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汽车车门毕业设计豆丁

微型汽车背门外板设计

丁维峰

燕山大学

2010年6月

摘要

车门是车身结构中一个较复杂的总成,熟悉车门结构的功能要求、结构特点和较常见的结构处理方法是车门结构设计的基础，另外，在具体的结构设计过程中正确的方法、步骤是实现合理设计的关键,如车门总体结构的确定、附件的布置、结构的统一协调和强度、刚度、可靠性等方面都有一定的规律和要求。

由于车门为大面积覆盖件，需要用整体冲压进行加工，以保证车门结构的完整性，同时在车门内外板之间添加加强梁保证车门刚度。

本课题通过使用CATIA软件对车门进行3D建模设计，再制定模型冲压工艺路线，最终完成车门外板设计。

关键词　车门；结构；设计

Abstract

Carbodydoorisamorecomplexassemblyinthebodystructure.Structuralfunctionrequirement,specialtyofstructureandgeneralhandingmethodofstructurearethebasisofbodydoorstructuredesign.Inthecourseofdoorstructuraldesign,correctmethodandprocedurearethekeypointstorealizerationaldesign,suchasdeterminationofdoorstructureoutlay,arrangementofaccessories,motionverificationandalsoothersasoverallcoordinationofstructure,strength,rigidity,reliabilityetc,allhavedefiniteruleanddemand.

Asthedoortoalargeareacoveringparts,needtoprocessthewholepresstoensuretheintegrityofthedoorstructure,whileinthedoorbetweentheinsideandoutsidepanelstoaddrigiditytoenhancebeamtoensurethedoor.ThisissuethroughtheuseofCATIA3Dmodelingsoftwaretodesignthedoor,andthenstampingprocesstodevelopmodelroute,finallycompletingthejourneyoutsidetheboarddesign.

Keywords　Cardoor;Structure;Design

第1章绪论

1.1课题背景

汽车车身是汽车的重要组成部分，是整车零件的载体，它的质量和制造成本都占到整车的40%到60%以上。

车身设计在汽车设计中，占有极其重要的位置。

在各大总成中，除发动机外，车身设计的工作量最大，最复杂，周期最长。

车身作为轿车、载货车和大客车整车中的重要部分,是汽车上乘人和载货的容器,作为承载乘客的车身要求具有舒适性和安全性。

近几年来，我国政府已经将汽车工业作为一项支柱产业进行发展，是我国的汽车产业有了一个蓬勃发展的春天[1]。

车身是一个品牌的标志和象征，它代表着汽车开发的水平，在汽车开发中占有主体地位。

国外汽车企业在车身开发、制造方面广泛采用最先进的设计制造技术进行全新开发和超前开发，使得车身的开发周期越来越短，创新的车型越来越多。

由于车身总成占这些车型整车总质量和成本的一半左右，并代表了公司产品的品牌形象，加之对其投资的巨大，各集团公司均把车身开发放在整车开发的首要位置[2]。

车身开发周期的长短是决定整车竞争力的大小和成本高低的关键因素。

国际领先汽车集团均开发和研究的方法、先进设计与制造技术在满足汽车一般的性能要求之外，近年来特别强调要满足轻量化、防碰撞、低成本和回收再利用等社会方面的要求。

同时随着能源危机的进一步深化,小型化、轻量化的汽车相继产生,又由于高速公路的建设,车速迅速提高,为减小风阻，对车身的设计工作又提出了更高的要求，同时高速带来的安全问题，在发生撞车事故时如何保证生存空间问题及车内软化问题也也引起了极大的重视[3]。

汽车工业作为资金和技术密集的支柱产业之一，充分将信息技术和传统制造技术相结合，展现了现代设计、先进制造工艺和设备、制造业自动化、系统管理、综合集成等现代化先进制造技术。

因此各个汽车厂家都围绕这安全、环保和节能三个重点在新成型审计制造中采用新能源、新材料、新工艺技术进行开发，并将这作为现代汽车生产企业的技术发展方向和重点。

覆盖件成形工艺直接决定着产品能否成形和成形质量，而从车身的设计到产品投产，模具设计与制造约占2/3的时间，这成为新车型快速上这成为新车型快速上市的重要环节[4]。

