轿车前车门毕业设计

第1章绪论

1.1行业概述

随着汽车技术的发展，汽车的舒适性不断提高以满足人们的要求。汽车车门是车上相对独立的总成，车门设计不但关系到汽车的实用性，对汽车也有很大的装饰作用。因此车门的设计也越来越讲究，而且使用越来越多的网络和电控技术。从1957年新中国的第一辆汽车正式生产下线，中国汽车在20世纪中期经历了漫长的缓慢发展阶段，在经过2003年和2006年的两轮爆发式增长后，开始步入平稳增长阶段。2009年严峻的宏观经济形势下，中国汽车行业的发展面临着前所未有的挑战与机遇，同时也受到来自各个方面的冲击。中国要想从汽车制造大国发展成为汽车产业强国，就必须在汽车产品的研发上取得突破。欧美日的汽车企业之所以能够如此强势，与他们几十年甚至上百年的技术革新与经验积累是分不开的，翻开他们汽车产业发展的历史，我们都能够清晰的感受到他们相同的企业发展脉络：明确的市场定位，坚定不移的技术研发，引领潮流的战略方向，这一切，做足了他们的原始积累。我们的起步尽管有些晚，但是汽车产业作为中国经济的支柱产业之一，近年来在技术研发上的投入力度明显增加，从过去的汽车产品进口到产品引进生产再到技术转化，近几年来更是直接的技术引进、并购国外先进的汽车企业，中国的汽车技术如雨后春笋般迅猛发展。

车门是整个车身中结构复杂又相对独立的一个总成,它主要由车门骨架及盖板、车门护面、门窗、车门玻璃及玻璃升降器、门锁及其手柄、车门铰链、车门密封条和车门开关机构组成。车门是汽车车身设计中的一个相对独立的零部件。在车门设计中其安全性尤为重要，它必须保证在车辆发生碰撞时，尽可能地减少对行人和乘员造成的伤害，因此必须要求车门外覆盖件表面光洁、有韧性；门锁、门铰链以及车门门体必须能够按照A柱一B柱一C柱的路线传递碰撞冲击力；碰撞后的车门必须能够轻松地不借助于任何辅助工具用手打开。鉴于侧面碰撞对乘员造成的危险性，在设计车门时注意将车门的变形限制在一定范围内，为乘员提供一个有效的生存空间。这些都要求车门必须具备足够的强度和刚度。在汽车车身设计的过程中，车门总成的布置设计除与整体设计有着协调配合关系外，可称的上是一个相对独立的，最具有代表性的车身总成设计。它不仅要与整车造型协调一致，还要保证必要的开度，方便上下车，良好的安全性，稳定的操纵性，密封性，工艺性，足够的强度刚度，以满足功能上的要求。因此车门的设计成为车身设计中的一个重要环节。

生产厂家为了能在市场竞争中立于不败之地，就必须提高产品质量，降低生产成本，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率，所有这些迫使设计者不断地寻求智能化的设计工具和先进的设计方法。本课题的研究内容就是在这样的情况下产生的。

1.2基于流程与知识的轿车车门布置的背景与意义

1.2.1汽车行业的背景

如今汽车产品的更新换代速度很快，而每一款汽车的设计作为一个系统的工程，是相对独立的过程，很多跨国汽车公司早在几十年前就已经打破了这种相对的独立，将设计的每一个过程凝练提升，形成一个个模块，按照系统的方法组织起来，定义为汽车设计流程。在以后的新车设计中，将每一个过程融入了这种既定的设计模式，按部就班地推进，控制着汽车的每一个非常详细的设计过程，从而顺利高效地完成设计。在国内，一汽、二汽、上汽等大的汽车企业集团都已经建立起了比较完善的产品设计流程，在国内愈演愈烈的汽车产品竞争中，这些企业的产品竞争力有着明显的优势，产品更新速度快，质量可靠，深得用户的信赖，可见研发流程的建立对企业的重要意义。

伴随着汽车车身造型的设计与修改要求日趋增高，参数化设计更符合和贴近现代CAD中的概念设计和并行设计思想，并可提高设计与分析的柔性，因此车身模型的参数化设计经成为车辆制造行业发展的必然趋势。参数化设计是以一种全新的思维方式来进行产品的创和修改设计的方法[1]。目前传统的手工造型方法已被建立在各种先进的造型建模软件基础上的计算机辅助造型方法所取代，参数化设计技术能够快速吸收国外汽车车身设计的先进技术，快速响应市场，提高我国自主设计开发汽车的能力，提高汽车产品竞争能力。

