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摘 要：本文对车门铰链与外CAS（Computer Aided Surface）及断面结构的关系进行分析研究，总结了车门铰链间距计算过程、轴线布置要求及步骤，明確了断面制作及校核确认方法。本文所述方法及步骤，可指导其他人进行车门铰链的正向布置设计。
关键词：造型面;断面;车门铰链;布置;正向设计
0 引言
车门作为汽车车身设计中的重要组成部分，它的设计过程直接影响着周边件的设计。[1]而铰链是车门最重要的安全件及功能件之一，其布置与设计是车门设计中最重要的一步，后续的门锁布置、门洞线设计及车门限位器布置与设计均以车门铰链的轴线或空间位置作为设计基准[2-3]。在此前的项目设计中，因为我们没有基于外CAS（Computer Aided Surface）、性能及断面结构的深层次研究，造成在数据设计以及后期实物验证阶段，车门铰链下垂刚度不能满足要求或关门品质不良，甚至曾经出现车门铰链难以安装，车门在极限状态开启时发生干涉等问题。
本文以某款新轿车车型自主正向开发为依托，以CAS及断面结构为依据，从铰链间距、轴线布置、断面设计、强度校核及装配制造等多方面进行综合考虑来进行正向设计及校核，可以较好的避免后期出现上述的问题。
1 布置设计输入条件
在布置设计车门铰链前，首先要明确一定的输入条件，生产厂家的已有条件不同、车型不同，其前提条件也不相同[4]。本文根据安徽某主机厂的实际条件进行阐述。
1.1 车门铰链借用确认
基于通用化考虑，车门铰链尽量借用公司内成熟部件。一般建议借用同级别车型的车门铰链。如若铰链不能借用，也应在公司已量产的车门铰链的基础上进行优化更改。
1.2 CAS输入条件
造型需输入CAS外表面，最好也输入完整分缝线。如造型不能输入完整分缝线，也应给车门分缝线大致位置的效果图，以供结构设计人员来参考制作详细的分缝线。
1.3 生产场地及工具确认
项目组需输入准确的生产场地，工艺设计部确认相应的铰链安装工具并提供其3D数据给结构设计部。
1.4 车门门洞线信息输入
总布置负责人员应确认车门门洞线基于标杆车的具体变化数值，并输入给结构设计人员及造型人员进行约束。
1.5 标杆断面结构输入
需输入所参考的内部或外部标杆车型断面，断面至少包含车门铰链、车门内外板、侧围外板及车门密封胶条的断面结构信息。
2 布置设计过程
2.1 铰链间距计算确认
在CAS截取车门形状，并预估出车门重量和重心，与所借用铰链的标杆车的车门进行对比。
按照力矩平衡原理，得出：M*a=G*b;
其中M表示车门铰链承受的旋转扭矩，a表示车门上下铰链间距，G为车门重力，b为车门重心到车门铰链轴线的距离。
为保证与标杆车型性能一致，则M值应和标杆车一致;如此可推导出车门铰链间距a的具体数值;如铰链不是直接借用，则也需将其具体的变更因素计算进去;总之，须保证M值和标杆车尽量一致。具体计算过程在此不作陈述。
2.2 车门铰链轴线倾角的初步确定
车门铰链轴线最终是依据外CAS面等因素进行调整确认的，但在布置初期需要先确定一个铰链倾角。不同主机厂对铰链倾角的要求各不相同，也较难有统一的定论。但大家都认同的是：车门关门需要克服胶条反作用力、气阻效应以及其他阻力等;如铰链轴线的方向是向车厢内倾斜的，车门在关闭过程中，车门重力可以提供加快车门关闭的力，根据能量守恒定律，车门重力降低了车门关闭力;反之，若铰链轴线的方向是向车厢外倾斜的，则车门重力会增加车门关闭力[5-8]。
本文对现有各轿车的倾角进行统计（详见表1），并寻求专业人员对车门自关性做合理的主观判断，推导出为获得良好的自关性的铰链的倾角范围。
通常，为了获得良好的车门自关性，建议车门铰链内倾1.5°到3°进行布置设计。前后倾角无特殊要求，建议在正负2°内进行布置。可在推荐范围内选取一个角度进行初步布置，布置过程建议使用参数化布置，便于铰链位置及角度的不断调整来满足CAS及断面性能的要求。
