汽車尾門預(yù)防過關(guān)干涉問題設(shè)計優(yōu)化

劉靜 葛文杰 陸龍海 王溥灝 李錦 王聰

（1.上汽通用汽車有限公司武漢分公司；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

為了滿足客戶更高的要求，在汽車造型上開始大量應(yīng)用飾板，尾燈造型也逐漸夸張化，而客戶的主觀感受要求提升（零件之間匹配間隙小，階差平整，外觀好看），一定程度上增加了開閉件的設(shè)計難度。尾門總成是汽車的重要組成零件，在日常使用中開關(guān)頻次較高，客戶經(jīng)常出現(xiàn)大力甚至暴力關(guān)門的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)尾門和周邊零件刮擦、磕碰的干涉問題，導致零件損壞或生銹，客戶滿意度降低。通過總結(jié)此類問題的經(jīng)驗教訓，提出定義合理的尾門關(guān)閉速度設(shè)計目標、平衡后端匹配間隙和階差，同時通過尾門系統(tǒng)阻力零件結(jié)構(gòu)和布置位置優(yōu)化以及充分考慮極端工況的過關(guān)運動校核方法，從設(shè)計前期預(yù)防過關(guān)干涉問題，經(jīng)過驗證，達到預(yù)想的效果。

1 尾門總成及周邊零件

尾門總成主要由尾門鉸鏈、尾門鈑金總成、尾門附件、外飾件、內(nèi)飾件和電器零件組成。其中尾門附件包括風擋玻璃、氣撐桿、緩沖塊、尾門鎖和鎖扣等零件；外飾件包括尾燈、尾門飾板、擾流板、雨刮、高位剎車燈、外把手、字牌等零件；內(nèi)飾件包括內(nèi)飾板、內(nèi)把手；電器包括尾門線束、牌照燈、攝像頭等。尾門周邊零件，如圖1 所示。

圖1 尾門總成及周邊零件

2 尾門總成預(yù)防過關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

為了避免在產(chǎn)品試制、耐久試驗或生產(chǎn)階段出現(xiàn)干涉問題，導致尾門總成或周邊零件修改而造成成本增加，需要在設(shè)計前期準確定義過關(guān)要求，包括更加符合客戶使用習慣的設(shè)計輸入和足夠的制造容差；尾門在開關(guān)過程中，不允許出現(xiàn)和周邊零件干涉導致的掉漆、磨損痕跡等。

2.1 尾門關(guān)閉力

尾門關(guān)閉力是尾門設(shè)計的一個重要輸入指標和依據(jù)。關(guān)閉力的大小對過關(guān)量的大小有直接影響，關(guān)閉的位置也影響尾門的運動軌跡。為準確定義輸入要求，需要調(diào)研目標市場客戶群體的使用習慣，某機構(gòu)調(diào)研中國市場客戶關(guān)閉尾門時的施力區(qū)域結(jié)果，如圖2 所示。尾門關(guān)閉力結(jié)果，如表1 所示。

圖2 關(guān)閉尾門的施力位置

表1 尾門關(guān)閉力市場調(diào)研結(jié)果 m/s

區(qū)域3 和區(qū)域4 在尾門側(cè)后方，頻次最低，但關(guān)閉尾門時，對尾門側(cè)傾趨勢和關(guān)閉瞬間振動變形量貢獻較大，尾門刮擦側(cè)圍風險最大。為避免潛在售后問題，在前期設(shè)計階段，考慮在尾門總成側(cè)后方關(guān)閉尾門的工況，同時在尾門總成開關(guān)耐久試驗中，模擬客戶施力位置進行耐久試驗認證。

2.2 尾門與周邊零件的間隙和階差

尾門和側(cè)圍、尾燈等周邊零件的間隙越小，階差越平整，客戶主觀感受外觀質(zhì)量越高；間隙越大則尾門和周邊零件干涉風險就越高。為平衡外觀質(zhì)量表現(xiàn)和尾門干涉風險，需要結(jié)合造型需求、競爭車型、行業(yè)制造水平、尺寸定位策略等因素，綜合制定合理的間隙和階差設(shè)計目標[1]。

某車型尾燈A 和尾燈B，如圖3 所示。以2 個尾燈為例，匹配目標值的設(shè)定，需要考慮的因素，如表2 所示。尾燈A 和尾燈B 間隙和階差應(yīng)經(jīng)尺寸分析后設(shè)定目標值。

圖3 某車型尾燈A 和尾燈B 示意圖

表2 汽車尾燈間隙階差名義值和公差制定

2.3 系統(tǒng)阻力的優(yōu)化

尾門總成關(guān)閉時會產(chǎn)生系統(tǒng)阻力，一般由緩沖塊（可調(diào)式和固定式）、尾門密封條來吸收尾門鎖結(jié)構(gòu)緩沖的大部分能量；氣撐桿阻力、鉸鏈摩擦等吸收少部分能量。

