微型車正裝撐桿背門上移問題分析

郭曉青 張黎宏 宋必文

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

微型車正裝撐桿背門上移問題分析

郭曉青 張黎宏 宋必文

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

針對(duì)微型車背門正裝撐桿后產(chǎn)生上移的現(xiàn)象，對(duì)安裝撐桿前、后的現(xiàn)有車型背門進(jìn)行了理論受力分析，并進(jìn)行了CAE仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)。分析表明背門發(fā)生上移是由于受到向上的撐桿與鎖環(huán)限位力的合力所致，且明確了上移量的數(shù)值確定方法，可為新車型在設(shè)計(jì)階段預(yù)留上移量提供理論參考。

1 微型汽車背門上移問題

微型汽車背門撐桿（也稱空氣彈簧）是背門總成的關(guān)鍵部件，可控制背門在一定范圍內(nèi)打開、助力、限位。按照背門撐桿的安裝方式，通常分為正裝和倒裝2種。正裝撐桿的缸筒端連接在背門內(nèi)板上部，活塞桿端連接在車體上，背門開啟過程中，活塞桿不翻轉(zhuǎn)，如圖1所示；倒裝撐桿的活塞桿端連接在背門內(nèi)板下部上，缸筒端連接在車體上，在背門開啟過程中，活塞桿有翻轉(zhuǎn)過程，如圖2所示。

某公司生產(chǎn)的某款微型車V1的后背門在總裝生產(chǎn)線正裝撐桿后，背門上移，Z向上移量為2～3 mm，造成車門與頂蓋的面差超差，嚴(yán)重了影響外觀品質(zhì)。

2 背門上移現(xiàn)象分析

2.1 背門系統(tǒng)約束分析

首先對(duì)背門在關(guān)閉狀態(tài)下所受的約束進(jìn)行分析，如圖3所示，判斷背門是否Z向約束充足。從圖4中可見，在XZ平面上，背門系統(tǒng)在鉸鏈處約束沿X、Z方向的2個(gè)自由度，車門可以繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)；在鎖環(huán)處背門被切向卡緊，繞鉸鏈軸的轉(zhuǎn)動(dòng)被約束，因此，整個(gè)背門系統(tǒng)在鉸鏈和門鎖約束下各方向的自由度為0。由此可見，若背門系統(tǒng)為剛體，在全約束狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生背門上移現(xiàn)象，但由于背門、頂蓋非絕對(duì)剛性體，在受外力時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性或者塑性變形，受力時(shí)可能導(dǎo)致背門位置變化。

2.2 安裝撐桿前后背門受力分析

對(duì)關(guān)閉狀態(tài)下背門安裝撐桿前、后所受的力進(jìn)行對(duì)比分析，以鉸鏈軸為中心，背門合力矩為0。安裝撐桿前，背門所受力包括重力G、密封條及緩沖塊的彈力Fs、鎖環(huán)鎖緊力Ft，如圖5a所示；安裝撐桿后，重力不變，密封條和緩沖塊的反彈力不變，背門所受的力中增加了撐桿力Fc，由于鉸鏈處增加了撐桿力矩，因此鎖環(huán)限位力也受影響而變化成Ft2，如圖5b所示。由此可見，安裝撐桿前、后背門受力變化值ΔF等于撐桿力Fc與鎖環(huán)限位力變化值ΔFt的合力，如圖5c所示，ΔF即是使背門安裝撐桿后產(chǎn)生位移的作用力。

2.2.1 ΔF的計(jì)算

在Y0平面上，已知關(guān)閉狀態(tài)下?lián)螚U與Z向夾角為α，鎖環(huán)與Z向夾角為β，撐桿力到鉸鏈軸線的力臂為L(zhǎng)c，鎖環(huán)力到鉸鏈軸線的力臂為L(zhǎng)t，如圖6所示。

根據(jù)圖6受力分析可以得出以下公式:

式中，F(xiàn)cX、FcZ分別為X、Z方向撐桿力；ΔFtX、ΔFtZ分別為X、Z方向鎖環(huán)限位力變化值。

根據(jù)公式得到背門合力變化值ΔF合與各參數(shù)關(guān)系曲線（圖7），其中，撐桿與Z向夾角α、鎖環(huán)與Z向夾角β、撐桿力對(duì)于鉸鏈軸線的力臂Lc、鎖環(huán)力到鉸鏈軸線的力臂Lt等由于受自身布置結(jié)構(gòu)限制僅在小范圍內(nèi)變化。