2.3 基于CAS、分缝线及断面的布置设计
根据工艺包边、涂装间隙及冲压圆角要求，推导出如下最小值。
图2 车门铰链与外CAS间距要求示意图
c=外板料厚+内外板涂装间隙要求+内板圆角+铰链运动页与内板圆角间距;
d=外板料厚+内外板涂装间隙要求+内板料厚+铰链固定页与内板间距;
一般，车门外板料厚为0.7 mm，内外板涂装间隙要求3 mm以上，内板圆角R5，铰链运动页与内板圆角间距要求最小3 mm;从而推导出c=11.7 mm。内板料厚设定为1.4 mm，铰链固定页与内板间距至少3 mm，同理也可确认出d值大小为7.9 mm。
将车门铰链按照计算出的铰链间距及初定的轴线角度进行初步布置，使得c和d分别尽量接近11.7 mm和7.9 mm;如若c和d与目标值偏离较大，可稍微调整铰链轴线倾角，使其尽量接近目标值。
2.4 铰链断面制作及确认
当铰链位置确定后，就可以制作此处的断面：以铰链、外CAS及门洞线为基准，制作相应的车门内板、侧围外板，并大致放入密封胶条;之后要进行以下四方面的校核：（1）安装工具校核确认;（2）胶条密封结构校核确认;（3）运动空间校核初步确认;（4）工艺、车体对侧围外板确认。
（1）安装工具分为电磁气枪和L型工具，而铰链则按其固定到侧围的方式分为横置固定铰链和纵置固定铰链，如下图3所示，其相应的校核标准按表2执行。 （2）密封结构确认：一般，只要密封胶条的安装面与铰链的安装面不发生冲压工艺上的冲突，都可以认为可行。因为后续还需单独制作准确的胶条密封面，故此处的断面制作不要求胶条的位置是定死的，在此也不作详述。
（3）运动空间初步校核：前门运动校核：铰链轴线在2×3的长方形公差范围;前门外板X向移动1 mm，翼子板往外OFFSET（偏移）1 mm;运动角度为铰链开启最大角度+3°;判断依据：前门与翼子板、侧围外板、铰链安装螺栓、铰链固定页均不得出现干涉;
后门运动校核：铰链轴线在2×3的长方形公差范围;后门外板X向移动1 mm，前门外板过关（OFFSET）3 mm;运动角度为铰链开启最大角度+3°;判断依据为：后门与前门、侧围外板、铰链安装螺栓、铰链固定页均不得出现干涉;
在后期制作完成详细的3D数据后，还需要进行3D运动校核;此时可利用CATIA中的知识工程模块实现铰链布置的参数化，并建立与车门铰链设计有关的知识库;如此可在设计过程中为设计者提供在线帮助，避免设计重复和错误发生[9-10]。
（4）侧围外板主要由车体进行确认空间是否满足、冲压工艺是否满足。
3 结束语
本文以造型CAS及车门铰链断面为依据，对车门铰链进行布置设计，使造型方案、布置要求、结构方案和工艺实现在CAS阶段得到充分的验证，从而避免后期问题的重复出现。当然，车门设计是车身设计中最复杂的过程之一，而车门铰链的布置设计又是车门设计的重中之重，不同车型的车门铰链布置设计都可能会遇到不同的问题，但依据本文所提的布置设计过程及要求进行，可最大程度的降低设计风险。
参考文献：
[1]李辉.基于CATIA的汽车车门铰链设计[J].企业技术开发，2013（8）：5-6.
[2]蒲云刚.车门铰链的设计[J].华东科技（学术版），2014（3）：332-333.
[3]高翊.装配式大质量车门铰鏈[J].汽车工艺与材料，2013（4）：39-40.
[4]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.
[5]刘亮，刘莉，冀晨超.汽车车门关闭力评价方法及影响因素[J].企业科技与发展，2012（10）：17-21.
[6]杨蕾.面向最优设计的轿车车门设计[J].机械制造，2006（3）：40-42.
[7]尹忠.汽车车门关闭力的计算[J].公路与汽运，2007（3）：6-7.
[8]黄天泽，黄金陵.汽车车身与机构设计[M].北京：机械工业出版社，1992.
[9]高玉霞.基于知识车门铰链参数化布置的研究[J].山西冶金，2008（4）：35-36.