2.3.1 緩沖塊布置及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

緩沖塊占用空間小，設(shè)計布置自由度高，設(shè)計性能要求，如表3 所示?？烧{(diào)緩沖塊與固定緩沖塊性能要求相同。

表3 汽車尾門緩沖塊性能要求

1）為減少尾門過關(guān)時尾門邊界振動變形量，保護周邊零件，緩沖塊布置位置應(yīng)盡量靠近尾門邊界。根據(jù)經(jīng)驗，建議緩沖塊中心到邊界距離L≤100 mm[2]，如圖4所示。

圖4 汽車尾門緩沖塊布置位置示意圖

2）一般將可調(diào)式緩沖塊布置于中部，固定式緩沖塊布置到尾門下部拐角。

某車型造型尾燈全部布置在尾門上，尾門鈑金需要提供較大安裝區(qū)域，可調(diào)緩沖塊按照傳統(tǒng)經(jīng)驗布置在密封面外側(cè)斜面上，其中心距尾門邊界189 mm，CAE 分析時發(fā)現(xiàn)尾門邊界過關(guān)量較大，尾門與側(cè)圍存在干涉風險。將可調(diào)緩沖塊布置位置進行優(yōu)化，將其布置到靠近邊界區(qū)域，如圖5 所示。如果受到大尾燈安裝空間限制，可以將可調(diào)緩沖塊改為固定緩沖塊，尾門下部用可調(diào)緩沖塊替代。

圖5 某車型尾門緩沖塊布置位置優(yōu)化

3）根據(jù)經(jīng)驗初步設(shè)定：尾門可調(diào)緩沖塊與對手件接觸干涉1 mm，固定緩沖塊與對手件間隙2 mm。通過CAE 模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，尾門下部模態(tài)為28 Hz，未達標。將下部緩沖塊和對手件間隙2 mm 設(shè)計優(yōu)化為接觸0 mm，尾門模態(tài)提升到31 Hz。

4）緩沖塊材料一般選擇三元乙丙橡膠，按照經(jīng)驗選擇合適的壓縮負荷曲線。尾門中部緩沖塊需要抵消的關(guān)閉能量較大，所以壓縮負荷選用相對較大的量值。

CAE 模態(tài)分析中，出現(xiàn)尾門扭轉(zhuǎn)剛度較差的情況時，尾門下部固定緩沖塊可適當選用壓縮負荷大的零件，其壓縮負荷曲線，如圖6 所示；出現(xiàn)尾門橫向剛度較差的情況時，尾門中部可調(diào)緩沖塊可適當選用壓縮負荷大的零件[3]，其壓縮負荷曲線，如圖7 所示。

圖6 固定緩沖塊壓縮負荷曲線

圖7 可調(diào)緩沖塊壓縮負荷曲線

5）尺寸穩(wěn)健性考慮：制造應(yīng)優(yōu)先保證尾門外部匹配，上下2 組緩沖塊與對手件不能同時兼顧，存在潛在風險，如表4 所示。

表4 汽車尾門緩沖塊與對手件尺寸匹配經(jīng)驗教訓 mm

為提升設(shè)計容差性，避免制造波動的影響，對緩沖塊頭部進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加1.5 mm 高度凸點，如圖8所示。經(jīng)CAE 分析和樣件實車驗證發(fā)現(xiàn)，緩沖塊頭部可以增加1.5 mm 的容差。當制造尺寸波動導致緩沖塊與對手件干涉增大時，對尾門關(guān)閉力的影響可以忽略；緩沖塊與對手件出現(xiàn)間隙時，凸點和對手件仍可保持接觸，可防止整車過壞路時緩沖塊與對手件碰撞產(chǎn)生異響。

圖8 汽車尾門緩沖件頭部結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

2.3.2 尾門密封條布置及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

密封條的主要作用是隔開外界與行李廂，同時還能起到緩沖吸能的作用。調(diào)整密封條阻力的關(guān)鍵參數(shù)（如壓縮負荷、斷面尺寸、車身密封空間尺寸等）會直接影響整圈密封性能和關(guān)閉速度，優(yōu)化操作空間不大，因此，考慮對密封條局部進行優(yōu)化[4]。

將緩沖塊布置位置和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，CAE 模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，尾門和尾燈B 仍然存在過關(guān)干涉的潛在風險。尾燈B 附近密封條局部增加塞芯，提升此區(qū)域的系統(tǒng)阻力。經(jīng)CAE 分析計算發(fā)現(xiàn)，在尾燈B 附近增加10 mm 塞芯，可以消除過關(guān)干涉的風險，同時也不會造成關(guān)閉速度變大。