汽车车身技术已经成为汽车竞争的关键砝码，车身技术发展状况足以反映出一个国家的汽车工业水平。

要是我国汽车产业赶超世界先进水平，关键是提高车身制造技术。

基于国内市场竞争和国外汽车进入中国市场的压力进一步增大，在大多数汽车生产企业都将精力投放在轿车上时我国一些汽车厂家，如：

通用五菱、长安、哈飞、昌河、一汽佳宝等厂家都加大了对微型汽车的关注，并且都加大了对新车型的开发研究。

许多厂家都引进先进的软件生产技术对开发的产品进行设计，并且采用计算机软件仿真系统对产品进行碰撞等仿真实验，从而缩短了新产品的开发时间[5]。

节能、环保、安全、舒适和智能化是当今世界汽车技术发展的总趋势[6]。

其中，汽车的轻量化是节能的重要措施。

减轻汽车质量对于将低油耗，节约能源，减少排放，都有现实和长远的战略意义[7]。

研究表明，减轻汽车质量的重要途径，要减轻车重，除了优化结构外，新型材料（高强度钢板、铝镁合金板、激光拼焊板）的应用成为最主要的方法。

目前高强度钢和超高强度钢的大量应用是汽车工业的发展趋势。

激光拼焊成形也是汽车轻量化的关键技术。

日本丰田汽车公司将拼焊板用于内覆盖件以改善板料的成形性和覆盖件的整体性，用于外覆盖件以改善车身的外观和装配精度，用于骨架件以改善车身的防撞性和减轻车身重量。

美国的三大汽车公司将拼焊板主要用于门内板、侧围、立柱、横梁等零件，在门内板中应用比例高达40%。

实践证明采用拼焊板技术可减少零件数量66%，材料利用率由40%增加到65%。

随着刚强度材料的大量使用和激光焊接技术的使用，对提高车身各组件的稳定性和使用性有很大帮助。

并且伴随着新技术手段和制造材料的运用，更多新的加工工艺流程诞生，这有利于解决之前传统制造工艺中的缺陷和不足。

为新型产品的研发提供了更多可行依据。

除了上述先进的车身制造技术外，已经形成商品化的成形分析CAE软件和立体建模软件CAD，也得到了许多工业部门的重视和应用，美国的通用、福特、德国的大众、奔驰、日本的丰田、日产等大型汽车制造公司，都已开始应用板料成形分析CAE软件指导板料成形件的开发和生产，产生了很好的经济效益。

随着我国汽车、飞机等工业的发展，成形分析CAE软件和立体建模软件CAD在我国的应用越来越广泛[8]。

1.2汽车车身设计发展现状

1.2.1国外主要国家汽车车身设计发展情况

世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类微型汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。

20世纪90年代以来,在外形上，国外轿车车身以高流线型、大圆角的造型居多。

两厢式或三厢式轿车的厢与厢之间,多用圆滑流畅的曲线过渡。

有些车型采用了整体流线型与局部棱角型相结合的设计方法。

这种圆滑、飘逸型的造型风格已博得广大消费者的理解和喜爱，并成为今天的车身造型主流。

据统计，轿车自重每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%，出于对环保、能源和汽车安全性等问题的考虑，汽车轻量化成为国内外汽车工业发展的主要目标。

要减轻车重，除了优化结构外，轻质板材的应用是未来汽车轻量化的重要方向。

目前超深冲IF（无间隙原子钢InterstitialFreeSteel）钢取得重大进展和成果,根据前人对钢板的大量研究，当前车身用新型钢板主要有:

冷轧钢板、高强度钢板、表面处理钢板、高强度拼焊钢板、夹层钢板、不锈钢板等。

而从保证车身碰撞安全性的角度来看,高强度钢的用量将直接决定车身轻量化的水平[9]。

德国奥迪汽车公司与Alcoa铝业公司联合开发的奥迪A8轿车，其车身采用全铝空间框架，由挤压成形中空构件组成，这种全新的结构—奥迪承载构架，降低车身质量约40%，使车身强度、刚度增加，且具有吸能作用，这种车身将成为轿车车身的发展方向。

