是由多個構件組成的運動鏈系統(tǒng)，應用機構運動簡圖測繪法畫出在鎖緊狀態(tài)的機構運動簡圖，如圖所示，從而為機構的結構分析、運動分析及力分析提供依據(jù)。從圖2.16中可以清楚地看出整個車門鎖有如下幾部分機構組成：(1) 鎖緊機構部圖 2.16 鉤簧鎖結構圖17分，即圖中鎖鉤20、擋塊兒組成的機構，當關閉車門時，鎖鉤從擋塊兒的開口方向進入帶動鎖鉤擺動至圖示的嚙合狀態(tài)，實現(xiàn)鎖緊動作；(2) 外開啟機構部分為外拉式手柄，是一鉸鏈四桿機構，原動件是外開啟手柄；(3) 內開啟機構部分，由構件11等機架組成，為一空間四桿機構，內開啟手柄與擺桿的運動處在兩個相互垂直的平面內，原動件是內開啟手柄。 門鎖是重要的安全件。由兩個零件構成，一個零件固定在車門上，另一個零件固定在車身上，通過門閂阻止車門向外打開，通過簡單的杠桿運動或壓撳按鈕的動作將它們脫開。門鎖作為汽車車身上使用最頻繁的部件之一，具有功能性和裝飾性的雙重作用。隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對門鎖的安全性、輕便性、車門關閉和開啟無聲、美觀等方面不斷提出新的更高的要求，促使大量新型門鎖產生，如圖 2.17所示。車門鎖的基本作用有兩點：其一是栓緊作用。門鎖必須工作可靠，在正常關閉車門后，除非轉動或拉車門手柄，以及按鈕等正常操作，否則用其它外力不能打開車門，因而在汽車行駛時不會因振動和沖擊使車門打開。其二是防止外人侵入的鎖緊作用。車門鎖的性能要求：1)易于制造，成本低；2)車門開啟與關閉應輕便、靈活；3)磨損小，以保證足夠的使用壽命；4)工作可靠，門鎖必須可靠地將車門鎖緊，在汽車行駛時車門不允許自動打開；5)操縱內、外手柄時車門能輕便地打開；6)設有鎖止機構。當鎖止時，如按下鎖鈕或外手柄處于鎖止狀態(tài)時，搬動車門內、外手柄，不能打開車門。在車外只有使用鑰匙才能打開車門，在車內只有先拉起鎖止按鈕才能打開車門；7)當車門開著，鎖止按鈕按下時，此時關閉車門撞動鎖爪，即可通過聯(lián)動桿來解除鎖止狀態(tài)，同時可以防止由于鑰匙遺忘在車內而打不開車門；8)當車門處于全鎖緊狀態(tài)時，車門鎖能經受一定的縱向載荷、橫向載荷和沖擊慣性力的作用，從而不因汽車碰撞、翻車、顛簸而使門鎖失靈。根據(jù)車門鎖的結構類型，門鎖按其結構大致可分為舌式、棘輪式和凸輪式。舌式鎖結構簡單，安裝容易，易于制造，對車門的安裝精度要求低，常見于載荷汽車和大客車，如 CA15、EQ140、NJ130 等。但由于彈簧力大，操縱笨重，不能承受縱向載荷，僅能承受開門方向的載荷，故現(xiàn)已在汽車上淘汰。18棘輪式門鎖的特點是鎖內有一套制楔機構，它由鎖鉤(棘爪)、棘輪組成。按門腔外部的鎖拴與門柱上的擋塊形式不同，又可分為轉子鎖和卡板鎖。在選擇門鎖時，應考慮新車型及使用條件，對于輕型客車，一般在較好的路面上行駛，并且制造條件也較好，故可選用操縱輕便的轉子鎖和卡板鎖。對于越野車，主要是在不平路面上行駛，道路條件不好，主要考慮可靠性，可選卡板鎖。對于載貨車，除了滿足門鎖的一般要求外，應選用工藝簡單，成本低的結構。圖 2.17 車門鎖系統(tǒng)所設計的車門鎖機構如圖 2.18 所示。圖 2.18 車門鎖機構2)車門內外手柄外手柄有旋轉式、掀拉式、按鈕式、手摳式等。旋轉式外手柄結構簡單，零件數(shù)量少，但手柄易歪斜，脫落，影響汽車外形美觀。按鈕式外手柄結構可靠，零件數(shù)稍多，同時當車門鎖開啟力大時，手指明顯有開啟沉重感。掀拉式外手柄平時隱藏在車門外板內，不易被碰壞，但轉軸易壞。手摳式外手柄是近年來出現(xiàn)的新款式，可以安裝的與外板齊平，使其不產生危險性，也有利于減小空氣阻力。門鎖的內手柄有旋轉式、掀拉式、按鈕式和手摳式。從安全考慮，最好內手柄布置在車門內飾里或扶手下面不易碰到的位置。手摳式內手柄就是凹進車門內板之內而與內飾板平齊，外觀漂亮，19不會碰開車門，安全可靠。所設計車門外手柄如圖 2.19 所示。圖 2.19 車門外手柄所設計車門內手柄如右圖 2.20 所示。圖 2.20 車門內手柄3)車門玻璃目前幾乎所有車門玻璃都采用鋼化曲面玻璃。曲面玻璃在轎車上得到了廣泛的應用，曲面玻璃可以有效的利用車內空間，減少車門厚度，并且外形美觀，使車身更趨于流線型，車室內的寬度也有所增大。但曲面玻璃在制造上有一定的難度，并且在升過程中容易發(fā)生卡滯，一般將曲面玻璃的球面弦高控制在 4mm 以下。轎車車門玻璃面主要分為五種類型：a)圓柱面玻璃——這種玻璃生產的工藝比較簡單，但是對整車的造型美觀方面影響；20b)斜圓柱玻璃——在布置玻璃圓斷面方向時盡可能與玻璃導槽的方向一致，這導槽的模擬就是一個圓，玻璃的升降布置比較順暢；c)圓環(huán)面玻璃——這種玻璃的滑槽的設計相對比較簡單一些，因為切出來的曲的曲率變化相對較??