可見，ΔF主要受撐桿力影響，F(xiàn)C越大，ΔF越大。并且ΔF可分解為X、Z 2個(gè)方向的分力（圖8），分別導(dǎo)致背門沿X、Z方向的變形。撐桿與Z軸夾角α越大，ΔF在Z向分力越小、X向分力越大。

2.2.2 ΔF的Z向分力與重力關(guān)系

背門撐桿布置和背門受力如圖9和圖10所示。

根據(jù)背門受力圖及撐桿力計(jì)算公式可以得出:

式中，F(xiàn)1為撐桿最小伸展力；F4為撐桿最大壓縮力；LG1為開啟狀態(tài)重力力臂；LC1為開啟狀態(tài)撐桿力臂；k為撐桿特性值，通常為1.2～1.3；n為安全系數(shù)，通常為1.1～1.2；f為撐桿內(nèi)阻，受廠家制造能力影響，通常為20～60 N；β最小值為0°，sinβ最小為0；cosα受造型限制，α最小為45°，cosα最小值為cosγ受造型限制，γ最小為30°，cosγ最小值為

可以得出:

式中，ΔFZmin為ΔFZ向分力的最小值。

可見，ΔFZmin﹥G時(shí)裝撐桿后背門會(huì)被抬起，但是由于受到鉸鏈約束，背門上移受到限制，在力的作用下背門產(chǎn)生變形。

2.3 V1車的背門受力計(jì)算

已知V1車的背門重量M=27kg，開啟狀態(tài)重力力臂LG1=661.6 mm，撐桿與Z軸夾角α=6.72°，撐桿與Y0面夾角γ=5.34°，關(guān)閉狀態(tài)撐桿力臂Lc=10.16 mm，開啟狀態(tài)撐桿力臂LC1=168.47 mm，鎖環(huán)與Z軸夾角β=5.14°，鎖環(huán)作用力臂Lt=1320.43 mm。

根據(jù)公式可得:

可求得:ΔFZ=989.5 N，ΔFX=109 N，ΔF=1 991 N，ΔF與Z向夾角6.29°，如圖11所示。

2.4 V1車背門上移量CAE仿真計(jì)算

由于位移是由背門鈑金變形產(chǎn)生，因此無法對(duì)位移量進(jìn)行理論計(jì)算，必須結(jié)合CAE分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。用Nastran有限元分析軟件對(duì)V1車的背門系統(tǒng)進(jìn)行安裝撐桿后的Z向變形量仿真分析，將背門系統(tǒng)按照實(shí)車狀態(tài)在鉸鏈和門鎖處加以約束，并在安裝撐桿處施加撐桿最大載荷，如圖12所示。

分析結(jié)果顯示，安裝撐桿后，背門及白車身的應(yīng)力滿足要求，未產(chǎn)生塑性變形，背門上移是由彈性變形產(chǎn)生（圖13）。背門沿周向上變形1～1.4 mm，在背門固定撐桿處變形量最大，背門上部Y0處變形量最小，如圖14所示。

2.5V1車背門上移量試驗(yàn)測(cè)量

為了驗(yàn)證CAE分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)室使用位移傳感器對(duì)V1車背門進(jìn)行安裝撐桿前、后的間隙面差測(cè)量。在背門上沿周選取13個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖15所示，其中5～9點(diǎn)為背門頂部測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果見表1。從測(cè)量結(jié)果可見，13個(gè)點(diǎn)中最大Z向變形為2.1 mm，在背門上端靠近撐桿安裝點(diǎn)處；最小Z向變形為0.8 mm，在背門上邊緣中心點(diǎn)（Y0處）。

表1 面差測(cè)量數(shù)據(jù)mm

為了進(jìn)一步觀察鉸鏈周圍的變形情況，對(duì)鉸鏈周圍區(qū)域的鈑金變形進(jìn)行了更詳細(xì)的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表2。從測(cè)量結(jié)果可見，安裝撐桿后，頂蓋上的鉸鏈定頁固定面變形較小，變形主要發(fā)生在背門里板的鉸鏈動(dòng)頁固定面一側(cè)，鉸鏈軸的Z向位移由鉸鏈軸與頁板的間隙造成。