激光拼焊成形也是汽车轻量化的关键技术,激光拼焊板最显著的优点是减少了零件数量和材料消耗,降低了整车重量,简化了装配工艺,因而得到了越来越广泛的应用。

近年来该项技术在全球新型钢制车身设计和制造上获得了日益广泛的应用。

目前,世界知名汽车制造商奔驰、宝马、通用等相继在车身中采用了激光拼焊板技术。

1.2.2我国汽车车身设计发展情况

与世界其他国家一样。

微型汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着：

“十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑。

通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关，加紧对微型汽车的研发，提高我国微型汽车发展水平。

基于国内市场竞争和国外汽车进入中国市场的压力进一步增大，在大多数汽车生产企业都将精力投放在轿车上时我国一些汽车厂家，如：

通用五菱、长安、哈飞、昌河、一汽佳宝等厂家都加大了对微型汽车的关注，并且都加大了对新车型的开发研究。

许多厂家都引进先进的软件生产技术对开发的产品进行设计，并且采用计算机软件仿真系统对产品进行碰撞等仿真实验，从而缩短了新产品的开发开发时间[10]。

节能、环保、安全、舒适和智能化是当今世界汽车技术发展的总趋势。

其中，汽车的轻量化是节能的重要措施。

减轻汽车质量对于将低油耗，节约能源，减少排放，都有现实和长远的战略意义。

研究表明，减轻汽车质量的重要途径，要减轻车重，除了优化结构外，新型材料（高强度钢板、铝镁合金板、激光拼焊板）的应用成为最主要的方法。

目前高强度钢和超高强度钢的大量应用是汽车工业的发展趋势。

激光拼焊成形也是汽车轻量化的关键技术[11]。

近年来我国设计的新型微型汽车大多采用电——液混合驱动方案，在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到较大提高。

2004年5月在北京召开的世界氢能大会上，我国自主研发的混合动力轿车和客车样车与世界领先的奔驰公司样车同堂展示，引起了世界的惊赞。

而车门作为汽车车身覆盖件中的重要组成部分，对汽车整体机构上的完整性有重要意义，随着汽车车身设计的不断翻新，新型的车门结构也层出不穷，如上翻式车门较传统的旋转式车门相比更具新意，并且符合现代新型汽车的要求。

1.3目前微型汽车面临的主要问题

国产微型车除存在质量不稳定外，整车技术性能和基本结构方面的一些薄弱环节日渐显露，急需改进。

由于汽车生产过程中加工工艺的影响使得许多汽车的平部件存在问题，这使得现在很多汽车生产厂家生产的产品不能满足汽车行驶需求。

近年来，汽车设计软件发展迅速，但是由于国内的汽车生产厂家对汽车设计软件引进的比较晚，没有足够的经验，导致在零部件设计和汽车整体布置上存在着一定的缺陷。

使得国产汽车的生产研发周期较长。

这在很大程度上影响了汽车的发展速度。

车身作为汽车生产中的大型覆盖部件，焊接技术在其生产中大量的应用。

而我国多数汽车生产厂家采用传统的焊接手段，由于焊点的实际数量较多且位置不连续，为了保证实际焊点位置和节点位置相对应，就需要细化局部网格，这样使得建模和计算的工作量大大增加，且焊点位置也很难保证。

此外，国产几种微型车由于底板结构单薄，本体下部太轻，整车质心偏高（大发厢式车为620mm，长安厢式车为615mm），高顶车尤其显著，同时轮距、轴距偏小等原因，整车行驶稳定性较差。