1.2.2计算机辅助设计在汽车工程技术领域的应用

自从上世纪70年代，随着计算机辅助几何设计和计算机图形学的迅速发展，车身设计过程中部分或全程引入计算机辅助系统(CAD/CAM软件)，在计算机中构建车身三维数字化模型，以“所见即所得”的交互方式完善设计方案，是现代车身设计方法的主要特点。其基本流程：经过市场调研，形成车型的整体要求；制作手绘效果图，也可利用计算机辅助软件绘制；制作缩比例模型及1:1主模型；以三坐标扫描或激光扫描的方式在计算机中构建车身数字模型；进行结构设计，构建A级模型；生成NC代码，生产样车。

在计算机中不但可以对车身外观及内饰建立数字模型，而且可以对发动机、底盘等其它零部件建立模型，并直接进行有限元分析、结构设计/分析、甚至虚拟装配、虚拟风洞试验等，使得设计人员可以在计算机中构建虚拟的电子样车并进行试验，能在

实际生产前预先发现设计中存在的问题，提高了效率，降低了成本。通常各零件模型分类存放在大型数据库中，以后对车型做改进时可直接到数据库中匹配类似的零部件，修改其相关参数即可满足要求，无需重新设计，非常有利于车型的系列化，生产商应对迅速变化的市场的能力也强得多。

现代汽车工业的发展，对汽车设计以及工艺设计的要求越来越高，但是相对越来越低的生产与设计成本、大大缩短的设计周期，要求对汽车设计的结构优化、钣金成型以及NVH的研究在设计过程中就应该介入，传统的后期介入会浪费大量的费用，设计周期很长，这在愈发激烈的市场竞争中已经逐步淘汰。软件工具的应用使设计中期的分析工作开展成为可能。

1.2.3基于知识工程的汽车设计的发展

人工智能技术，特别是专家系统的技术与现有的、传统的CAD技术相结合开发一些专用的CAD软件和程序模块是今后CAD发展的必然趋势。

知识工程（KBE，Knowledge Based Engineering）是人工能领域的一个重要分支，它研究的主要内容包括知识的获取、知识的表达知识库的构造、知识的自动获取和更新等，其核心是如何运用知识来解问题。知识工程实质上是突破了简单的逻辑运算，把经验和推理合起来，将逻辑思维和形象思维结合起来，实现计算机的智能化。KBE 系统存储产品模型包含几何、非几何信息以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。知识工程是研究知识信息处理的学科，提供开发智能系统的技术，是人工智能、数据库技术、数理逻辑、认知科学、心理学等学科交叉发展的结果。

KBE系统将重复的设计和工程任务自动化，缩短了产品开发时间，将设计、分析、制造集成起来实现并行工作。使用KBE建立模型可以将几何造型与分析等结合起来，实现多学科优化，并确切地进行可行性评估，应用标准和实践经验来提高产品的质量，对设计实践、过程经验等知识信息进行数字化获取和重用，从而提高自动化过程的效率。

1.2.4车门设计的流程化道路

车门是汽车车身结构中重要的组成部分，同时相对独立，是供乘员或货物进出的必要通道。车门设计的好坏直接影响到整车的造型效果、安全性、密封性、视野、噪声控制以及乘坐空间等诸方面的优劣。

车门主要由车门内外板、内饰板、加强梁、加强板、车门玻璃及升降器、门锁、内外手柄、车门铰链、限位器、车门密封条和车门开关机构组成。车门从布置到设计再到制造，每一个环节考虑的因素都比较多，既要保证车门与整车的协调一致，还要保证车门本身的技术要求。很多时候，各个环节是一个循环反复的过程，造成了传统

的车门设计难度与周期很长。

车门设计必须走流程化的道路，并且要利用先进的计算机平台做早期的判断分析、循环优化，是目前我们公司正在努力探索的一个方向。车门结构分析的早期介入，可以及早解决因结构设计不合理造成的机能件运动干涉、钣金成型性差、总成的振动特性无法满足整车NVH的需要，避免后期修改造成的资金与时间上的大量浪费。

