大型MPV車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

唐淳，李文璽

（安徽江淮汽車(chē)技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

大型MPV車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

唐淳，李文璽

（安徽江淮汽車(chē)技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

某大型 MPV車(chē)在試制試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)尾門(mén)下沉、氣撐桿球頭脫落等問(wèn)題，本文針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研、實(shí)物測(cè)量及原因分析，并做出了優(yōu)化措施，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)可靠性驗(yàn)證，有效地解決了問(wèn)題。最后總結(jié)了大型MPV車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)后續(xù)車(chē)型設(shè)計(jì)有較好的指導(dǎo)意義。

尾門(mén)下沉；氣撐桿；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-47-05

引言

尾門(mén)系統(tǒng)是汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立的總成，是供乘員和貨物出入的必要通道。尾門(mén)總成系統(tǒng)由尾門(mén)鈑金焊接總成和尾門(mén)附件（ 開(kāi)啟機(jī)構(gòu)、鎖、密封條、限位機(jī)構(gòu)等）總成組成。尾門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到整車(chē)的造型效果、密封性、視野及噪聲控制等諸方面。尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與附件結(jié)構(gòu)及布置需要考慮的因素也較多，既要保證尾門(mén)與整車(chē)的協(xié)調(diào)一致，還要保證尾門(mén)本身的功能要求。

本文主要針對(duì)某一大型 MPV車(chē)在尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和反復(fù)試制試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出了滿足要求的尾門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總結(jié)了尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并形成了大型 MPV類(lèi)車(chē)型尾門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指南，為后續(xù)車(chē)型的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1、尾門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)

尾門(mén)系統(tǒng)由尾門(mén)鈑金和附件組成，附件包括開(kāi)啟機(jī)構(gòu)、鎖、密封條、限位機(jī)構(gòu)等，尾門(mén)鈑金是整個(gè)附件系統(tǒng)的載體，鈑金既要滿足整個(gè)尾門(mén)強(qiáng)度和剛度的要求，又要滿足重量目標(biāo)的要求，還要滿足附件的安裝要求、工藝要求和美觀性要求，所以鈑金結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣起著關(guān)鍵的作用。

1.1 尾門(mén)鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尾門(mén)鈑金總成組成如圖1所示，主要由尾門(mén)內(nèi) 外板、鉸鏈加強(qiáng)板、鎖加強(qiáng)板、氣撐桿加強(qiáng)板、雨刮安裝支架、尾翼安裝支架等組成。

通過(guò)此結(jié)構(gòu)可以看出，尾門(mén)鉸鏈加強(qiáng)板和尾門(mén)氣撐桿都是單獨(dú)加強(qiáng)安裝在其上的鉸鏈和氣撐桿，尾門(mén)上框并未全部被加強(qiáng)，未考慮尾門(mén)上框整體受力。

尾門(mén)鈑金總成各個(gè)部件的材料及料厚選擇如表1所示。

表1 材料及料厚

通過(guò)此表可以看出尾門(mén)鈑金總成各個(gè)零部件的材料全部選擇價(jià)格便宜的普通鋼板，普通鋼板的屈服強(qiáng)度為 120MPa＜σs≤180MPa，未采用高強(qiáng)板材料，高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度為260MPa＜σs≤340MPa，未考慮尾門(mén)受力較大的局部的強(qiáng)度。

1.2 尾門(mén)氣撐桿的結(jié)構(gòu)和布置

尾門(mén)氣撐桿又稱氣彈簧，在尾門(mén)開(kāi)閉時(shí)起著助力且維持舉力不變的作用，又起著限位的作用。在尾門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中，通過(guò)密閉空腔內(nèi)液氣混合體的相互轉(zhuǎn)化提供助力作用，同時(shí)保證舉力不變，使得背門(mén)停在某一位置。當(dāng)尾門(mén)開(kāi)到最大位置時(shí)，為了防止尾門(mén)外板與頂蓋發(fā)生干涉，同時(shí)限制尾門(mén)的最大開(kāi)啟角度，使得尾門(mén)開(kāi)啟到最大位置時(shí)停在原地，不自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)氣撐桿起著限位的作用。尾門(mén)氣撐桿的結(jié)構(gòu)和布置設(shè)計(jì)得合理才能保證它所承擔(dān)的作用。

1.2.1 尾門(mén)氣撐桿的結(jié)構(gòu)