高速行驶时，在5级以上风速、较滑路面条件下，出现车体漂移，不走直线；应急制动时，易出现前翻和原地打转；急转弯时发生倒翻等现象[12]。

1.4汽车车身发展趋势

在未来汽车车身整个开发过程中，将全面采用车身虚拟开发技术。

采用虚拟开发技术，可以省却许多费时耗工的实体样车制造和试验过程，及早发现解决样车性能和生产工艺过程中的问题。

它在降低成本、缩短开发周期、提高开发质量方面具有极大的优势和潜力，是汽车工业竞争取胜的关键术。

随着人们对汽车环保、节能、安全和舒适的要求逐渐增高，在汽车车身设计制造中使用高强度材料已经成为当今微型汽车发展的一个重要的方面。

使用高强度轻型材料可以在满足汽车安全性能时减轻汽车总重量，从而使汽车更加的节能，保证微型汽车能在当今能源危机的情况下得到更好的生存空间。

也能够满足更多的消费者的需要[13]。

最后，除了研究上述整车碰撞标准、车身轻量化、车身模态和刚度等关键技术外，还关注整车生产中的冲压、焊接、装配和性能等技术向汽车产品开发的优化，从而降低汽车产品开发的成本。

1.5主要内容

随着科技的发展，人们对汽车环保、节能、安全和舒适要求的提高，使得汽车跟新换代的速度越来越快。

汽车中包含的科技含量越来越高，这使得包括CATIA、UG等工程制图软件在汽车设计和仿真中广泛应用，并且在汽车制造中应用了更多的新型制造加工工艺。

以下为完成老师指定的课题设计任务的设计思路及其过程:

（1）查找有关车身和车门设计的结构资料，了解车身和车门设计的原则方法。

（2）分析给定的车门模型，测量各部分车存数据，并根据已得到的数据进行3D建模处理。

（3）制定合理的冲压工艺路线，对模型的每一步冲压工序进行分析，从而得到正确的冲压工艺方案。

第2章车身结构与设计

2.1汽车车身

2.1.1车身简介

汽车车身包括车窗、车门、驾驶舱、乘客舱、发动机舱和行李舱等。

车身的造型有厢型、鱼型、船型、流线型及楔型等几种，结构形式分单厢、两厢和三厢等类型。

车身造型结构是汽车的形体语言，其设计好坏将直接影响到汽车的性能。

汽车车身既是驾驶员的工作场所，也是容纳乘客和货物的场所。

车身应对驾驶员提供便利的工作条件，对乘员提供舒适的乘坐条件，保护他们免受汽车行驶时的振动、噪声，废气的侵袭以及外界恶劣气候的影响，并保证完好无损地运载货物且装卸方便。

汽车车身上的一些结构措施和设备还有助于安全行车和减轻事故的后果。

车身应保证汽车具有合理的外部形状，在汽车行驶时能有效地引导周围的气流，以减少空气阻力和燃料消耗。

此外，车身还应有助于提高汽车行驶稳定性和改善发动机的冷却条件，并保证车身内部良好的通风。

汽车车身是一件精致的综合艺术品，应以其明晰的雕塑形体、优雅的装饰件和内部覆饰材料以及悦目的色彩使人获得美的感受，点缀人们的生活环境。

为保证行车安全，在现代汽车上广泛采用对乘员施加约束的安全带、头枕、气囊以及汽车碰撞时防止乘员受伤的各种缓冲和包垫装置。

按照运载货物的不同种类，货车车箱可以是普通栏板式结构、平台式结构、倾卸式结构、闭式车箱、气、液罐以及运输散粒货物（谷物、粉状物等）所采用的气力吹卸专用容罐或者是适于公路、铁路、水路、航空联运和国际联运的各种标准规格的集装箱。