随着计算机技术快速发展，结合知识工程，各大汽车公司纷纷建立了自己的研发流程，确立了现代设计方法在汽车领域的主导地位。

长期以来，车门设计一直是一个难点，现代设计方法的应用，使得车门设计的后期分析可以提前到设计过程中进行，使设计的难度降低。车门设计兼顾的方面多、初期布置复杂、需要有丰富的知识与经验，基于流程与知识的车门布置很好的解决了这个问题。所以本课题以某款新车的开发为例，在该领域做一些研究是很有意义的。1.3国内外发展现状

早于七、八十年代，国外大型汽车公司已建立了相当规模成套的CAD、CAE和CAM 等计算机辅助系统，使得车身设计方法发生了根本性的变革，运用三维“CAD/CAM”技术替代了以“主图板，主模型”为主的传统设计方式。

CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。日本丰田公司很早就引进了CAD系统，并且在初步升级改善。美国福特公司从1967年就开始开发车身设计CAD系统，目前百分之八十以上的设计由CAD完成，大大降低了产品成本，提高了产品的生产能力。美国通用汽车公司在1988年投资千万美元完成了以三维CAD系统UG为核心的CAD/CAM/CAE/CIM的4C集成化工程，达到信息流畅，公司的轿车和概念车的开发试制时间由五年缩短到两年，设计阶段从24个月缩短到14个月，一些零部件的设计从六个月缩短到一个月。我国各大汽车公司近几年来纷纷引进了先进的CAD/CAM/CAE软件用于汽车车身设计和开发，并取得较好的成果。一汽，东风汽车公司在八十年代就开始在车身设计方面研究与应用CAD/CAM技术。另外在CAE领域也取得了不少成绩。

电子样机（DMU：Digital Mock-Up）技术主要是指在计算机平台上，通过三维CAD/CAE/CAM软件，建立完整的产品数字化样机，组成电子化样机的每个部件除了准确定义三维几何图形外，还赋有相互间的装配关系、技术关联、工艺、公差、材料等信息，电子样机应具有从产品设计、制造到产品维护各阶段所需的所有功能，为产品和流程开发提供一个平台的电子样机功能由专门的模块完成，从产品的造型、上下关联的并行设计环境、产品的功能分析、产品浏览和干涉检查、信息交流、产品可维

护性分析、产品易用性分析、支持虚拟实现技术的实时仿真、多CAX支持、产品结构管理等各方面提供了完整的电子样机功能，能够完成与物理样机同样的分析、模拟功能，从而减少制作物理样机的费用，并能进行更多的设计方案验证。电子样机技术在现代汽车业中的应用越来越广泛，正在逐步取代物理样机用于多方面的研究。

DMU主要有以下功能和特点：

1)与CAX系统完全集成，并以“上下关联的设计”方式作业。

2)提供强大的可视化手段，除了虚拟显示和多种浏览功能，还集成了DMU漫游和截面透视等先进手段。

3)具备各种功能性检测手段，如安装/拆卸、机构运动、干涉检查、截面扫描等。

4)具有产品结构的配置和信息交流功能。

由于电子样机（DMU）技术加强了设计过程中最为关键的空间和尺寸控制之间的集成，在产品开发过程中不断对电子样机进行验证，大部分的设计错误都能被发现或避免，从而大大减少实物样机的制作与验证。

AutoForm软件包是AUTOFORM工程有限公司包括瑞士研发与全球市场中心和德国工业应用与技术支持中心推出的板料成形模拟软件包。它将来自世界范围内的许多汽车制造商和供应商的广泛的诀窍和经验融入其中，并采取用户需求驱动的开发策略，以保证提供最新的技术。可以帮助结构设计人员方便地求解各类板料成形问题，同时，AutoForm也最大限度地发挥了传统CAE技术的作用，减少了产品开发的成本和周期，目前世界上大多数大汽车公司都已经将钣金成形模拟作为结构设计的必有过程，避免了钣金模具的后期修改问题。