； 0第 1 章 緒 論1.1 行業(yè)概述隨著汽車技術的發(fā)展，汽車的舒適性不斷提高以滿足人們的要求。汽車車門是車上相對獨立的總成，車門設計不但關系到汽車的實用性，對汽車也有很大的裝飾作用。因此車門的設計也越來越講究，而且使用越來越多的網絡和電控技術。從 1957 年新中國的第一輛汽車正式生產下線，中國汽車在 20 世紀中期經歷了漫長的緩慢發(fā)展階段，在經過 2003 年和 2006 年的兩輪爆發(fā)式增長后，開始步入平穩(wěn)增長階段。2009年嚴峻的宏觀經濟形勢下，中國汽車行業(yè)的發(fā)展面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機遇，同時也受到來自各個方面的沖擊。中國要想從汽車制造大國發(fā)展成為汽車產業(yè)強國，就必須在汽車產品的研發(fā)上取得突破。歐美日的汽車企業(yè)之所以能夠如此強勢，與他們幾十年甚至上百年的技術革新與經驗積累是分不開的，翻開他們汽車產業(yè)發(fā)展的歷史，我們都能夠清晰的感受到他們相同的企業(yè)發(fā)展脈絡：明確的市場定位，堅定不移的技術研發(fā)，引領潮流的戰(zhàn)略方向，這一切，做足了他們的原始積累。我們的起步盡管有些晚，但是汽車產業(yè)作為中國經濟的支柱產業(yè)之一，近年來在技術研發(fā)上的投入力度明顯增加，從過去的汽車產品進口到產品引進生產再到技術轉化，近幾年來更是直接的技術引進、并購國外先進的汽車企業(yè)，中國的汽車技術如雨后春筍般迅猛發(fā)展。車門是整個車身中結構復雜又相對獨立的一個總成,它主要由車門骨架及蓋板、車門護面、門窗、車門玻璃及玻璃升降器、門鎖及其手柄、車門鉸鏈、車門密封條和車門開關機構組成。車門是汽車車身設計中的一個相對獨立的零部件。在車門設計中其安全性尤為重要，它必須保證在車輛發(fā)生碰撞時，盡可能地減少對行人和乘員造成的傷害，因此必須要求車門外覆蓋件表面光潔、有韌性；門鎖、門鉸鏈以及車門門體必須能夠按照 A 柱一 B 柱一 C 柱的路線傳遞碰撞沖擊力；碰撞后的車門必須能夠輕松地不借助于任何輔助工具用手打開。鑒于側面碰撞對乘員造成的危險性，在設計車門時注意將車門的變形限制在一定范圍內，為乘員提供一個有效的生存空間。這些都要求車門必須具備足夠的強度和剛度。在汽車車身設計的過程中，車門總成的布置設計除與整體設計有著協(xié)調配合關系外，可稱的上是一個相對獨立的，最具有代表性的車身總成設計。它不僅要與整車造型協(xié)調一致，還要保證必要的開度，方便上下車，良好的安全性，穩(wěn)定的操縱性，密封性，工藝性，足夠的強度剛度，以滿足功能上的要求。因此車門的設計成為車身設計中的一個重要環(huán)節(jié)。1生產廠家為了能在市場競爭中立于不敗之地，就必須提高產品質量，降低生產成本，縮短產品的開發(fā)周期，提高勞動生產率，所有這些迫使設計者不斷地尋求智能化的設計工具和先進的設計方法。本課題的研究內容就是在這樣的情況下產生的。1.2 基于流程與知識的轎車車門布置的背景與意義1.2.1 汽車行業(yè)的背景如今汽車產品的更新?lián)Q代速度很快，而每一款汽車的設計作為一個系統(tǒng)的工程，是相對獨立的過程，很多跨國汽車公司早在幾十年前就已經打破了這種相對的獨立，將設計的每一個過程凝練提升，形成一個個模塊，按照系統(tǒng)的方法組織起來，定義為汽車設計流程。在以后的新車設計中，將每一個過程融入了這種既定的設計模式，按部就班地推進，控制著汽車的每一個非常詳細的設計過程，從而順利高效地完成設計。在國內，一汽、二汽、上汽等大的汽車企業(yè)集團都已經建立起了比較完善的產品設計流程，在國內愈演愈烈的汽車產品競爭中，這些企業(yè)的產品競爭力有著明顯的優(yōu)勢，產品更新速度快，質量可靠，深得用戶的信賴，可見研發(fā)流程的建立對企業(yè)的重要意義。伴隨著汽車車身造型的設計與修改要求日趨增高，參數(shù)化設計更符合和貼近現(xiàn)代CAD 中的概念設計和并行設計思想，并可提高設計與分析的柔性，因此車身模型的參數(shù)化設計經成為車輛制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。參數(shù)化設計是以一種全新的思維方式來進行產品的創(chuàng)和修改設計的方法[1]。目前傳統(tǒng)的手工造型方法已被建立在各種先進的造型建模軟件基礎上的計算機輔助造型方法所取代，參數(shù)化設計技術能夠快速吸收國外汽車車身設計的先進技術，快速響應市場，提高我國自主設計開發(fā)汽車的能力，提高汽車產品競爭能力。