一种铰链的设计方法与流程

1.本发明涉及铰链结构设计领域，特别涉及一种铰链的设计方法。


背景技术：

2.目前，在汽车制造领域中，汽车的车门大多采用活动部件与车身连接，从而可使车门自由开启，通常使用铰链作为车门与车身的连接件，铰链性能的好坏直接影响到车门性能的好坏。
3.相关技术中，随着技术的发展，需求新增的车型越来越多，在整车开发周期中，铰链的设计周期短，开发人员资源有限，因此开发过程中主要依靠参考竞品车型、已有产品、个人或专业团队的开发经验，没有完整的设计理论方法及验证，一般是一个车型使用一种铰链结构形式，且铰链的体积较大，通用性差，已经无法适配目前的车型需求。因此，有必要设计一种铰链的设计方法，以克服上述问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种铰链的设计方法，以解决相关技术中铰链的体积较大，通用性差的问题。
5.第一方面，提供了一种铰链的设计方法，其包括以下步骤：对与铰链的外轮廓相关的尺寸进行分解，得到多个关键尺寸；确定对所述铰链的外轮廓以及所述铰链的静态强度荷载影响最大的所述关键尺寸，记为基准尺寸；通过控制变量法对具有不同数值的所述基准尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析，得出下沉位移随所述基准尺寸的变化的第一趋势图和所述铰链的重量随所述基准尺寸的变化的第二趋势图；根据所述第一趋势图和所述第二趋势图，确定所述基准尺寸在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的取值；以所述基准尺寸为基准，确定除所述基准尺寸之外的其余所述关键尺寸的取值。
6.一些实施例中，所述铰链包括固定页、轴以及活动页，所述固定页设有连接所述轴的第一圆柱，所述活动页设有连接所述轴的第二圆柱，且所述固定页设有第一固定点，所述活动页设有第二固定点；所述对与铰链的外轮廓相关的尺寸进行分解，得到多个关键尺寸，包括：在垂直方向，将所述铰链的尺寸分解为轴径b1、所述第一圆柱或者所述第二圆柱的外径b2、所述第一圆柱的高度b3以及所述第二圆柱的高度b4；在横向方向，将所述铰链的尺寸分解为所述固定页的厚度a1、所述活动页的厚度a2、所述第一固定点的分布尺寸a3以及所述第二固定点的分布尺寸a4。
7.一些实施例中，所述第一固定点包括第一前固定点和第一后固定点，所述第二固定点包括第二前固定点和第二后固定点；所述第一固定点的分布尺寸a3包括所述第一前固定点与所述第一后固定点之间沿横向方向的距离a31，以及所述第一后固定点与所述第一圆柱的轴线之间的距离a32；所述第二固定点的分布尺寸a4包括所述第二前固定点与所述第二圆柱的轴线之间的距离a41，以及所述第二后固定点与所述第二前固定点之间沿横向方向的距离a42。
8.一些实施例中，所述确定对所述铰链的外轮廓以及所述铰链的静态强度荷载影响最大的所述关键尺寸，记为基准尺寸，包括：通过控制变量法分别对具有不同数值的多个所述关键尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析；根据每个所述关键尺寸对所述铰链的静态强度荷载以及对所述铰链的重量的影响程度，对多个所述关键尺寸进行敏感度排序；将敏感度最高的所述关键尺寸记为所述基准尺寸。
9.一些实施例中，所述通过控制变量法对具有不同数值的所述基准尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析，得出下沉位移随所述基准尺寸的变化的第一趋势图和所述铰链的重量随所述基准尺寸的变化的第二趋势图，包括：改变所述基准尺寸的数值，并保持其余所述关键尺寸的数值不变；对所述铰链施加预设荷载，并记录施加预设荷载处的下沉位移随所述基准尺寸的变化的第一趋势图和所述铰链的重量随所述基准尺寸的变化的第二趋势图。
10.一些实施例中，所述铰链还包括衬套，所述根据所述第一趋势图和所述第二趋势图，确定所述基准尺寸在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的取值，包括：根据所述第一趋势图和所述第二趋势图，确定所述基准尺寸在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的取值范围；根据所述衬套的规格尺寸，在所述基准尺寸的取值范围内选取所述基准尺寸的数值。
11.一些实施例中，所述以所述基准尺寸为基准，确定除所述基准尺寸之外的其余所述关键尺寸的取值，包括：以所述基准尺寸为基准，其余所述关键尺寸按照与所述基准尺寸的比例倍数进行换算，分别得到其余所述关键尺寸对应的取值。