我国汽车行业经过十多年努力和发展，CAD技术、专家系统、知识库技术等新兴技术在我国汽车行业的应用已取得很大的进步，但由于起步较晚，车身技术与国外汽车公司相比还有很大的差距，国内各汽车公司普遍存在设计效率低下、后期问题难以预测的问题。加大CAD/CAM/CAM软件在汽车开发中的应用力度，并且结合汽车设计的专业经验总结一些面向汽车设计的专业设计流程以帮助设计人员提高产品的开发效率和质量，是缩短我国与国外汽车设计水平的差距，早日实现我国轿车自主开发能力的有效措施之一。

国外各大汽车和设计公司积累了几十年的轿车车身开发经验，形成了较完善的数据库和设计规范。笔者曾亲身体验过丰田公司的设计检查卡（CHECKLIST）与德国大众公司的对标数据库，在每一个细节，总括了在该领域的各种车型的经验数据与经验值，详尽严密地表述出设计流程。经过整理的知识库就像一个专家委员会，指导设计师的工作，引导设计师进行每一步设计，指出所选择的尺寸和参数的界限，并验证所

设计的结构是否合理，及时纠正设计中出现的错误，使设计师避免误入歧途和返工，绝对不会因经验不足和考虑不周而造成严重疏忽。有了这样的数据库，设计时就能对自己不熟识的内容信心百倍，并可迅速获得设计结果而且确信它是正确的，因为该设计是由综合的知识库创造出来的，其中包含了宝贵的专家知识和设计知识的法规、规则。

随着我国汽车工业的发展，消费者的消费观念更趋理性，对汽车的需求偏好也逐步发生变化、升级，由于国内消费者换车周期的大幅缩短，使得汽车的更新换代也加快了。汽车设计技术及手段的不断发展，特别是以计算机技术为核心的现代工程技术方法的飞速进步，日益成熟的CAD/CAE/CAM一体化产品开发技术在轿车车身设计领域得到广泛应用。汽车设计方法正逐步由传统的设计方法，向着以大大缩短产品开发周期和提高产品设计精度为目标的现代设计方法转变。国内外成熟的计算机技术结合汽车行业日渐成形的汽车模块化思想，为我们在实际设计过程中缩短开发周期与提高工作效率奠定了基础，纵览以上，我们有必要建立一套全面的设计流程。

1.4本课题的研究内容

本课题研究是以威驰汽车开发项目为依托、以CAD为软件平台，在开发过程中从造型数据模型确立，到前车门各个机能件选型，结构布置，直到结构设计完成，并结合工艺、工装的设计验证，建立起一套完善的车门设计解决方案。

第2章车门设计

2.1车门参数化设计技术

汽车车门的参数化设计方法，是通过参数化设计采用几何约束控制产品形状的几何特征，改变约束可迅速获得不同的设计结果，提高设计效率，有助于减轻设计人员的工作强度。

参数化设计技术是当前CAD/CAM系统的研究热点之一，主要是通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动，只需要根据某些具体的条件和参数来决定产品某一结构形式下的结构参数，从而设计出不同规格的产品。参数化设计可以提高产品的设计效率，有效保证产品模型的安全可靠性，极大地改善设计的柔性，并在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析、机构仿真、优化设计等领域发挥着重要的作用。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构造。它允许尺寸欠约束的存在，设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，优先考虑满足设计要求的几何形状而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。

在车门设计的布置设计阶段，产品的内部机能件主要位置、结构细节难以具体化，设计师关心的是产品的基本结构、主要尺寸关系，因此无法采用具体尺寸绘图设计。参数化计系统可以在布置设计过程中通过捕捉模型中存在的关系及其定义的参数化的位置点来捕捉机能件的位置，同时也允许对零件进行反复地编辑，允许用户试探不同的设计方案或生成不同的位置版本和零件版本，对位置的编辑可以简单地通过改变草图的关系来完成，如在铰链布置时，通过改变几个不同方向上的草图上的几个点，然后进行重新计算，就可以完成新的设计，非常简便。

2.2车门的结构类型

一般来讲，乘用车车门分为带窗框车门和无窗框车门（Frameless GlassConstruction，多见于高档跑车，俗称硬顶车）两大类，其中带窗框车门又可以分为整体式（Full Stamped Inner and Outer Panel Construction，即内外门板带着窗框部分一起冲压成型）和独立窗框（Loose Upper Frame Construction，即窗框部分与窗口线以下的内外板分别成型）两大类，如图2.1所示。