氣撐桿的結(jié)構(gòu)有普通式和阻尼式，普通氣撐桿，其撐桿彈力隨著彈簧的運(yùn)動(dòng)有著非常大的變化，而阻尼氣撐桿在整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程中力值變化相對(duì)較小，因此目前在各行各業(yè)中得到廣泛使用。阻尼式氣撐桿又分為固定阻尼式和變阻尼式。固定阻尼式采取在氣彈簧中注入少量液壓油，并在活塞上設(shè)置固定阻尼孔。變阻尼式由在缸筒內(nèi)壁加工的阻尼槽替代阻尼孔，根據(jù)工作情況需要，沿氣彈簧伸展方向，該溝槽的橫截面面積逐漸減小，形成阻尼效果的逐漸增加。該車(chē)型采用價(jià)格便宜的固定阻尼式氣撐桿。氣撐桿的結(jié)構(gòu)和特性曲線如圖2所示。

氣撐桿的球套的結(jié)構(gòu)有三種形式，內(nèi)卡簧絲式金屬球套、外卡簧絲式金屬球套和外卡簧片式塑料球套。該車(chē)型采用價(jià)格便宜的內(nèi)卡簧絲式金屬球套。各種球套類(lèi)型及優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 各種球套型式及優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.2 尾門(mén)氣撐桿的布置

尾門(mén)氣撐桿在汽車(chē)布置中一般分為挺舉式布置和翻轉(zhuǎn)式布置兩種型式，其中挺舉式布置為氣撐桿上安裝點(diǎn)位于車(chē)門(mén)側(cè)，下安裝點(diǎn)位于側(cè)圍側(cè)，車(chē)門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中撐桿缸筒始終位于上端，氣撐桿對(duì)車(chē)門(mén)產(chǎn)生壓縮的力，而翻轉(zhuǎn)式布置為氣撐桿上安裝點(diǎn)位于側(cè)圍側(cè)，下安裝點(diǎn)位于車(chē)門(mén)側(cè)，氣撐桿對(duì)車(chē)門(mén)產(chǎn)生拉伸的力。由于挺舉式布置對(duì)空間要求較大，基于造型和布置空間限制，該車(chē)型氣撐桿采用翻轉(zhuǎn)式布置型式。

在設(shè)計(jì)極限狀態(tài)下，氣撐桿球頭與氣撐桿軸線之間允許偏角為7.5°，如圖3所示。即允許夾角為82.5°至97.5°之間，車(chē)門(mén)側(cè)球頭與撐桿軸線夾角為84°至97.2°之間，單邊余量分別只有1.5°和0.3°，而側(cè)圍側(cè)球頭與撐桿軸線夾角為90.1°和95°，單邊余量分別為7.6°和2.5°。

1.3 尾門(mén)和周邊件的分縫面差設(shè)計(jì)

1．尾翼和側(cè)圍分縫：5，面差：0

2．尾門(mén)和保險(xiǎn)杠下分縫：6

2、此種結(jié)構(gòu)和布置產(chǎn)生的問(wèn)題及原因分析

上述結(jié)構(gòu)和布置是初始不合理的設(shè)計(jì)，樣車(chē)經(jīng)過(guò)試制后，通過(guò)幾輪試制試驗(yàn)驗(yàn)證，出現(xiàn)了一系列質(zhì)量問(wèn)題?，F(xiàn)對(duì)這些質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的描述，針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)物測(cè)量，原因分析，標(biāo)桿車(chē)對(duì)比等方式方法，去尋找解決問(wèn)題的思路和措施。

2.1 問(wèn)題描述

1．尾門(mén)總成在安裝氣撐桿后，尾門(mén)和保險(xiǎn)桿之間的間隙小于設(shè)計(jì)狀態(tài)6mm，甚至出現(xiàn)尾門(mén)和保險(xiǎn)杠干涉的現(xiàn)象；為保證尾門(mén)和保險(xiǎn)杠之間的間隙符合設(shè)計(jì)狀態(tài)，將鉸鏈處增加墊片，尾門(mén)總體抬高，但是從側(cè)面看，造成了尾翼高于側(cè)圍的外觀缺陷；

2．頻繁出現(xiàn)尾門(mén)氣撐桿球頭脫落的嚴(yán)重故障，易造成生產(chǎn)一線員工及用戶受傷的嚴(yán)重安全事故，必須進(jìn)行整改,問(wèn)題如圖5所示。

2.2 原因分析

2.2.1 尾門(mén)和保險(xiǎn)桿干涉的原因分析

尾門(mén)在安裝氣撐桿前，僅受自身的重力（G=400N）作用，無(wú)變形；尾門(mén)安裝氣撐桿后，由于氣撐桿為翻轉(zhuǎn)式布置，還要受到氣撐桿安裝方向的力（F=1700N）的作用，兩個(gè)力累加作用在尾門(mén)上，作用力很大，加上尾門(mén)上框處的剛度較弱，則尾門(mén)就會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致尾門(mén)被拉長(zhǎng)3mm，造成尾門(mén)和保險(xiǎn)杠之間的間隙變小，由于累積誤差，甚至?xí)霈F(xiàn)干涉的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多輪的打點(diǎn)檢測(cè)，找出了變形發(fā)生的位置，位于尾門(mén)上框處。由此可見(jiàn)尾門(mén)上框剛度較弱及尾門(mén)和保險(xiǎn)杠之間的分縫設(shè)計(jì)過(guò)小是造成尾門(mén)和保險(xiǎn)桿干涉的主要原因。圖 6為打點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，圖7為尾門(mén)受力示意圖。