1.2.2 計算機輔助設計在汽車工程技術領域的應用自從上世紀 70 年代，隨著計算機輔助幾何設計和計算機圖形學的迅速發(fā)展，車身設計過程中部分或全程引入計算機輔助系統(tǒng)(CAD/CAM 軟件)，在計算機中構建車身三維數(shù)字化模型，以“ 所見即所得 ”的交互方式完善設計方案，是現(xiàn)代車身設計方法的主要特點。其基本流程：經過市場調研，形成車型的整體要求；制作手繪效果圖，也可利用計算機輔助軟件繪制；制作縮比例模型及 1:1 主模型；以三坐標掃描或激光掃描的方式在計算機中構建車身數(shù)字模型；進行結構設計，構建 A 級模型；生成 NC代碼，生產樣車。在計算機中不但可以對車身外觀及內飾建立數(shù)字模型，而且可以對發(fā)動機、底盤等其它零部件建立模型，并直接進行有限元分析、結構設計/分析、甚至虛擬裝配、虛擬風洞試驗等，使得設計人員可以在計算機中構建虛擬的電子樣車并進行試驗，能2在實際生產前預先發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，提高了效率，降低了成本。通常各零件模型分類存放在大型數(shù)據(jù)庫中，以后對車型做改進時可直接到數(shù)據(jù)庫中匹配類似的零部件，修改其相關參數(shù)即可滿足要求，無需重新設計，非常有利于車型的系列化，生產商應對迅速變化的市場的能力也強得多。現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車設計以及工藝設計的要求越來越高，但是相對越來越低的生產與設計成本、大大縮短的設計周期，要求對汽車設計的結構優(yōu)化、鈑金成型以及 NVH 的研究在設計過程中就應該介入，傳統(tǒng)的后期介入會浪費大量的費用，設計周期很長，這在愈發(fā)激烈的市場競爭中已經逐步淘汰。軟件工具的應用使設計中期的分析工作開展成為可能。1.2.3 基于知識工程的汽車設計的發(fā)展人工智能技術，特別是專家系統(tǒng)的技術與現(xiàn)有的、傳統(tǒng)的 CAD 技術相結合開發(fā)一些專用的 CAD 軟件和程序模塊是今后 CAD 發(fā)展的必然趨勢。知識工程（KBE，Knowledge Based Engineering）是人工能領域的一個重要分支，它研究的主要內容包括知識的獲取、知識的表達知識庫的構造、知識的自動獲取和更新等，其核心是如何運用知識來解問題。知識工程實質上是突破了簡單的邏輯運算，把經驗和推理合起來，將邏輯思維和形象思維結合起來，實現(xiàn)計算機的智能化。KBE系統(tǒng)存儲產品模型包含幾何、非幾何信息以及描述產品如何設計、分析和制造的工程準則。知識工程是研究知識信息處理的學科，提供開發(fā)智能系統(tǒng)的技術，是人工智能、數(shù)據(jù)庫技術、數(shù)理邏輯、認知科學、心理學等學科交叉發(fā)展的結果。KBE 系統(tǒng)將重復的設計和工程任務自動化，縮短了產品開發(fā)時間，將設計、分析、制造集成起來實現(xiàn)并行工作。使用 KBE 建立模型可以將幾何造型與分析等結合起來，實現(xiàn)多學科優(yōu)化，并確切地進行可行性評估，應用標準和實踐經驗來提高產品的質量，對設計實踐、過程經驗等知識信息進行數(shù)字化獲取和重用，從而提高自動化過程的效率。1.2.4 車門設計的流程化道路車門是汽車車身結構中重要的組成部分，同時相對獨立，是供乘員或貨物進出的必要通道。車門設計的好壞直接影響到整車的造型效果、安全性、密封性、視野、噪聲控制以及乘坐空間等諸方面的優(yōu)劣。車門主要由車門內外板、內飾板、加強梁、加強板、車門玻璃及升降器、門鎖、內外手柄、車門鉸鏈、限位器、車門密封條和車門開關機構組成。車門從布置到設計再到制造，每一個環(huán)節(jié)考慮的因素都比較多，既要保證車門與整車的協(xié)調一致，還要保證車門本身的技術要求。很多時候，各個環(huán)節(jié)是一個循環(huán)反復的過程，造成了傳統(tǒng)3的車門設計難度與周期很長。車門設計必須走流程化的道路，并且要利用先進的計算機平臺做早期的判斷分析、循環(huán)優(yōu)化，是目前我們公司正在努力探索的一個方向。車門結構分析的早期介入，可以及早解決因結構設計不合理造成的機能件運動干涉、鈑金成型性差、總成的振動特性無法滿足整車 NVH 的需要，避免后期修改造成的資金與時間上的大量浪費。隨著計算機技術快速發(fā)展，結合知識工程，各大汽車公司紛紛建立了自己的研發(fā)流程，確立了現(xiàn)代設計方法在汽車領域的主導地位。長期以來，車門設計一直是一個難點，現(xiàn)代設計方法的應用，使得車門設計的后期分析可以提前到設計過程中進行，使設計的難度降低。車門設計兼顧的方面多、初期布置復雜、需要有豐富的知識與經驗，基于流程與知識的車門布置很好的解決了這個問題。