2.1.2车身结构及内外饰

汽车车身主要的结构有：

车身的壳体、车门、车窗、车前钣制件、车身内外装饰件和车身附件、座椅以及通风、暖气、冷气、空气调节装置等等。

在货车和专用汽车上还包括车箱和其它装备（图2-1）。

车身壳体是一切车身部件的安装基础，通常是指纵、横梁和支柱等主要承力元件以及与它们相连接的钣件共同组成的刚性空间结构。

客车车身多数具有明显的骨架，而轿车车身和货车驾驶室则没有明显的骨架。

车身壳体通常还包括在其上敷设的隔音、隔热、防振、防腐、密封等材料及涂层。

车门通过铰链安装在车身壳体上，其结构较复杂，是保证车身的使用性能的重要部件、钣等。

这些钣制制件形成了容纳发动机、车轮等部件的空间。

图2-1车身总体结构

车身外部装饰件主要是指装饰条、车轮装饰罩、标志、浮雕式文字等等。

散热器面罩、保险杠、灯具以及后视镜等附件亦有明显的装饰性。

车身内部装饰件包括仪表板、顶篷、侧壁、座椅等表面覆饰物，以及窗帘和地毯。

在轿车上广泛采用天然纤维或合成纤维的纺织品、人造革或多层复合材料、连皮泡沫塑料等表面覆饰材料；在客车上则大量采用纤维板、纸板、工程塑料板、铝板、花纹橡胶板以及复合装饰板等覆饰材料。

车身附件有：

门锁、门铰链、玻璃升降器、各种密封件、风窗刮水器、风窗洗涤器、遮阳板、后视镜、拉手、点烟器、烟灰盒等。

在现代汽车上常常装有无线电收放音机和杆式天线，在有的汽车车身上还装有无线电话机、电视机或加热食品的微小炉和小型电冰箱等附属设备。

表2-1车身内、外饰及附件

分类

类型

外部装饰

装饰条、车轮装饰罩、标志、浮雕式文字等

内部装饰

仪表板、顶篷、侧壁、座椅等表面覆饰物，以及窗帘和地毯

附件

门锁、门铰链、玻璃升降器、各种密封件、风窗刮水器、风窗洗涤器、遮阳板、后视镜、拉手、点烟器、烟灰盒等

2.2车门类型及功能要求

2.2.1车门的种类

车门有多种类型。

不同类型的车门可分为车门本体、车门附件两部分。

车门本体属白车身范畴，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、加强板和窗框等，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及总成，其中包括车门锁、铰链、限位器、玻璃、拉手、操纵钮、出风口、密封件及内外装饰件等，另外还有一些其它的在车门上装备的附件，如烟灰盒、扬声器、放物袋、限位块和行程开关等（图2-3）。

图2-3车门结构

根据不同车型的需要车门按照开启方式、结构、旋转方式和有无窗框可分为：

旋转门、折叠门、拉门、整体式车门、分开式车门、有窗框和无窗框车门等类型。

从而满足不同车型的要求，来满足不同类型汽车的要求，并保证其车内通风性能，驾驶员及其成员的安全性，以及良好的视野性能（表2-2）。

表2-2车门分类

分类方式

类型

特点及常用车型

开启方式

旋转门

用于大多汽车

折叠门

多用于客车

拉门

多用于轻型客车

结构

整体式车门

刚度高、质量好、随形性好

分开式车门

钣金件小，材料利用率高，视野性能好。

窗框

有窗框车门

用于大多数汽车，可为独立窗框或整体式窗框。

无窗框车门

敞篷车、硬顶车、运动车使用

旋转方向

顺开式

安全性好，车门误开时不会因气流作用开门，较常用

逆开式

较少采用，仅为方便上、下车

上开式

用于轿车和轻型车的背门，也用于低矮的汽车

按照老师指定的设计题目和车门在车身上的不同功用，选用上开式拉门，以保证背门开启的方便性。

由于背门面积较前门大，为了保证汽车背门的刚性和外形的完整性选用整体式车门的设计方式。

这样不但保证了车门与车身结构上的完整还能加大背门的强度。

2.2.2车门的结构

车门本体主要由板制零件构成，也叫钣金件，钣金件由薄钢板经冲压、辊压等工艺制成，一般采取增加板料厚度，采用高强度钢板，合理设计加强筋及拉延结构等措施以使钣金件自身具有高强度、刚度[14]。