12.一些实施例中，所述以所述基准尺寸为基准，其余所述关键尺寸按照与所述基准尺寸的比例倍数进行换算，分别得到其余所述关键尺寸对应的取值，包括：以所述基准尺寸为基准，通过控制变量法对具有不同数值的其余所述关键尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析，得出下沉位移分别随其余所述关键尺寸的变化的第三趋势图和所述铰链的重量随其余所述关键尺寸的变化的第四趋势图，其中，其余所述关键尺寸的不同数值通过改变所述关键尺寸与所述基准尺寸的比例倍数得到；根据所述第三趋势图和所述第四趋势图，确定其余每一所述关键尺寸在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的比例倍数取值范围；根据所述基准尺寸的取值，以及其余所述关键尺寸的比例倍数取值范围，确定其余所述关键尺寸的取值。
13.一些实施例中，在所述以所述基准尺寸为基准，确定除所述基准尺寸之外的其余所述关键尺寸的取值之后，还包括：根据确定的所述基准尺寸的取值以及其余所述关键尺寸的取值，建立所述铰链的cae仿真模型；对所述cae仿真模型进行拓扑计算，确定所述cae仿真模型上的力传递路径区域；对所述cae仿真模型上所述力传递路径区域以外的部分做挖空处理。
14.一些实施例中，在所述对与铰链的外轮廓相关的尺寸进行分解，得到多个关键尺寸之前，还包括：建立至少两种铰链模型，其中，两种铰链模型的结构不同；对两种所述铰链模型进行静态载荷下沉工况模拟；选取静态承载强度最大的铰链模型作为所述铰链的外轮廓结构。
15.本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明实施例提供了一种铰链的设计方法，由于对铰链的尺寸进行了分解，并通过模拟分析得出了下沉位移随基准尺寸变化的趋势图，以及铰链重量随基准尺寸变化的趋势图，从趋势图中可以得出该基准尺寸在铰
链的重量最轻以及下沉位移点最小处的取值，从而可以得出其余关键尺寸的取值，确定铰链的最小最优结构尺寸，可在满足使用工况情况下，减小铰链重量的同时极大提升了其静态下沉载荷；并且外观尺寸较小，通用性较好。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的一种铰链的垂直方向的部分尺寸示意图；
18.图2为本发明实施例提供的一种铰链的垂直方向的另一部分尺寸示意图；
19.图3为本发明实施例提供的一种铰链的横向方向的部分尺寸示意图；
20.图4为本发明实施例提供的一种铰链的横向方向的另一部分尺寸示意图；
21.图5为本发明实施例提供的b1的尺寸
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位移趋势图；
22.图6为本发明实施例提供的b1的尺寸
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重量趋势图；
23.图7为本发明实施例提供的b2的尺寸
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位移趋势图；
24.图8为本发明实施例提供的b2的尺寸
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重量趋势图；
25.图9为本发明实施例提供的b31的尺寸
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位移趋势图；
26.图10为本发明实施例提供的b31的尺寸
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重量趋势图；
27.图11为本发明实施例提供的b32的尺寸
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位移趋势图；
28.图12为本发明实施例提供的b32的尺寸
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重量趋势图；
29.图13为本发明实施例提供的b41的尺寸
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位移趋势图；
30.图14为本发明实施例提供的b41的尺寸
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重量趋势图；
31.图15为本发明实施例提供的b42的尺寸
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位移趋势图；
32.图16为本发明实施例提供的b42的尺寸
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重量趋势图；
33.图17为本发明实施例提供的a1的尺寸