所以本課題以某款新車的開發(fā)為例，在該領域做一些研究是很有意義的。1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀早于七、八十年代，國外大型汽車公司已建立了相當規(guī)模成套的 CAD、CAE 和CAM 等計算機輔助系統(tǒng)，使得車身設計方法發(fā)生了根本性的變革，運用三維“CAD/CAM”技術替代了以“主圖板，主模型” 為主的傳統(tǒng)設計方式。CAD 是一種技術，其中人與計算機結合為一個問題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應用多學科方法的綜合性協(xié)作提供了可能。日本豐田公司很早就引進了 CAD 系統(tǒng)，并且在初步升級改善。美國福特公司從 1967年就開始開發(fā)車身設計 CAD 系統(tǒng)，目前百分之八十以上的設計由 CAD 完成，大大降低了產品成本，提高了產品的生產能力。美國通用汽車公司在 1988 年投資千萬美元完成了以三維 CAD 系統(tǒng) UG 為核心的 CAD/CAM/CAE/CIM 的 4C 集成化工程，達到信息流暢，公司的轎車和概念車的開發(fā)試制時間由五年縮短到兩年，設計階段從24 個月縮短到 14 個月，一些零部件的設計從六個月縮短到一個月。我國各大汽車公司近幾年來紛紛引進了先進的 CAD/CAM/CAE 軟件用于汽車車身設計和開發(fā)，并取得較好的成果。一汽，東風汽車公司在八十年代就開始在車身設計方面研究與應用CAD/CAM 技術。另外在 CAE 領域也取得了不少成績。電子樣機（DMU：Digital Mock-Up）技術主要是指在計算機平臺上，通過三維CAD/CAE/CAM 軟件，建立完整的產品數(shù)字化樣機，組成電子化樣機的每個部件除了準確定義三維幾何圖形外，還賦有相互間的裝配關系、技術關聯(lián)、工藝、公差、材料等信息，電子樣機應具有從產品設計、制造到產品維護各階段所需的所有功能，為產品和流程開發(fā)提供一個平臺的電子樣機功能由專門的模塊完成，從產品的造型、上下關聯(lián)的并行設計環(huán)境、產品的功能分析、產品瀏覽和干涉檢查、信息交流、產品可4維護性分析、產品易用性分析、支持虛擬實現(xiàn)技術的實時仿真、多 CAX 支持、產品結構管理等各方面提供了完整的電子樣機功能，能夠完成與物理樣機同樣的分析、模擬功能，從而減少制作物理樣機的費用，并能進行更多的設計方案驗證。電子樣機技術在現(xiàn)代汽車業(yè)中的應用越來越廣泛，正在逐步取代物理樣機用于多方面的研究。DMU 主要有以下功能和特點：1)與 CAX 系統(tǒng)完全集成，并以“上下關聯(lián)的設計” 方式作業(yè)。2)提供強大的可視化手段，除了虛擬顯示和多種瀏覽功能，還集成了 DMU 漫游和截面透視等先進手段。3)具備各種功能性檢測手段，如安裝/拆卸、機構運動、干涉檢查、截面掃描等。4)具有產品結構的配置和信息交流功能。由于電子樣機（DMU）技術加強了設計過程中最為關鍵的空間和尺寸控制之間的集成，在產品開發(fā)過程中不斷對電子樣機進行驗證，大部分的設計錯誤都能被發(fā)現(xiàn)或避免，從而大大減少實物樣機的制作與驗證。AutoForm 軟件包是 AUTOFORM 工程有限公司包括瑞士研發(fā)與全球市場中心和德國工業(yè)應用與技術支持中心推出的板料成形模擬軟件包。它將來自世界范圍內的許多汽車制造商和供應商的廣泛的訣竅和經驗融入其中，并采取用戶需求驅動的開發(fā)策略，以保證提供最新的技術?？梢詭椭Y構設計人員方便地求解各類板料成形問題，同時，AutoForm 也最大限度地發(fā)揮了傳統(tǒng) CAE 技術的作用，減少了產品開發(fā)的成本和周期，目前世界上大多數(shù)大汽車公司都已經將鈑金成形模擬作為結構設計的必有過程，避免了鈑金模具的后期修改問題。我國汽車行業(yè)經過十多年努力和發(fā)展，CAD 技術、專家系統(tǒng)、知識庫技術等新興技術在我國汽車行業(yè)的應用已取得很大的進步，但由于起步較晚，車身技術與國外汽車公司相比還有很大的差距，國內各汽車公司普遍存在設計效率低下、后期問題難以預測的問題。加大 CAD/CAM/CAM 軟件在汽車開發(fā)中的應用力度，并且結合汽車設計的專業(yè)經驗總結一些面向汽車設計的專業(yè)設計流程以幫助設計人員提高產品的開發(fā)效率和質量，是縮短我國與國外汽車設計水平的差距，早日實現(xiàn)我國轎車自主開發(fā)能力的有效措施之一。國外各大汽車和設計公司積累了幾十年的轎車車身開發(fā)經驗，形成了較完善的數(shù)據(jù)庫和設計規(guī)范。