2.2.2 氣撐桿球頭脫落原因分析

1）球頭安裝方向設(shè)計(jì)不合理：車(chē)門(mén)側(cè)球頭與氣撐桿軸線夾角最小處為84°，最大處為97.2°，單邊偏角分別為6°和7.2°（理想狀態(tài)下球頭與氣撐桿軸線應(yīng)為90°）；側(cè)圍側(cè)球頭與氣撐桿軸線夾角最小處為90.1°和95°，單邊偏角為0.1°和5°。如圖8所示為球頭隨車(chē)門(mén)開(kāi)啟變化曲線圖8。

2）球頭最大允許轉(zhuǎn)動(dòng)偏角設(shè)計(jì)過(guò)小：在設(shè)計(jì)極限狀態(tài)下，氣撐桿球頭與氣撐桿軸線之間允許偏角為7.5°，即允許夾角為81.5°至97.5°之間，而車(chē)門(mén)側(cè)球頭與撐桿軸線夾角為84 °至97.2°之間，單邊余量分別只有2.5°和0.3°，而側(cè)圍側(cè)球頭與撐桿軸線夾角為 90.1°，單邊余量分別為 7.4°和2.5°；由于安裝精度和氣撐桿本身制造精度誤差累積，單邊余量較小的部位極易發(fā)生球頭頸部與球套干涉，干涉后球頭會(huì)逐漸磨損，直至造成球頭脫落。

3）球套類(lèi)型選擇不合理：目前該車(chē)型采用內(nèi)卡簧絲式金屬球套，其加工工藝性復(fù)雜，精度控制及檢測(cè)都具有一定的難度，生產(chǎn)一致性較差，故存在球頭脫落的安全風(fēng)險(xiǎn)。

由上述分析可見(jiàn)，氣撐桿球頭安裝方向不合理以及氣撐桿球頭（套）允許偏角范圍過(guò)小是造成球頭脫落的主要原因；球套類(lèi)型選擇不合理是次要原因。

3、尾門(mén)問(wèn)題整改及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過(guò)以上實(shí)物測(cè)量和原因分析，明確了尾門(mén)問(wèn)題的整改方向，制定了整改措施，通過(guò)制作手工樣件裝車(chē)，反復(fù)的試制試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了整改措施的合理性，在該車(chē)型上市之前有效地解決了質(zhì)量問(wèn)題，提升了該車(chē)型的品質(zhì)，并總結(jié)了尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，有效地指導(dǎo)后續(xù)車(chē)型的設(shè)計(jì)。

3.1 問(wèn)題整改措施

1．為了保證從側(cè)面看尾翼低于側(cè)圍，考慮尾門(mén)變形對(duì)尾翼的影響，降低尾翼和側(cè)圍搭接處的型面，有原來(lái)的0面差調(diào)整為使尾翼最大處低于側(cè)圍3mm。如圖9所示。

2．增大尾門(mén)下部和保險(xiǎn)桿的間隙，使設(shè)計(jì)間隙為10mm。以免尾門(mén)下沉后造成和保險(xiǎn)杠干涉。經(jīng)過(guò)調(diào)查，幾種大型MPV類(lèi)車(chē)型的該處間隙均大于10mm，以防止尾門(mén)下沉。如圖10所示。

3. 增大尾門(mén)上框的剛度，盡可能地減小尾門(mén)上框的變形量。將原來(lái)的尾門(mén)鉸鏈加強(qiáng)板和氣撐桿加強(qiáng)板連接成一塊鈑金，將尾門(mén)上框處全部加強(qiáng)，加強(qiáng)板材料全部由普通鋼板變?yōu)楦邚?qiáng)鋼板。如圖11所示。

4. 將車(chē)門(mén)側(cè)氣撐桿球頭安裝型面調(diào)整，減小氣撐桿球頭與撐桿軸線之間的偏角。在車(chē)門(mén)一側(cè)，將氣撐桿球頭軸線與撐桿軸線夾角調(diào)整為最小處86.6°，偏角3.4°，夾角最大處為93.5°，偏角3.5°，整改效果明顯；如圖12所示為修改后的氣撐桿球頭與撐桿轉(zhuǎn)角變化示意圖。

5．修改球頭尺寸，增大球頭最大允許轉(zhuǎn)動(dòng)偏角。將球頭頸部尺寸由φ8和φ10修改為φ6和φ8，修改后球頭允許轉(zhuǎn)角可達(dá)17°，相比整改前的 7.5°有很大改觀，可有效增大球頭允許轉(zhuǎn)角。如圖13所示。