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位移趋势图；
34.图18为本发明实施例提供的a1的尺寸
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重量趋势图；
35.图19为本发明实施例提供的a2的尺寸
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位移趋势图；
36.图20为本发明实施例提供的a2的尺寸
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重量趋势图；
37.图21为本发明实施例提供的a31的尺寸
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位移趋势图；
38.图22为本发明实施例提供的a31的尺寸
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重量趋势图；
39.图23为本发明实施例提供的a32的尺寸
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位移趋势图；
40.图24为本发明实施例提供的a32的尺寸
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重量趋势图；
41.图25为本发明实施例提供的a41的尺寸
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位移趋势图；
42.图26为本发明实施例提供的a41的尺寸
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重量趋势图；
43.图27为本发明实施例提供的a42的尺寸
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位移趋势图；
44.图28为本发明实施例提供的a42的尺寸
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重量趋势图。
45.图中：
46.1、固定页；11、第一圆柱；12、第一固定点；121、第一前固定点； 122、第一后固定
点；
47.2、轴；
48.3、活动页；31、第二圆柱；32、第二固定点；321、第二前固定点； 322、第二后固定点。
具体实施方式
49.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.本发明实施例提供了一种铰链的设计方法，其能解决相关技术中铰链的体积较大，通用性差的问题。
51.本发明实施例提供了一种铰链的设计方法，其可以包括以下步骤：
52.步骤1：对与铰链的外轮廓相关的尺寸进行分解，得到多个关键尺寸。
53.在一些实施例中，在所述对与铰链的外轮廓相关的尺寸进行分解，得到多个关键尺寸之前，还可以包括：建立至少两种铰链模型，其中，两种铰链模型的结构不同；对两种所述铰链模型进行静态载荷下沉工况模拟；选取静态承载强度最大的铰链模型作为所述铰链的外轮廓结构。常见的车门外置式铰链一般由固定页1、铰链轴2、活动页3、衬套组成，其中，固定页1、铰链轴2、活动页3三者相互配合(参见图 1所示)，便于分析先简化模型，可以将衬套去掉，其受力传递路径为固定页1
→
铰链轴
→
活动页3。本实施例中，选取内嵌式铰链和交错式铰链这两种铰链模型，并对两种铰链模型进行初步的模拟实车状态静态下沉工况测试计算分析，在紧固件螺栓固定点及加载工况相同的情况下，其固定页1、铰链轴2、活动页3三者啮合尺寸越大，其静态承载强度越大，也即交错式结构车门铰链相比普通内嵌式铰链性能有所提升，因此，可以选取交错式铰链作为较优的铰链结构。
54.进一步，所述对两种所述铰链模型进行静态载荷下沉工况模拟，可以包括：分别在两种所述铰链模型的预设位置施加垂直向下的加载力。本实施例中，具体加载工况为，在距离铰链轴轴线1000mm的位置处施加1000n的加载力，且加载方向垂直向下，得出内嵌式铰链距离铰链轴轴线1000mm位置处加载点(也即锁点)的下沉位移为0.168mm，交错式铰链距离铰链轴轴线1000mm位置处加载点(也即锁点)的下沉位移为0.159mm，交错式铰链的重量与内嵌式铰链的重量相比减轻了9.19％，交错式铰链的静态下沉载荷与内嵌式铰链的静态下沉载荷相比提高了5.66％。