筆者曾親身體驗過豐田公司的設計檢查卡（CHECKLIST）與德國大眾公司的對標數(shù)據(jù)庫，在每一個細節(jié)，總括了在該領域的各種車型的經驗數(shù)據(jù)與經驗值，詳盡嚴密地表述出設計流程。經過整理的知識庫就像一個專家委員會，指導設計師的工作，引導設計師進行每一步設計，指出所選擇的尺寸和參數(shù)的界限，并驗證5所設計的結構是否合理，及時糾正設計中出現(xiàn)的錯誤，使設計師避免誤入歧途和返工，絕對不會因經驗不足和考慮不周而造成嚴重疏忽。有了這樣的數(shù)據(jù)庫，設計時就能對自己不熟識的內容信心百倍，并可迅速獲得設計結果而且確信它是正確的，因為該設計是由綜合的知識庫創(chuàng)造出來的，其中包含了寶貴的專家知識和設計知識的法規(guī)、規(guī)則。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，消費者的消費觀念更趨理性，對汽車的需求偏好也逐步發(fā)生變化、升級，由于國內消費者換車周期的大幅縮短，使得汽車的更新?lián)Q代也加快了。汽車設計技術及手段的不斷發(fā)展，特別是以計算機技術為核心的現(xiàn)代工程技術方法的飛速進步，日益成熟的 CAD/CAE/CAM 一體化產品開發(fā)技術在轎車車身設計領域得到廣泛應用。汽車設計方法正逐步由傳統(tǒng)的設計方法，向著以大大縮短產品開發(fā)周期和提高產品設計精度為目標的現(xiàn)代設計方法轉變。國內外成熟的計算機技術結合汽車行業(yè)日漸成形的汽車模塊化思想，為我們在實際設計過程中縮短開發(fā)周期與提高工作效率奠定了基礎，縱覽以上，我們有必要建立一套全面的設計流程。1.4 本課題的研究內容本課題研究是以威馳汽車開發(fā)項目為依托、以 CAD 為軟件平臺，在開發(fā)過程中從造型數(shù)據(jù)模型確立，到前車門各個機能件選型，結構布置，直到結構設計完成，并結合工藝、工裝的設計驗證，建立起一套完善的車門設計解決方案。6第 2 章 車門設計2.1 車門參數(shù)化設計技術汽車車門的參數(shù)化設計方法，是通過參數(shù)化設計采用幾何約束控制產品形狀的幾何特征，改變約束可迅速獲得不同的設計結果，提高設計效率，有助于減輕設計人員的工作強度。參數(shù)化設計技術是當前 CAD/CAM 系統(tǒng)的研究熱點之一，主要是通過改動圖形某一部分或某幾部分的尺寸，自動完成對圖形中相關部分的改動，從而實現(xiàn)對圖形的驅動，只需要根據(jù)某些具體的條件和參數(shù)來決定產品某一結構形式下的結構參數(shù)，從而設計出不同規(guī)格的產品。參數(shù)化設計可以提高產品的設計效率，有效保證產品模型的安全可靠性，極大地改善設計的柔性，并在概念設計、動態(tài)設計、實體造型、裝配、公差分析、機構仿真、優(yōu)化設計等領域發(fā)揮著重要的作用。參數(shù)化設計的關鍵是幾何約束關系的提取和表達、約束求解以及參數(shù)化幾何模型的構造。它允許尺寸欠約束的存在，設計者可以采用先形狀后尺寸的設計方式，優(yōu)先考慮滿足設計要求的幾何形狀而暫不用考慮尺寸細節(jié)，設計過程相對寬松。在車門設計的布置設計階段，產品的內部機能件主要位置、結構細節(jié)難以具體化，設計師關心的是產品的基本結構、主要尺寸關系，因此無法采用具體尺寸繪圖設計。參數(shù)化計系統(tǒng)可以在布置設計過程中通過捕捉模型中存在的關系及其定義的參數(shù)化的位置點來捕捉機能件的位置，同時也允許對零件進行反復地編輯，允許用戶試探不同的設計方案或生成不同的位置版本和零件版本，對位置的編輯可以簡單地通過改變草圖的關系來完成，如在鉸鏈布置時，通過改變幾個不同方向上的草圖上的幾個點，然后進行重新計算，就可以完成新的設計，非常簡便。2.2 車門的結構類型一般來講，乘用車車門分為帶窗框車門和無窗框車門（Frameless GlassConstruction，多見于高檔跑車，俗稱硬頂車）兩大類，其中帶窗框車門又可以分為整體式（Full Stamped Inner and Outer Panel Construction，即內外門板帶著窗框部分一起沖壓成型）和獨立窗框（Loose Upper Frame Construction，即窗框部分與窗口線以下的內外板分別成型）兩大類，如圖 2.1 所示。實際上車門還可以做更細致的區(qū)分，現(xiàn)在按照以下分類對各個類型的優(yōu)缺點略做7評述。2.2.1 無窗框車門（Frameless Glass）優(yōu)點：造型前衛(wèi)時尚，且外觀上各處配合對消費者很是養(yǎng)眼；因為沒有窗框部分的金屬板材，內外板沖壓成型不必考慮此處廢料損失，可將廢料率降至最低；左右內（外）板可以在一個模具中成型；該類型車門具備整形能力。