你知道汽车滑移门（侧滑门）的工作原理吗？ABAQUS软件案例拆解

由于某车型滑移门长时间使用后，出现了导轨变形的问题，导致移门在导轨上滑动困难。在现场分析中，无法立即找到原因。通过使用ABAQUS软件，对移门的开关过程进行了变参数动力学仿真分析。这不仅找到了造成运动失效的根本原因，还得到了移门对导轨的载荷情况。这为将来的导轨设计提供了强度判断的依据。将这个载荷用于强度分析后，得到了与实验一致的变形结果，验证了这种分析方法的可靠性。最终通过结构改进，避免了导轨的变形，提高了移门的运动可靠性，并通过试验进行认证。

在正常使用某车型的滑移门一段时间后，出现了上导轨变形的情况，导致移门沿导轨滑动困难。据现场检测结果显示，移门在初期使用时运行良好，能够顺畅地沿导轨滑动，并且具有良好的开关性能和运动状态。然而，变形后的上导轨在移门滚过限位器的区域呈现出波浪形的分布形式，使得现场分析难以找到故障原因。

针对移门相对于导轨无法固定的问题，为了控制其自由运动，系统通常会设计成过约束的状态。这种系统在受力情况上较为复杂，且容易受到装配误差的影响，因此故障的诊断和修复都有一定的难度。

然而，通过运用CAE仿真技术，我们可以模拟滑移门在导轨上滑动和越过限位器的过程。同时，我们可以通过调整输入参数来模拟实际中可能出现的误差。通过这种方式，我们可以研究各种误差对车门开启运动的影响，从而快速找出故障的原因。

本文阐述了运用ABAQUS/Explicit 模拟移门的运动过程，找到导致移门失效的根本原因，并为导轨的强度设计提供载荷依据的方法。

滑移门采用了一种创新的结构，它由三个滚轮支架和与车身固定连接的导轨组成。这些滚轮支架通过铰链与门内板相连，可以自由旋转，形成一个多自由度的复杂系统。而滚轮与导轨的接触不仅可以限制这些自由度的运动，还具有引导移门沿特定轨迹滑动的作用。

前文提到，当移门使用一段时间后，当下支架滚轮滚动经过限位器弹片时，上导轨外侧会发生变形。由于导轨只与滚轮接触，因此导轨变形的原因只能是滚轮作用于导轨的载荷超过了其承载极限。为了探究这个问题的原因，我们可以考虑以下三种可能性：

1. 导轨的微小变形和偏差在使用过程中被积累放大；
2. 限位器的弹片被滚轮多次滚压后磨损、变形；
3. 滚轮与导轨间磨损，导致两者之间摩擦系数增大。为了验证这三种可能性的影响，我们可以采用CAE仿真模拟的方法，通过改变计算模型的输入条件来评估它们对移门与导轨运动状态的影响。

有限元分析

当分析移门系统经过限位器时，滚轮与导轨的受力情况以及限位器的变形情况是我们要关注的重点。由于移门系统包含的部件较多，为了提高计算速度，我们在模型中进行了简化处理。具体来说，我们详细建立了滚轮、滚轮支架、导轨和限位器等部件，而将移门的内、外板、保险杠、门锁等部件简化为集中质量和转动惯量单元，仅保留其质量分布特性。这是我们建立的有限元模型，如图 3 所示。

为了模拟上述三种可能的因素对滚轮与导轨间载荷的影响，我们在计算模型中进行了以下调整：

对于因素（1），我们调整了导轨的形状和位置，以模拟实际运行情况下可能出现的偏移和误差。

对于因素（2），我们调整了限位器弹片的厚度和形状，以模拟经过一段时间的使用和挤压后，簧片可能发生的变形和磨损情况。

对于因素（3），我们调整了滚轮与导轨间的摩擦系数，以模拟在运行过程中可能出现的摩擦力增大现象。

通过这些调整，我们能够更准确地模拟和预测实际运行状态下，这三种因素对滚轮与导轨间载荷的影响，从而更好地优化系统的性能和稳定性。

通过调整参数并进行仿真计算，我们发现导轨与滚轮间的作用力是导致移门运动失效、导轨变形的重要原因。图4展示了摩擦系数分别为0.02、0.05、0.1、0.2时上支架滚轮与导轨之间的接触力曲线。可以观察到，当摩擦系数为0.02、0.05、0.1时，滚轮作用于导轨的载荷存在一个极限值。当滚轮滚过限位器后，作用力逐渐减小。然而，当摩擦系数增大到0.2时，滚轮与导轨间的载荷呈现出发散的趋势，接触力不断增大，直到导轨因承载能力超出极限而变形损坏。这一发现对于改进移门系统的设计具有重要意义。

观察图5可以了解摩擦系数为0.2时，限位器后的上支架滚轮在导轨上的接触情况。具体来说，上支架的前滚轮与导轨的外侧相触，后滚轮则与导轨的内侧相触。在开启过程中，通过移门的绞接点，我们可以看到上支架的运动方式会形成一个逆时针的力矩，这将加剧滚轮和导轨之间的正压力，并进一步提高摩擦阻力。值得注意的是，当滚轮和导轨之间的摩擦系数增大到一定程度时，随着移门力的增加将无法克服摩擦阻力的增加，从而形成一种自锁效应。这种自锁效应会导致接触力发散，最终超出导轨的承载能力，并导致导轨受损甚至破坏。

根据上述仿真计算，可以得出以下两个导致导轨变形的原因：(1)滚轮与导轨之间的摩擦系数在使用后因磨损而增大，形成自锁；(2)上支架与车门绞接点距离滚轮距离较远，开启过程中形成较大逆时针力矩，加大了滚轮与导轨间的正压力。针对以上分析结果，改进从两方面入手：(1) 保证滚轮与导轨间的摩擦系数可以维持在稳定的较低水平；(2) 减小上导轨支架与车门绞接点到滚轮之间的距离。虽然改进(1)需要找到耐磨性更好的替代材料，但受现实条件限制没有采用。因此，采用了改进方案(2)，重新设计上支架结构，具体结构如图6所示。

在进行了结构改进后，上支架滚轮与导轨之间的接触力曲线如图7所示。可以看到，即使摩擦系数高达0.2，接触力仍然呈现出稳定的收敛趋势，不再出现自锁的情况。这一改进效果非常显著，有效地解决了之前的问题。最后，通过试验验证，采用该方案后移门运动的可靠性得到了大幅提升，完全满足使用要求。

1. 移门运动的可靠性受诸多因素影响，其中尤其以滚轮的摩擦特性、支架的结构形式影响最大；为提高移门的运动可靠性，滚轮支架与车门的绞接点距离滚轮的距离应该尽可能短；滚轮在使用一段时间后会磨损，摩擦系数有可能增大，从而影响移门的运动可靠性，应尽可能选用耐磨性较好的材料制做滚轮；ABAQUS/Explicit 可以较好的模拟移门开关过程以及滚轮与导轨之间的摩擦，很好的再现和预测了试验。