55.参见图1至图4所示，本实施例中，所述铰链包括固定页1、轴2 以及活动页3，所述固定页1设有连接所述轴2的第一圆柱11，所述活动页3设有连接所述轴2的第一圆柱11，所述第一圆柱11和所述第二圆柱31均设有供所述轴2穿过的通孔，且所述固定页1设有第一固定点12，第一固定点12用于固定于车身，所述活动页3设有第二固定点32，第二固定点32用于固定于车门；所述对与铰链的外轮廓相关的尺寸进行分解，得到多个关键尺寸，可以包括：在垂直方向，将所述铰链的尺寸分解为轴径b1(也即轴2的外径)、所述第一圆柱11或者所述第二圆柱31的外径b2(本实施例中，第一圆柱11与第二圆柱31的外径相同)、所述第一圆柱11的高度b3以及所述第二圆柱31的高度 b4，本实施例中，所述第一圆柱11分为间隔设
置的两部分，两部分所述第一圆柱11的高度分别为b31和b32，所述第二圆柱31也分为间隔设置的两部分，两部分所述第二圆柱31的高度分别为b41和b42；在横向方向，将所述铰链的尺寸分解为所述固定页1的厚度a1、所述活动页3的厚度a2、所述第一固定点12的分布尺寸a3以及所述第二固定点32的分布尺寸a4；通过对铰链按照垂直方向和横向方向细分为多个关键尺寸，便于对铰链每个部位的尺寸进行精确控制，这些关键尺寸均可最直接的控制铰链的外轮廓形状尺寸。
56.参见图4所示，进一步，所述第一固定点12可以包括第一前固定点121和第一后固定点122，所述第二固定点32可以包括第二前固定点321和第二后固定点322；所述第一固定点12的分布尺寸a3可以包括所述第一前固定点121与所述第一后固定点122之间沿横向方向的距离a31，以及所述第一后固定点122与所述第一圆柱11的轴线之间的距离a32；所述第二固定点32的分布尺寸a4可以包括所述第二前固定点321与所述第二圆柱31的轴线之间的距离a41，以及所述第二后固定点322与所述第二前固定点321之间沿横向方向的距离a42，将铰链上的固定点进行划分，可以直观的控制铰链轮廓尺寸，便于后续的数据统计分析。
57.步骤2：确定对所述铰链的外轮廓以及所述铰链的静态强度荷载影响最大的所述关键尺寸，记为基准尺寸。
58.在一些实施例中，所述确定对所述铰链的外轮廓以及所述铰链的静态强度荷载影响最大的所述关键尺寸，记为基准尺寸，可以包括：通过控制变量法分别对具有不同数值的多个所述关键尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析；也就是说，可以保持b2、b3、b4、a1、a2、a3和a4的数值不变，逐渐改变b1的数值，记录铰链的重量受b1数值的影响，并且对铰链进行静态下沉工况模拟，记录铰链的静态强度荷载受 b1数值的影响，其余的关键尺寸也可以按照此方法分别进行模拟计算，根据每个所述关键尺寸对所述铰链的静态强度荷载以及对所述铰链的重量的影响程度，对多个所述关键尺寸进行敏感度排序；将敏感度最高的所述关键尺寸记为所述基准尺寸，通过该方法确定出来的基准尺寸更加精准。本实施例中，轴径b1为敏感度最高的关键尺寸，也即轴径 b1最大的影响了铰链的轮廓及铰链静态强度载荷，因此以轴径b1作为基准尺寸，在其他实施例中，也可以根据工作经验，或者简单试计算的方式选出基准尺寸。
59.步骤3：通过控制变量法对具有不同数值的所述基准尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析，得出下沉位移随所述基准尺寸的变化的第一趋势图和所述铰链的重量随所述基准尺寸的变化的第二趋势图。
60.在一些实施例中，所述通过控制变量法对具有不同数值的所述基准尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析，得出下沉位移随所述基准尺寸的变化的第一趋势图和所述铰链的重量随所述基准尺寸的变化的第二趋势图，可以包括：改变所述基准尺寸的数值，并保持其余所述关键尺寸的数值不变，比如保持b2、b3、b4、a1、a2、a3和a4的数值不变，逐渐增大b1的数值；并且在逐渐改变所述基准尺寸的数值的同时，对所述铰链施加预设荷载(本实施例中，具体加载工况为，在距离轴2 的轴线1000mm的位置处施加1000n的加载力，且加载方向垂直向下)，并记录施加预设荷载处的下沉位移随所述关键尺寸的变化的第一趋势图和所述铰链的重量随所述关键尺寸的变化的第二趋势图(参见图5至图6所示)，便于计算及后期分类汇总。
61.步骤4：根据所述第一趋势图和所述第二趋势图，确定所述基准尺寸在所述铰链的
重量最轻以及下沉位移点最小处的取值。
62.在一些实施例中，所述铰链还包括衬套，所述根据所述第一趋势图和所述第二趋势图，确定所述基准尺寸在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的取值，可以包括：根据所述第一趋势图和所述第二趋势图，确定所述基准尺寸在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的取值范围，若铰链的重量与下沉位移成正比，则选取铰链的重量最轻同时下沉位移点最小时，所述基准尺寸的取值范围，若铰链的重量与下沉位移成反比，则选取下沉位移中等且重量中等位置处的所述基准尺寸的取值范围；根据实际市场通用的所述衬套的规格尺寸，在所述基准尺寸的取值范围内选取所述基准尺寸的数值。本实施例中，轴径b1 在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的取值范围为 6.0～12.0mm，根据实际市场通用的衬套规格系列定义轴径b1为6mm， 8mm，10mm的数值。