缺點：窗玻璃的穩(wěn)定性差（當玻璃在 full up 位置時，至少在門肚子里留有露出部分的三分之一長度，否則容易失穩(wěn)） ；門肚子里需要有額外的支架來保持玻璃的穩(wěn)定性；當然這些都會增加產品成本，而且造成門密封性先天不足，為了改善其密封性，不得不花更多代價；除此之外，車身腰線（Belt line）也被抬高。2.2.2 獨立窗框式車門（Loose Upper Frame）優(yōu)點：廢料率同樣能降至最少；左右內（外）板可以在一個模具中成型；該類型車門具備整形能力；門質量好。缺點：可裝配性差，會產生匹配上的這樣那樣的問題（諸如 gap、flush 等等） ；限制了主密封樣式的選擇范圍，而且也存在密封性差的潛在問題。2.2.3 內、外板整體沖壓成型式車門1)外板整體沖壓成型式車門（Full Stamped Inner and Outer Panel）－窗框部分進入到車頂區(qū)域（into roof，從外觀看，就是車門上部有面共享了車頂面） 。優(yōu)點：結構剛性好，密封性好，在整條 J－Line（就是指車門在關閉時，車門上與車身接觸的密封條區(qū)域，總裝車間一般稱為“頭道” ，或者“頭條”）上可以作出對結構有利的拔模斜角。缺點：廢料多；增加了密封成本：如沿著車頂與車門邊的密封，沿著風窗與車門邊的密封；不具備整形能力。2)內、外板整體沖壓成型式車門（Full Stamped Inner and Outer Panel）－窗框部分側向暴露（exposed on side，相對于上面類型） 。2.2.4 窗框內藏式車門（Frame Under Glass）該類型又可以分為兩類：一類是門內板整體沖壓（Full Stamped Inner） ，質量與密封性都好，而且 J-line 的工藝性拔模也可以做，外觀當然極像無窗框式車門的新穎前衛(wèi)；但是內板仍然要產生8許多廢料，密封性有待改善。整體沖壓的內板剛度大，免去焊接的麻煩，尺寸精度高。另一類是獨立窗框（Loose UPR Frame）廢料率低，質量也好，左右內（外）板可以在一個模具中成型，外觀優(yōu)勢同上。但凡獨立窗框，裝配時產生的問題是無法避免的，而且因為滾壓的窗框，使得密封形式的選擇有限，會導致潛在的密封性能問題。圖 2.1 車門結構型式所設計車門總裝圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 車門總裝圖2.3 車門的基本構成車門基本構成分為鈑金件、機能件、密封件、裝飾件與電器線束件五大類，下面9分別說明。本設計采用分體式車門結構，外板上集成窗框，內板與車門框架集成一體，外、內板之間焊接連接。車門附件均參照現(xiàn)有成熟結構進行設計，設計的具體部件包括：鉸鏈、限位器、后視鏡、外板、內板、門鎖、門玻璃、玻璃升降器、防撞梁及密封等。2.3.1 車門鈑金車門鈑金一般分為車門外板、內板、外板加強板、防撞梁、內板加強板、鉸鏈加強板、鎖加強板、鉸鏈支座、窗框（如果為滾壓窗框） 、窗框安裝支架、玻璃前后導槽、導槽安裝支架等，如圖 2.3 所示。圖 2.3 車門鈑金總成1)車門外板車門外板是汽車覆蓋件中極為重要的部件之一,是車身上的活動部件,對其剛性及表面質量要求很高;它是典型的具有復雜型面的大型板料沖壓件。一般對車門外板的質量要求高：外觀表面光順平滑,棱線清晰,周邊尺寸精度 0.7mm,剛性好。由于門外板是一種平坦淺拉延件。成形時凸模表面與毛坯以大平面接觸,由于平面上的拉應力很低,材料得不到充分的塑性變形，所以車門外板剛性差，一般選擇外板材料時，考慮硬質板材，如圖 2.4 所示。車門外板和內板的裝配，一般采用點焊、粘接及咬合等方法。10圖 2.4 車門外板如圖 2.5 所示，車門外板采用強度適當、沖壓性能好的薄鋼板材料（厚度為 1 mm）經沖壓、輥壓等工藝制成。因車門外板是車身外表面件，中部不應該有焊點，以免影響外觀質量，這樣外板中部剛度就差，行車時易產生振動噪音，因此必須對外板剛度進行加強，采取的措施有：在外板內側粘貼磁性瀝青板；設計加強梁，與外板柔性粘接。所設計車門外板如圖 2.6 所示。圖 2.6 車門外板2)車門內板內板是車門附件主要的安裝機體，許多主要受力件均安裝在內板上，如鉸鏈、限位器、門鎖等，為增加連接部位強度和剛度，使附件正常工作，須在連接部位設置加強板。圖 2.5 外板的剛度加強11車門內板是車門中所有主要部件的安裝載體，其結構形狀的構建也是我們本課題研究的重點之一。