表2 變形測(cè)量數(shù)據(jù)mm

2.6V1車背門上移量CAE分析值與試驗(yàn)值對(duì)比分析

從CAE分析與試驗(yàn)測(cè)量值可見，兩者的變形趨勢(shì)一致，但最大位移值有一定差值，CAE分析值小于試驗(yàn)值，這是由于CAE分析無法真實(shí)模擬實(shí)車中鉸鏈、門鎖的間隙和制造偏差值造成的。因此，確定背門上移量，一定要在CAE分析結(jié)果上增加鉸鏈的制造偏差及計(jì)算偏差。

對(duì)V1車的背門鉸鏈制造偏差進(jìn)行計(jì)算，圖16為V1車背門鉸鏈圖紙要求，從圖紙中可算出，鉸鏈制造偏差最大時(shí)可導(dǎo)致鉸鏈動(dòng)頁竄動(dòng)量0.325 mm。由于背門鎖與鎖環(huán)在鎖環(huán)方向有5.1 mm的安全間隙（圖17），背門有鎖環(huán)方向上移的運(yùn)動(dòng)空間。

3 結(jié)果分析

a.從上述可知，正裝撐桿后，背門發(fā)生上移現(xiàn)象是由于受到向上的撐桿與鎖環(huán)限位力的合力而產(chǎn)生的變形，Z向位移值的大小與撐桿力大小、合力方向、鉸鏈的制造偏差有關(guān)。

b.背門所受合力的變化不僅會(huì)產(chǎn)生Z向位移，還會(huì)產(chǎn)生X向位移，隨著ΔF與Z軸的夾角增大，X向位移也會(huì)增大，因?yàn)閂1車的ΔF與Z軸夾角僅為6°，在X向分力較小，因此X向位移在此忽略不計(jì)。

c.在鎖環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮鎖環(huán)與卡板的間隙值，預(yù)留出背門上移空間，避免卡板與鎖環(huán)干涉造成的背門應(yīng)力集中。

d.鉸鏈設(shè)計(jì)必須在車門安裝孔及頂蓋安裝孔之間預(yù)留足夠的調(diào)整量，在焊裝車間按照設(shè)計(jì)提供的預(yù)留量調(diào)整好背門與頂蓋側(cè)圍的間隙面差，避免在總裝線上重新進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于V1車，原背門鉸鏈固定頁板為9×12的長(zhǎng)圓孔，固定螺栓M8，Z向調(diào)整量小于背門實(shí)際上移量。最終通過調(diào)整背門鉸鏈動(dòng)頁安裝孔位置，將安裝孔Z向下移（圖18），同時(shí)調(diào)整背門鉸鏈安裝夾具，確保鉸鏈安裝后車門處于鉸鏈調(diào)整孔（調(diào)整量±2 mm）下極限。

經(jīng)過以上2項(xiàng)調(diào)整，在焊接車間裝配背門時(shí)將上移量提前預(yù)留，確保了總裝完成后車門與頂蓋面差符合設(shè)計(jì)要求。

1黃金陵主編.汽車車身設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

2劉巧玲，李洪主編.理論力學(xué).北京:科學(xué)出版社，2005.

3聶毓琴，孟廣偉主編.材料力學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年10月1日。

Analysis of Forward-installed Brace Rod on Mini Vehicle Rear Door Up Displacement

Guo Xiaoqing，Zhang Lihong，Song Biwen
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

To study the up displacement of forward-installed brace rod on mini vehicle's rear door，we perform stress analysis of the existing models'rear door，and make CAE simulation and bench test.The analysis shows that the up displacement of rear door is caused by the resultant force of the upward brace rod and the spacing force of lock ring，the number determination method is defined，which provides theoretical reference for reservation of up displacement of new vehicle models in the design stage.

Mini vehicle，Rear door up displacement，F(xiàn)orward-installed brace rod，CAE，Bench test

微型車背門上移正裝撐桿CAE臺(tái)架試驗(yàn)

U463.83+4

A

1000-3703（2014）12-0013-05