[10]张君媛，黄金陵.基于知识的设计系统中数据库系统开发[J].吉林大学学报，2002（7）：61-64.
关键词：造型面;断面;车门铰链;布置;正向设计
0 引言
车门作为汽车车身设计中的重要组成部分，它的设计过程直接影响着周边件的设计。[1]而铰链是车门最重要的安全件及功能件之一，其布置与设计是车门设计中最重要的一步，后续的门锁布置、门洞线设计及车门限位器布置与设计均以车门铰链的轴线或空间位置作为设计基准[2-3]。在此前的项目设计中，因为我们没有基于外CAS（Computer Aided Surface）、性能及断面结构的深层次研究，造成在数据设计以及后期实物验证阶段，车门铰链下垂刚度不能满足要求或关门品质不良，甚至曾经出现车门铰链难以安装，车门在极限状态开启时发生干涉等问题。
本文以某款新轿车车型自主正向开发为依托，以CAS及断面结构为依据，从铰链间距、轴线布置、断面设计、强度校核及装配制造等多方面进行综合考虑来进行正向设计及校核，可以较好的避免后期出现上述的问题。
1 布置设计输入条件
在布置设计车门铰链前，首先要明确一定的输入条件，生产厂家的已有条件不同、车型不同，其前提条件也不相同[4]。本文根据安徽某主机厂的实际条件进行阐述。
1.1 车门铰链借用确认
基于通用化考虑，车门铰链尽量借用公司内成熟部件。一般建议借用同级别车型的车门铰链。如若铰链不能借用，也应在公司已量产的车门铰链的基础上进行优化更改。
1.2 CAS输入条件
造型需输入CAS外表面，最好也输入完整分缝线。如造型不能输入完整分缝线，也应给车门分缝线大致位置的效果图，以供结构设计人员来参考制作详细的分缝线。
1.3 生产场地及工具确认
项目组需输入准确的生产场地，工艺设计部确认相应的铰链安装工具并提供其3D数据给结构设计部。
1.4 车门门洞线信息输入
总布置负责人员应确认车门门洞线基于标杆车的具体变化数值，并输入给结构设计人员及造型人员进行约束。
1.5 标杆断面结构输入
需输入所参考的内部或外部标杆车型断面，断面至少包含车门铰链、车门内外板、侧围外板及车门密封胶条的断面结构信息。
2 布置设计过程
2.1 铰链间距计算确认
在CAS截取车门形状，并预估出车门重量和重心，与所借用铰链的标杆车的车门进行对比。
按照力矩平衡原理，得出：M*a=G*b;
其中M表示车门铰链承受的旋转扭矩，a表示车门上下铰链间距，G为车门重力，b为车门重心到车门铰链轴线的距离。
为保证与标杆车型性能一致，则M值应和标杆车一致;如此可推导出车门铰链间距a的具体数值;如铰链不是直接借用，则也需将其具体的变更因素计算进去;总之，须保证M值和标杆车尽量一致。具体计算过程在此不作陈述。
2.2 车门铰链轴线倾角的初步确定
车门铰链轴线最终是依据外CAS面等因素进行调整确认的，但在布置初期需要先确定一个铰链倾角。不同主机厂对铰链倾角的要求各不相同，也较难有统一的定论。但大家都认同的是：车门关门需要克服胶条反作用力、气阻效应以及其他阻力等;如铰链轴线的方向是向车厢内倾斜的，车门在关闭过程中，车门重力可以提供加快车门关闭的力，根据能量守恒定律，车门重力降低了车门关闭力;反之，若铰链轴线的方向是向车厢外倾斜的，则车门重力会增加车门关闭力[5-8]。
本文对现有各轿车的倾角进行统计（详见表1），并寻求专业人员对车门自关性做合理的主观判断，推导出为获得良好的自关性的铰链的倾角范围。
通常，为了获得良好的车门自关性，建议车门铰链内倾1.5°到3°进行布置设计。前后倾角无特殊要求，建议在正负2°内进行布置。可在推荐范围内选取一个角度进行初步布置，布置过程建议使用参数化布置，便于铰链位置及角度的不断调整来满足CAS及断面性能的要求。
2.3 基于CAS、分缝线及断面的布置设计
根据工艺包边、涂装间隙及冲压圆角要求，推导出如下最小值。
图2 车门铰链与外CAS间距要求示意图