在車門靠近車身 A、B 柱一側，由于需要考慮車門的下沉及鉸鏈等結構的安裝此處剛度和強度要求較高，為此這一部分鋼板厚度為 1.6mm 或 1.4mm 的高強板，其余部分采用了 0.7mm 的鋼板，這樣在保證車門內板必要的剛度和強度性能時又能減輕質量，降低成本，如圖 2.7 所示圖 2.7 車門內板（左側 a：高強板，用于鉸鏈加強板，右側 b：一般材料）鉸鏈加強板的型式多樣，一般根據(jù)性能與成本的需要來選擇，如圖 2.8 所示。圖 2.8 鉸鏈加強板型式所設計車門內板如圖 2.9 所示。圖 2.9 車門內板123)車門防撞梁車門防撞梁（桿） （Side Impact Beam,Door Beam） ，也叫側門防撞梁（桿） ，是指在車門內部結構中加上橫梁（從外面看不到） ，用以加強車輛側面的結構，進而提高側面撞擊時的防撞抵抗力，以提升側面的安全?；趥让孀矒舻母怕?，消費者在選購車子的時候，一定把防側撞鋼梁這一項重要的安全配置考慮進去，如圖 2.6 所示。車門防撞作為一種額外吸能保護，可以降低乘員可能遭受的來自外部的力量。事實證明，車門防撞梁在車輛撞擊固定物體（比如樹木）時的保護效果非常明顯。依據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）發(fā)布的數(shù)據(jù)，車門防撞梁在 2002 年拯救了994 名事故受害者。車門防撞梁的形狀：一般分為管狀和帽形兩種；日韓車常用管狀車門防撞梁（一般情況下兩端有支架，用于連接固定防撞梁與車門，而歐美車門常用帽形防撞梁，一般直接焊接在車門上） ；管狀防撞梁主要是圓管，也有矩形管、梅花形管、橢圓形管等，這要綜合考慮許多因素，如車門內部空間，吸能設計等；而帽形防撞梁主要有單帽形狀（U 形）和雙帽形狀（m 形） ；車門防撞梁的布置方式：最常見的是對角線布置方式，也有垂直布置的。車門防撞梁的吸能效果主要與以下幾個因素有關：a)結構設計——這是最重要的一點，一般來說，帽形防撞梁的吸能效果比管狀防撞梁好；另外，雙帽形結構一般比單帽結構要好；當然，還有帽形結構的高度，與A/B/C 柱、車門檻等的匹配等都至關重要；b)材料的強度——人們通常以為里面的管子是普通水管之類的，其實不然；一般日韓車中所用的管子抗拉強度高達 1400-1570MPa（目前有些國內品牌車是用的較為普通的管子） ，是普通管子強度的 4 倍以上；而歐美車中常見的帽形防撞梁的抗拉強度一般為 1000-1600MPa；c)材料的厚度——當然是材料越厚，吸能效果越好（不考慮與 A/B/C 柱、車門檻的匹配） ，吸能效果與材料的厚度成正比。13圖 2.10 Y 型防撞梁結構示意圖 2.10 為 Y 型側門防撞梁，采用特殊材料的鋼材，大大提高了車門的抗扭性，保證了駕乘人員的安全。4)內外板加強板一般車門鈑金結構中都有內外板加強板，起到增加車門內外板在窗框處的剛性的作用，同時也可以作為正面碰撞時的力的傳遞途徑之一，將作用在門框上的力合理地向后傳遞。當然也有的車中取消了該加強板，如圖 2.11、圖 2.12 所示。圖 2.11 車門外板加強板圖 2.12 車門內板加強板5)鉸鏈支座車門鉸鏈支座是安裝在車門內板上的鉸鏈座凸焊螺母的安裝載體，通常形狀簡單，板材比較厚，如圖 2.13 所示。14圖 2.13 鉸鏈支座6)車門窗框單獨對于窗框而言，我們可以簡單分為幾大類：與內外板同體式窗框、一體閉合式窗框、多體式窗框、滾壓窗框，如圖 2.14 所示。圖 2.14 窗框結構型式與內外板同體式窗框在很多的小型車中有比較普遍的應用，結構簡單，窗框由于與車門內外板一體，所以剛性較好，工藝性也比較容易控制，缺點是材料利用率低；一體閉合式窗框由于窗框結構閉合式，所以結構剛性好；多體式窗框在一些較早的車型上出現(xiàn)，成型工藝簡單，但是裝配誤差不容易控制。滾壓窗框（如圖 2.15 所示）的滾壓截面較為復雜，而且歐美日德的結構各不相同，如很多日系車沒有 belt pnl，即窗框加強板，前后兩個腳沒有加強板連接，剛度和安全性都不太好；歐美系車大多數(shù)車窗框都帶有加強板窗框。滾壓窗框一般要經過滾壓、拉彎或扭彎、沖切、點焊或氬弧焊（焊接總成） 。一般后門獨立窗框的滾壓件較難，因為大多數(shù)車型在 C 柱有很大的彎曲弧度，超過 90度，有的是分成兩件滾彎，再焊接，容易造成焊接面的面差，批量生產難以滿足；有的是一道彎曲，但是受材料流動和成型工藝控制影響，會有縮頸或擴口，修整調整模具也很難解決問題，除非更改造型或更換材料。15(a) 窗框（滾壓）(b) 窗框安裝支架 1(c) 窗框安裝支架 216(d) 玻璃導槽圖 2.15 滾壓窗框2.3.2 車門機能件車門機能件包括車門鎖、車門外手柄、車門內手柄、車門玻璃、玻璃升降器、車門限位器、車門鉸鏈等。1)車門鎖一個完整的汽車門鎖系統(tǒng)必須能實現(xiàn)內開啟、外開啟、內鎖止保險、外鎖止保險及鎖緊車門的功能，因此汽車門鎖是一個結構復雜、功能要求多的組合系統(tǒng)。