而对车门结构的加强，除制件本身合理结构的应用外，构件的整体组合效果更为重要。

对窗口部位的加强对车门本体而言，内、外板构成一个封闭的盒体结构，窗口线部位为实现玻璃升降必须提供一个通道，为非封闭结构。

这一部分的刚度明显低于其它封闭结构处的刚度，易产生变形而影响玻璃升降及该处密封性。

因此，一般应在该处分别对内、外板进行加强。

为增强刚度，加强板一般都有横的压筋，类似“瓦楞板”形状。

加强板与内、外板的焊接方式不同，与内板沿接触处沿周焊接，但与外板除窗口翻边处有窗口密封条装饰可焊接外，为确保外表面质量与外板下部不能用焊接方式而采用粘接。

窗框与下部连接处的加强由于设置车门窗口及车门玻璃，窗框部位的刚度明显比下部要低。

另外，车门的承力点铰链、门锁均在下部，而上部窗框在车身上没有这样的支撑点，对上部窗框的定位也不利,为使窗框能与密封条可靠接触,并在行车和振动时起到对玻璃的支撑保护和与门洞间的密封作用，必须使窗框具有足够的刚度。

在辊压窗框结构处理上，一般应使窗框下端尽量增大连接界面并设计有较强的连接件，以便增大该部位的刚度、强度。

因车门外板是车身外表面件,中部不应该有焊点,以免影响外观质量,这样外板中部刚度就较差,行车时易产生振动噪声,因此必须对外板刚度进行加强,采取的措施有在外板内侧粘贴磁性沥清板设计加强梁,与外板柔性粘接。

一般缓冲件通常采用毛毡或泡沫,双面胶带粘贴,以起支撑作用。

加强梁下部可与内板下部焊接,上部与外板加强板焊接,若结构允许也可与内板焊接,但是应该以不影响玻璃升降为原则,例如,带有三角窗的车门在三角窗下部,或无升降玻璃的拉门窗及旅行车背门等。

另外,车门外装饰条也可设计成为加强件,也可利用外板压印及外形装饰线加强外板刚度。

如对轿车侧门强度有明确的法规要求,通常在门腔内部设计纵向的管状或方形加强梁。

2.2.3车门的功能

车门与车窗、驾驶舱、乘客舱、发动机舱和行李舱等部件共同组成车身。

车门作为汽车车身的重要组成部件，对乘客安全，汽车整体性能，行驶平稳性有重要作用。

因此，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、可靠性及工艺性等必须满足车身整体性能要求[15]，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，又对整个车身结构性能影响较大，也是车门功能要求的重要部分（表2-3）。

表2-3车门功能要求

功能

要求

使用方便性

1.开关方便性：

灵活、轻便、自如，有最大、中间两档开度，并能可靠限位。

2.上下车方便性：

开度应足够，一般不少于60°躲着开度不小于650mm。

视野性

1.尽量加大车门窗口及玻璃的尺寸。

2.合理布置三角窗位置、大小、形状。

可靠性

安全性

1.足够的强度、刚度。

不允许因变形、下沉而影响车门开关的可靠性；开关车门是不允许有振动噪声。

2.部件性能可靠、部件间不干涉。

3.撞、翻车时不能自行开门，以保证成员安全。

4.满足侧撞时对乘员的保护要求

密封性

雨、雪、尘不能进入车内，应具备良好的气密封性。

工艺性

维修性

1.易于生产制造。

2.拆装方便。

2.2.4车门内的加强结构

车门本体主要有钣金件组成，钣金件由薄钢板（板厚0.7mm~3mm），经冲压、辊压等工艺制成，一般采取增加板料厚度，采用高强度钢板，合理设计加强筋及拉延结构等措施以使钣金件自身具有高强度、刚度。

因车门外板（图2-4）是车身外表面件，中部不应该有焊点，以免影响外观质量，这样外板中部刚度就较差，行车时易产生振动噪声，因此必须对外板刚度进行加强，采取的措施有：

在外板内侧粘贴磁性沥青板；设计加强梁（图2-4），与外板柔性粘接。

一般缓冲件通常采用毛毡或泡沫，双面胶带粘贴，以起支撑作用。

加强梁下部可与内板下部焊接，上部与外板加强板焊接，若结构允许也可与内板焊接。

另外，车门外装饰条也可设计成为加强件，也可利用外板压印及外形装饰线加强外板刚度[14]。

由于背门为大面积覆盖件，用时为了保证其整体性和强度选用了整体式的车门结构，这样就会在车门内外