3 尾門過關(guān)運動校核

在尾門過關(guān)校核的方法中，最常見的是利用有限元建立模型，分析尾門邊界的過關(guān)量，在三維數(shù)模中進行尾門運動包絡(luò)校核[5]。

3.1 有限元分析尾門過關(guān)量

整車開發(fā)虛擬評估階段，建立尾門過關(guān)CAE 仿真模型，計算尾門過關(guān)時各個區(qū)域的過關(guān)量（X，Y，Z 向值）。由于過關(guān)的過程復雜，涉及多個零件之間的接觸和相互關(guān)系，還需要緩沖塊部件的剛度特性等數(shù)據(jù)，需要在每個開發(fā)階段逐漸精確參數(shù)信息，提升建模準確性，如表5 所示。

表5 建立有限元模型參數(shù)輸入

通過表5 信息輸入，計算尾門邊界過關(guān)量，如圖9和表6 所示。

圖9 尾門邊界過關(guān)量示意圖

表6 尾門邊界CAE 仿真計算過關(guān)量 mm

3.2 運動包絡(luò)校核

在三維數(shù)模中，將尾門繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)到CAE 分析的過關(guān)位置，檢查尾門和周邊零件間隙。在早期識別到制造波動的影響，對校核方法進行優(yōu)化。

3.2.1 尋找對尾門過關(guān)最不利的匹配工況

穩(wěn)健的運動校核，需要充分考慮制造尺寸的波動，以尾燈A 和尾燈B 干涉風險運動包絡(luò)檢查為例，匹配過關(guān)最不利的情況，如表7 所示。2 個尾燈的斷面，如圖10 所示。確認其間隙和階差在公差范圍內(nèi)對應(yīng)尾門過關(guān)最不利的位置。將尾燈B 向尾燈A 在間隙方向調(diào)整為最小，在階差方向尾燈B 向車前調(diào)整到公差極限，并在運動包絡(luò)檢查時考慮尾燈A 內(nèi)部的公差。

表7 尾燈A 和尾燈B 匹配對過關(guān)最不利情況

圖10 尾燈A 和尾燈B 外部匹配斷面示意圖

3.2.2 每段分縫單獨調(diào)整尾門

尾門和周邊零件匹配的每條分縫、間隙和階差的理論值、方向不同，因此需要將尾門總成每條分縫調(diào)整到尾門過關(guān)最不利的位置，模擬制造該區(qū)域最大尺寸波動，避免誤差產(chǎn)生。

3.2.3 運動包絡(luò)

將尾門每段分縫分別繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)到過關(guān)位置（X 向和Z 向過關(guān)量值不同，選擇尾門旋轉(zhuǎn)的更大角度）。1 號點尾門繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)0.41°到達Z 向過關(guān)位置，旋轉(zhuǎn)0.38°到達X 向過關(guān)位置角度，如圖11 所示，選擇將尾門旋轉(zhuǎn)到Z 向過關(guān)位置。所有分縫區(qū)域重復此操作，得到尾門總成運動包絡(luò)圖。

圖11 1 號點旋轉(zhuǎn)到過關(guān)位置示意圖

3.2.4 數(shù)模校核

尾門周邊零件內(nèi)部表面存在和尾門過關(guān)配合的、需要考慮其配合面的制造公差，確保尾門過開位置和內(nèi)部表面的間隙值大于其制造公差波動量，檢查整個包絡(luò)與周邊零件間隙值，并與對手件開發(fā)工程師、尺寸工程師確認結(jié)果。尾燈A 和尾燈B 內(nèi)部匹配斷面，如圖12所示。尾燈B 過關(guān)后位置和尾燈A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隙的h值要大于尾燈A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面在整車上的尺寸波動。

圖12 尾燈A 和尾燈B 內(nèi)部匹配斷面示意圖

4 物理驗證

通過尾門總成的開關(guān)耐久試驗和整車路試耐久試驗對優(yōu)化方法進行考核。1）開關(guān)耐久試驗：在常溫常濕、高溫高濕、低溫常濕環(huán)境下進行共2.2 倍生命周期開關(guān)循環(huán)，考察尾門總成強度以及開啟和關(guān)閉過程的干涉。試驗結(jié)果均滿足設(shè)定的目標要求，未出現(xiàn)尾門關(guān)閉和周邊零件干涉的失效。2）整車路試耐久：包括一般路試耐久和高、低溫路試耐久，模擬客戶使用全生命周期，共10 萬km，未發(fā)現(xiàn)尾門總成和周邊零件干涉、磨損等失效問題。

5 結(jié)論

文章通過總結(jié)尾門的過關(guān)設(shè)計、研究尾門關(guān)閉力輸入、設(shè)定尾門與周邊零件間隙和階差目標以及設(shè)計尾門系統(tǒng)阻力，對運動包絡(luò)校核方法進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：尾門系統(tǒng)阻力設(shè)計是尾門過關(guān)量的主要因素，在優(yōu)化過程中可以找到對過關(guān)量改善但對尾門性能無影響的優(yōu)化變量作為最終的設(shè)計變量；尾門過關(guān)運動校核方法，需要考慮制造波動極限，充分識別每個區(qū)域最極限工況，能有效防止過關(guān)問題發(fā)生；該優(yōu)化方法同樣可以推廣運用到其它開閉件的設(shè)計中。