門鎖看成是由多個構件組成的運動鏈系統(tǒng)，應用機構運動簡圖測繪法畫出在鎖緊狀態(tài)的機構運動簡圖，如圖所示，從而為機構的結構分析、運動分析及力分析提供依據(jù)。從圖2.16中可以清楚地看出整個車門鎖有如下幾部分機構組成：(1) 鎖緊機構部圖 2.16 鉤簧鎖結構圖17分，即圖中鎖鉤20、擋塊兒組成的機構，當關閉車門時，鎖鉤從擋塊兒的開口方向進入帶動鎖鉤擺動至圖示的嚙合狀態(tài)，實現(xiàn)鎖緊動作；(2) 外開啟機構部分為外拉式手柄，是一鉸鏈四桿機構，原動件是外開啟手柄；(3) 內開啟機構部分，由構件11等機架組成，為一空間四桿機構，內開啟手柄與擺桿的運動處在兩個相互垂直的平面內，原動件是內開啟手柄。 門鎖是重要的安全件。由兩個零件構成，一個零件固定在車門上，另一個零件固定在車身上，通過門閂阻止車門向外打開，通過簡單的杠桿運動或壓撳按鈕的動作將它們脫開。門鎖作為汽車車身上使用最頻繁的部件之一，具有功能性和裝飾性的雙重作用。隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對門鎖的安全性、輕便性、車門關閉和開啟無聲、美觀等方面不斷提出新的更高的要求，促使大量新型門鎖產生，如圖 2.17所示。車門鎖的基本作用有兩點：其一是栓緊作用。門鎖必須工作可靠，在正常關閉車門后，除非轉動或拉車門手柄，以及按鈕等正常操作，否則用其它外力不能打開車門，因而在汽車行駛時不會因振動和沖擊使車門打開。其二是防止外人侵入的鎖緊作用。車門鎖的性能要求：1)易于制造，成本低；2)車門開啟與關閉應輕便、靈活；3)磨損小，以保證足夠的使用壽命；4)工作可靠，門鎖必須可靠地將車門鎖緊，在汽車行駛時車門不允許自動打開；5)操縱內、外手柄時車門能輕便地打開；6)設有鎖止機構。當鎖止時，如按下鎖鈕或外手柄處于鎖止狀態(tài)時，搬動車門內、外手柄，不能打開車門。在車外只有使用鑰匙才能打開車門，在車內只有先拉起鎖止按鈕才能打開車門；7)當車門開著，鎖止按鈕按下時，此時關閉車門撞動鎖爪，即可通過聯(lián)動桿來解除鎖止狀態(tài)，同時可以防止由于鑰匙遺忘在車內而打不開車門；8)當車門處于全鎖緊狀態(tài)時，車門鎖能經受一定的縱向載荷、橫向載荷和沖擊慣性力的作用，從而不因汽車碰撞、翻車、顛簸而使門鎖失靈。根據(jù)車門鎖的結構類型，門鎖按其結構大致可分為舌式、棘輪式和凸輪式。舌式鎖結構簡單，安裝容易，易于制造，對車門的安裝精度要求低，常見于載荷汽車和大客車，如 CA15、EQ140、NJ130 等。但由于彈簧力大，操縱笨重，不能承受縱向載荷，僅能承受開門方向的載荷，故現(xiàn)已在汽車上淘汰。18棘輪式門鎖的特點是鎖內有一套制楔機構，它由鎖鉤(棘爪)、棘輪組成。按門腔外部的鎖拴與門柱上的擋塊形式不同，又可分為轉子鎖和卡板鎖。在選擇門鎖時，應考慮新車型及使用條件，對于輕型客車，一般在較好的路面上行駛，并且制造條件也較好，故可選用操縱輕便的轉子鎖和卡板鎖。對于越野車，主要是在不平路面上行駛，道路條件不好，主要考慮可靠性，可選卡板鎖。對于載貨車，除了滿足門鎖的一般要求外，應選用工藝簡單，成本低的結構。圖 2.17 車門鎖系統(tǒng)所設計的車門鎖機構如圖 2.18 所示。圖 2.18 車門鎖機構2)車門內外手柄外手柄有旋轉式、掀拉式、按鈕式、手摳式等。旋轉式外手柄結構簡單，零件數(shù)量少，但手柄易歪斜，脫落，影響汽車外形美觀。按鈕式外手柄結構可靠，零件數(shù)稍多，同時當車門鎖開啟力大時，手指明顯有開啟沉重感。掀拉式外手柄平時隱藏在車門外板內，不易被碰壞，但轉軸易壞。手摳式外手柄是近年來出現(xiàn)的新款式，可以安裝的與外板齊平，使其不產生危險性，也有利于減小空氣阻力。門鎖的內手柄有旋轉式、掀拉式、按鈕式和手摳式。從安全考慮，最好內手柄布置在車門內飾里或扶手下面不易碰到的位置。手摳式內手柄就是凹進車門內板之內而與內飾板平齊，外觀漂亮，19不會碰開車門，安全可靠。所設計車門外手柄如圖 2.19 所示。圖 2.19 車門外手柄所設計車門內手柄如右圖 2.20 所示。圖 2.20 車門內手柄3)車門玻璃目前幾乎所有車門玻璃都采用鋼化曲面玻璃。曲面玻璃在轎車上得到了廣泛的應用，曲面玻璃可以有效的利用車內空間，減少車門厚度，并且外形美觀，使車身更趨于流線型，車室內的寬度也有所增大。但曲面玻璃在制造上有一定的難度，并且在升過程中容易發(fā)生卡滯，一般將曲面玻璃的球面弦高控制在 4mm 以下。轎車車門玻璃面主要分為五種類型：a)圓柱面玻璃——這種玻璃生產的工藝比較簡單，但是對整車的造型美觀方面影響；20b)斜圓柱玻璃——在布置玻璃圓斷面方向時盡可能與玻璃導槽的方向一致，這導槽的模擬就是一個圓，玻璃的升降布置比較順暢；c)圓環(huán)面玻璃——這種玻璃的滑槽的設計相對比較簡單一些，因為切出來的曲的曲率變化相對較小；