摘要：近年来，我国的汽车行业发展迅速，在汽车中，车门是非常重要的组成部分。车门限位系统对车门的开闭有着极其重要的作用，随着对车门开闭要求的提高，对限位系统也提出了全新的设计要求。文章主要针对车门限位系统的力学性能研究，着重分析限位系统的各个零部件的受力情况、应力分布、应变分布、开关门换挡力，探寻最佳的结构设计和参数匹配。
关键词：失效分析；MnS夹杂；限位臂；QSTE420TM钢
引言
车门限位器是限制车门打开角度的构件，是汽车中重要的零部件。汽车门限位器既可以限制车门的最大开度，防止车门打开过大导致车门外板和车体发生碰撞；又可以在需要时使车门保持一定的开启度，不会使门自动关闭。现代汽车中常用的限位器有拉杆限位器和扭杆弹簧限位器等。本文通过显微组织观察和能谱分析等手段，研究门限位器限位臂裂纹萌生和扩展的要因，对门限位器材料的显微组织控制起到一定的指导作用。
1车门限位器结构分析
1.1限位器的布置
车门限位器布置时应保证与周边的零部件存有安全间隙，一般应布置在车门的上铰链与下铰链之间，并且尽量靠近下铰链的位置，但由于车门内其他附件的边界条件限制使得限位器的布置出现偏上或者偏下的现象。在限位器布置时，应该尽量使限位器的旋转中心与铰链转动中心相平行，以免限位器臂与支座发生摩擦而产生异响.限位器的旋转中心到铰链转动中心的距离对限位器的结构设计也有很大影响，如果布置空间狭小，将会影响限位器臂的摆动幅度。因此，车门限位器的布置直接影响到限位器的工作性能，需合理设计车门限位器臂的轨迹，使其达到最优性能状态。
1.2车门限位器的材料
限位器运动过程中，圆头滑块与限位臂持续摩擦，需选用耐磨材料POM。有些车门限位器不采用圆头滑块的结构，而采用滚针的结构，滚针的材料一般采用钢35。车门限位器的限位臂与车门限位器连接支架用销轴铆接在一起，销轴的材料一般为钢45。限位器的各个部件的材料并不是只有一种选择，特别是金属材料，在满足要求的情况下，材料和料厚都能选择其他的材料和牌号。
2试验检测与分析
（1）检测方法。对失效件试样经过线切割机切取断裂部位，磨制抛光侵蚀后使用LEICADM6000M光学显微镜进行显微组织观察；采用LEICAM205A立体体视显微镜进行宏观断口形貌观察；采用日本日立HITACHISu70扫描电镜进行显微组织及断口形貌观察，对钢中夹杂进行能谱微区成分分析；采用HVS-1000显微硬度仪进行显微硬度测试。（2）宏观形貌观察。门限位器失效位置位于开孔处，断裂面沿宽度最小方向扩展，零件开孔处的应力集中比其他区域严重。断裂处的有效截面较小，受到的应力最大，容易在此处失效。（3）材质检测。QSTE420TM钢属于酸洗热轧结构钢，是常用的碳锰汽车结构钢，一般使用厚度不小于1.8mm。通过光电直读光谱仪测定零件材料的化学成分。QSTE420TM钢成分符合Q/BQB310-2014要求。QSTE420TM材料的屈服强度≥420MPa,抗拉强度为480-620MPa。通过对试样进行5次维氏硬度的测量，平均值为180HV，根据GB/T33362-2016查表换算的材料强度大约为575MPa，强度符合Q/BQB310-2014要求。（4）显微组织分析。用电火花线切割机从样品断口处截取金相试样，经研磨抛光后，用4%硝酸酒精腐蚀后观察金相形貌。按照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行评定，钢中夹杂物主要为B类（氧化铝类）和D类（球状氧化物类）。样品的基体组织主要是铁素体+珠光体，颗粒状的珠光体组织主要分布在铁素体晶界处。厚度边缘有少量的白亮的纯铁素体组织形貌,说明试样的边缘存在轻微的脱碳现象，脱碳层深度在25μm左右。试样厚度中心存在偏析现象，带状组织等级为2级。