实际上车门还可以做更细致的区分，现在按照以下分类对各个类型的优缺点略做

评述。

2.2.1无窗框车门（Frameless Glass）

优点：造型前卫时尚，且外观上各处配合对消费者很是养眼；因为没有窗框部分的金属板材，内外板冲压成型不必考虑此处废料损失，可将废料率降至最低；左右内（外）板可以在一个模具中成型；该类型车门具备整形能力。

缺点：窗玻璃的稳定性差（当玻璃在full up位置时，至少在门肚子里留有露出部分的三分之一长度，否则容易失稳）；门肚子里需要有额外的支架来保持玻璃的稳定性；当然这些都会增加产品成本，而且造成门密封性先天不足，为了改善其密封性，不得不花更多代价；除此之外，车身腰线（Belt line）也被抬高。

2.2.2独立窗框式车门（Loose Upper Frame）

优点：废料率同样能降至最少；左右内（外）板可以在一个模具中成型；该类型车门具备整形能力；门质量好。

缺点：可装配性差，会产生匹配上的这样那样的问题（诸如gap、flush等等）；限制了主密封样式的选择范围，而且也存在密封性差的潜在问题。

2.2.3内、外板整体冲压成型式车门

1)外板整体冲压成型式车门（Full Stamped Inner and Outer Panel）－窗框部分进入到车顶区域（into roof，从外观看，就是车门上部有面共享了车顶面）。

优点：结构刚性好，密封性好，在整条J－Line（就是指车门在关闭时，车门上与车身接触的密封条区域，总装车间一般称为“头道”，或者“头条”）上可以作出对结构有利的拔模斜角。

缺点：废料多；增加了密封成本：如沿着车顶与车门边的密封，沿着风窗与车门边的密封；不具备整形能力。

2)内、外板整体冲压成型式车门（Full Stamped Inner and Outer Panel）－窗框部分侧向暴露（exposed on side，相对于上面类型）。

2.2.4窗框内藏式车门（Frame Under Glass）

该类型又可以分为两类：

一类是门内板整体冲压（Full Stamped Inner），质量与密封性都好，而且J-line的工艺性拔模也可以做，外观当然极像无窗框式车门的新颖前卫；但是内板仍然要产生许多废料，密封性有待改善。整体冲压的内板刚度大，免去焊接的麻烦，尺寸精度高。

另一类是独立窗框（Loose UPR Frame）废料率低，质量也好，左右内（外）板可以在一个模具中成型，外观优势同上。但凡独立窗框，装配时产生的问题是无法避免的，而且因为滚压的窗框，使得密封形式的选择有限，会导致潜在的密封性能问题。

图2.1车门结构型式

所设计车门总装图如图2.2所示。

图2.2 车门总装图

2.3车门的基本构成

车门基本构成分为钣金件、机能件、密封件、装饰件与电器线束件五大类，下面分别说明。本设计采用分体式车门结构，外板上集成窗框，内板与车门框架集成一体，外、内板之间焊接连接。车门附件均参照现有成熟结构进行设计，设计的具体部件包括：铰链、限位器、后视镜、外板、内板、门锁、门玻璃、玻璃升降器、防撞梁及密封等。

2.3.1车门钣金

车门钣金一般分为车门外板、内板、外板加强板、防撞梁、内板加强板、铰链加

强板、锁加强板、铰链支座、窗框（如果为滚压窗框）、窗框安装支架、玻璃前后导槽、导槽安装支架等，如图2.3所示。

图2.3车门钣金总成

1)车门外板

车门外板是汽车覆盖件中极为重要的部件之一,是车身上的活动部件,对其刚性及表面质量要求很高;它是典型的具有复杂型面的大型板料冲压件。一般对车门外板的质量要求高：外观表面光顺平滑,棱线清晰,周边尺寸精度0.7mm,刚性好。由于门外板是一种平坦浅拉延件。成形时凸模表面与毛坯以大平面接触,由于平面上的拉应力很低,材料得不到充分的塑性变形，所以车门外板刚性差，一般选择外板材料时，考虑硬质板材，如图2.4所示。车门外板和内板的装配，一般采用点焊、粘接及咬合等方法。

图2.4车门外板