c=外板料厚+内外板涂装间隙要求+内板圆角+铰链运动页与内板圆角间距;
d=外板料厚+内外板涂装间隙要求+内板料厚+铰链固定页与内板间距;
一般，车门外板料厚为0.7 mm，内外板涂装间隙要求3 mm以上，内板圆角R5，铰链运动页与内板圆角间距要求最小3 mm;从而推导出c=11.7 mm。内板料厚设定为1.4 mm，铰链固定页与内板间距至少3 mm，同理也可确认出d值大小为7.9 mm。
将车门铰链按照计算出的铰链间距及初定的轴线角度进行初步布置，使得c和d分别尽量接近11.7 mm和7.9 mm;如若c和d与目标值偏离较大，可稍微调整铰链轴线倾角，使其尽量接近目标值。
2.4 铰链断面制作及确认
当铰链位置确定后，就可以制作此处的断面：以铰链、外CAS及门洞线为基准，制作相应的车门内板、侧围外板，并大致放入密封胶条;之后要进行以下四方面的校核：（1）安装工具校核确认;（2）胶条密封结构校核确认;（3）运动空间校核初步确认;（4）工艺、车体对侧围外板确认。
（1）安装工具分为电磁气枪和L型工具，而铰链则按其固定到侧围的方式分为横置固定铰链和纵置固定铰链，如下图3所示，其相应的校核标准按表2执行。 （2）密封结构确认：一般，只要密封胶条的安装面与铰链的安装面不发生冲压工艺上的冲突，都可以认为可行。因为后续还需单独制作准确的胶条密封面，故此处的断面制作不要求胶条的位置是定死的，在此也不作详述。
（3）运动空间初步校核：前门运动校核：铰链轴线在2×3的长方形公差范围;前门外板X向移动1 mm，翼子板往外OFFSET（偏移）1 mm;运动角度为铰链开启最大角度+3°;判断依据：前门与翼子板、侧围外板、铰链安装螺栓、铰链固定页均不得出现干涉;
后门运动校核：铰链轴线在2×3的长方形公差范围;后门外板X向移动1 mm，前门外板过关（OFFSET）3 mm;运动角度为铰链开启最大角度+3°;判断依据为：后门与前门、侧围外板、铰链安装螺栓、铰链固定页均不得出现干涉;
在后期制作完成详细的3D数据后，还需要进行3D运动校核;此时可利用CATIA中的知识工程模块实现铰链布置的参数化，并建立与车门铰链设计有关的知识库;如此可在设计过程中为设计者提供在线帮助，避免设计重复和错误发生[9-10]。
（4）侧围外板主要由车体进行确认空间是否满足、冲压工艺是否满足。
3 结束语
本文以造型CAS及车门铰链断面为依据，对车门铰链进行布置设计，使造型方案、布置要求、结构方案和工艺实现在CAS阶段得到充分的验证，从而避免后期问题的重复出现。当然，车门设计是车身设计中最复杂的过程之一，而车门铰链的布置设计又是车门设计的重中之重，不同车型的车门铰链布置设计都可能会遇到不同的问题，但依据本文所提的布置设计过程及要求进行，可最大程度的降低设计风险。
参考文献：
[1]李辉.基于CATIA的汽车车门铰链设计[J].企业技术开发，2013（8）：5-6.
[2]蒲云刚.车门铰链的设计[J].华东科技（学术版），2014（3）：332-333.
[3]高翊.装配式大质量车门铰鏈[J].汽车工艺与材料，2013（4）：39-40.
[4]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.
[5]刘亮，刘莉，冀晨超.汽车车门关闭力评价方法及影响因素[J].企业科技与发展，2012（10）：17-21.
[6]杨蕾.面向最优设计的轿车车门设计[J].机械制造，2006（3）：40-42.
[7]尹忠.汽车车门关闭力的计算[J].公路与汽运，2007（3）：6-7.
[8]黄天泽，黄金陵.汽车车身与机构设计[M].北京：机械工业出版社，1992.
[9]高玉霞.基于知识车门铰链参数化布置的研究[J].山西冶金，2008（4）：35-36.
[10]张君媛，黄金陵.基于知识的设计系统中数据库系统开发[J].吉林大学学报，2002（7）：61-64.