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3车门限位器的设计要点
限位器的设计要注意以下几点：限位臂旋转中心线与铰链中心线平行；限位器安装支架与铰链旋转中心线平行；限位盒内滚针必须时刻与限位臂曲线垂直；限位臂曲线所在平面P1必须与铰链旋转中心线垂直。车门限位器数模完成后，需要进行运动DMU分析，来验证整个开门系统是否满足整车整车设计要求，当限位器限位臂不能满足要求是，对限位器本身进行优化。运动分析过程中要考虑以下几点：铰链与车门限位器开关门角度分析；车门限位器与相关零件（玻璃、玻璃导轨等）之间的间隙分析；车门限位器本身的间隙分析。
4力学性能计算与分析
4.1限位臂杆力学研究
受到乘客推门力的作用，限位盒体会滑到限位器的档位。此时限位系统所受到的不仅仅是推力，同时也有风力和摩擦力，更主要的是限位臂杆运动到终止位置时的车门惯性力或者乘客的过开门力，而这个作用力主要是通过止挡块作用在限位臂杆上的（称为作用力）。假定车门的重量为30Kg，并且加上人为破坏开门力，假设纵向拉伸力为8000N，设置摩擦力值为20N。随后就会得到臂杆在终止位置时由于过力开门破坏时的应力分布情况。
4.2限位壳体力学研究
通过分析可以看出，应力最大处是限位盒体凸台部分与底面部分连接处略往上方位置，最大应力值虽然为147MPa，最大变形量仅为0.0118mm，位移量相对微小，可以忽略不计，没有超过材料屈服极限。分析车门开启时限位系统在过力开门位置时的受载情况，可以得出以下结论：在设计限位系统时要充分考虑其在车门上的安装位置，得到设计的最优解；在加工制造时，要在切槽处倒圆角以减小应力集中，防止在此处发生断裂；安装时要注意误差和精度，避免由于安装而影响限位系统寿命。
4.3安装支架力学分析
分析得到安装支架的受载应力分布情况，可以看到最大应力发生在安装支架与限位臂杆连接处，且最大应力值为82.6MPa。支架选定材料抗拉强度为170～270MPa左右，故该零件不会发生失效现象，也不会影响限位系统工作。在车门过力破坏开启到最大档位置时，安装支架会发生相应的位移变形量，由于最大变形量为0.17mm，最大变形区为安装支架与限位臂杆靠近处。由于变形量很小，而且所有的作用力只是短暂性的，并不是持续作用，所以实际工作中的变形量要小的多。在考虑材料的弹性模量作用，可以得出在真实情况下的位移变形量是可以忽略的。
4.4限位器止档块力学分析
止挡块仅仅在限位器滑动到二档时才起作用，工作时靠其带有半圆球凸台的一面与限位盒体底面接触，以达到限位作用。现在假定其受到车门惯性力的冲击载荷作用，在过力开门状态下，车门会带动限位盒体压向止挡块，给定载荷为8000N。计算分析其受载后的力学性能，止挡块在承受冲击载荷时其应力最大区域在尾部与限位臂杆连接处，最大值为120MPa，未超过铸铁的抗拉强度（170MPa～270MPa）。
结语
综上所述，通过断口剖面组织观察发现钢中存在沿轧制产生的带状组织分布的MnS夹杂，长条状的MnS夹杂恶化了钢的力学性能，成为裂纹萌生和扩展的通道，从而导致门限位器限位臂在额定寿命内失效。QSTE420TM钢在冶炼过程中，需要严格控制S元素的含量和夹杂物的尺寸大小，从而提高零件的寿命。
参考文献
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论文作者:马鑫1,孙坤朋2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/21
标签：车门论文; 应力论文; 铰链论文; 材料论文; 支架论文; 组织论文; 门限论文; 《电力设备》2018年第23期论文;