6. 將內(nèi)卡簧絲式金屬球套調(diào)整為外卡簧絲式金屬球套，由于外卡簧絲式金屬球套繼承了內(nèi)卡簧絲式球套物理干涉而形成限位功能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了因生產(chǎn)一致性問(wèn)題導(dǎo)致的球頭精度不合格造成的脫落問(wèn)題，有效實(shí)現(xiàn)了雙保險(xiǎn)，極大地提高了產(chǎn)品安全性。如圖14所示。

3.2 整改效果

經(jīng)過(guò)整改后的樣件已經(jīng)試制裝車(chē)，并經(jīng)過(guò)50000次耐久性試驗(yàn)和30000km可靠性道路試驗(yàn)（15000km強(qiáng)化路試驗(yàn)），將過(guò)三輪測(cè)試，全面驗(yàn)證了尾門(mén)下沉、氣撐桿可靠性、安全性、耐久性等方面的性能指標(biāo)，該車(chē)型通過(guò)試驗(yàn)，未出現(xiàn)問(wèn)題，整改效果良好。目前該車(chē)型已經(jīng)上市，未反饋尾門(mén)方面的質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，凡是大型MPV的尾門(mén)，由于尾門(mén)較大，氣撐桿的支撐力會(huì)相應(yīng)增大，兩者累積的作用力一定會(huì)使尾門(mén)發(fā)生變形。所以在進(jìn)行大型 MPV車(chē)尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮尾門(mén)變形對(duì)各部件的影響，包括外觀、功能、安全性等問(wèn)題。目前也對(duì)幾款大型車(chē)尾門(mén)進(jìn)行了實(shí)物測(cè)量，并總結(jié)了大型MPV車(chē)尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1．尾門(mén)和保險(xiǎn)杠的分縫：通過(guò)幾款標(biāo)桿車(chē)的測(cè)量,尾門(mén)和保險(xiǎn)杠的分縫都在 10mm以上,以免尾門(mén)變形引起和保險(xiǎn)桿的干涉問(wèn)題。

2．尾門(mén)上部和側(cè)圍的面差：通過(guò)幾款標(biāo)桿車(chē)的面差測(cè)量,側(cè)圍都要高于尾門(mén) 3mm以上，以免尾門(mén)變形引起的外觀缺陷。

3．尾門(mén)總成上框加強(qiáng)板要做成一體式，不能為了材料利用率變成分體式，大型車(chē)尾門(mén)較大，要保證尾門(mén)上框良好的剛度。

4．尾門(mén)氣撐桿球頭和軸線之間偏角的設(shè)計(jì)要盡可能有較大的容差能力，以免車(chē)身精度不好時(shí)球頭產(chǎn)生磨損。

5．大型車(chē)尾門(mén)氣撐桿球套形式要采用安全性較好的外卡簧式。

4、結(jié)論

尾門(mén)作為汽車(chē)的組成部分，是車(chē)身尾部最富變化和最受人關(guān)注的對(duì)象。一方面，尾門(mén)作為車(chē)身結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其造型風(fēng)格、強(qiáng)度、剛度、可靠性及工藝性等必需滿足車(chē)身整體性能的要求；另一方面，尾門(mén)結(jié)構(gòu)自身的視野性、安全性、密封等性能，既對(duì)整個(gè)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能影響較大，也是尾門(mén)功能要求的重要部分。本文主要針對(duì)某一大型 MPV車(chē)的尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的試制試驗(yàn)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)問(wèn)題調(diào)研、原因分析及實(shí)物測(cè)量，做出了可行的優(yōu)化措施，經(jīng)過(guò)試制試驗(yàn)驗(yàn)證，在該車(chē)型上市之前有效地解決了問(wèn)題；并形成了大型 MPV車(chē)尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南，為后續(xù)車(chē)型的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

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The Researching about tailgate design of large-scale MPV

Tang Chun, Li Wenxi
（Anhui Jianghuai Automobile Technology Center, Anhui Hefei 230601)

Many problems which includes such as tailgate sags, gas spring ball separate itself, and so on appear in trial-produce and test of some large-scale MPV. This paper make feasible optimized measures by problem investigating, object measuring and reason analysis. These problems are resolved before it comes into the market, through full trial-produce and test. At last, structure design keys are summarized about the large-scale MPV so that provide direction for the design of subsequent vehicle.

tailgate sags; gas spring; structure design

U463.8

A

1671-7988(2015)05-47-05

唐淳，安徽江淮汽車(chē)技術(shù)中心車(chē)體設(shè)計(jì)專家，碩士，主要從事開(kāi)閉件的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。