63.步骤5：以所述基准尺寸为基准，确定除所述基准尺寸之外的其余所述关键尺寸的取值。
64.在一些实施例中，所述以所述基准尺寸为基准，确定除所述基准尺寸之外的其余所述关键尺寸的取值，可以包括：以所述基准尺寸为基准，其余所述关键尺寸按照与所述基准尺寸的比例倍数进行换算，分别得到其余所述关键尺寸对应的取值。也即，将比例倍数乘以基准尺寸的数值得到其余所述关键尺寸的数值。
65.进一步，所述以所述基准尺寸为基准，其余所述关键尺寸按照与所述基准尺寸的比例倍数进行换算，分别得到其余所述关键尺寸对应的取值，可以包括：以所述基准尺寸为基准，通过控制变量法对具有不同数值的其余所述关键尺寸的铰链进行静态下沉模拟分析，得出下沉位移分别随其余所述关键尺寸的变化的第三趋势图和所述铰链的重量随其余所述关键尺寸的变化的第四趋势图，其中，其余所述关键尺寸的不同数值通过改变所述关键尺寸与所述基准尺寸的比例倍数得到，也即当需要计算b2的第三趋势图和第四趋势图时，保持b1、b3、b4、a1、 a2、a3和a4的数值不变，并且以b1的数值为基准，逐渐改变b2与 b1之间的比例倍数，同时对所述铰链施加预设荷载(本实施例中，具体加载工况为，在距离轴2的轴线1000mm的位置处施加1000n的加载力，且加载方向垂直向下)，并记录施加预设荷载处的下沉位移随比例倍数的变化的第三趋势图和所述铰链的重量随比例倍数的变化的第四趋势图，其他关键尺寸，比如b3、b4、a1、a2、a3和a4的计算方法与b2的计算方法相同，可以分别得到b3、b4、a1、a2、a3和 a4对应的第三趋势图和第四趋势图(参见图7至图28所示)；根据每一个所述关键尺寸的所述第三趋势图和所述第四趋势图，可以确定其余每一所述关键尺寸在所述铰链的重量最轻以及下沉位移点最小处的比例倍数取值范围；根据所述基准尺寸的取值，以及其余所述关键尺寸的比例倍数取值范围，确定其余所述关键尺寸的取值，也就是说，基准尺寸的取值可以事先确定好，然后其余关键尺寸与基准尺寸之间的优选比例倍数取值范围也已经找到，在其余每一个关键尺寸的优选比例倍数取值范围内选取一个特定的比例倍数，然后该特定的比例倍数乘以基准尺寸的数值即可得到对应的该关键尺寸的数值，且所述关键尺寸根据各自在所述铰链上的分布位置，采取取值对称化、小数元整化，以提高车门铰链上下、左右的通用程度。本实施例中，以轴径b1为基准尺寸，其余关键尺寸对应的比例倍数取值范围参见表1，其中，表1中b1处对应的范围即为b1数值的取值范围，而其余关键尺寸对应的范围为其与b1的比例倍数取值范围。
66.表1
67.项目b1b2b31b32b41b42取值范围6.0～12.0mm1.1～1.252.0～2.42.1～2.50.7～1.32.1～2.5项目a1a2a31a32a41a42取值范围2.2～2.81.2～1.81.0～1.82.15～2.553.5～4.53.5～4.5
68.在一些实施例中，在所述以所述基准尺寸为基准，确定除所述基准尺寸之外的其余所述关键尺寸的取值之后，还可以包括：根据确定的所述基准尺寸的取值以及所述关键尺寸的取值，建立所述铰链的cae仿真模型；对所述cae仿真模型进行拓扑计算(也即计算静态强度及力的传递路径)，确定所述cae仿真模型上的力传递路径区域；对所述 cae仿真模型上所述力传递路径区域以外的部分做挖空减重处理。本实施例中，采用交错式铰链的仿真结果是重量为0.55kg，距离轴线 1000mm位置处的下沉位移为0.091mm，采用交错式铰链的仿真结果重量为0.8kg，距离轴线1000mm位置处的下沉位移为0.168mm，采用交错式铰链减重31％，静态下沉载荷提高45％。本发明实施例提供的设计方法可在满足使用工况情况下，在减小了铰链重量的同时极大提升了其静态下沉载荷，利用本发明的所示的计算方法及尺寸关系，可缩短设计周期，提升效率，在满足设计工况的情况下，求解出最小最优铰链尺寸，无过度设计，无过量设计。
69.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
70.需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
71.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。