汽車側(cè)開尾門系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

施華灘 李秋娟 韋逢義

摘 要：汽車側(cè)開尾門系統(tǒng)由于其具備懸掛備胎及其它物品（如自行車等）特殊功能及能滿足不同身高人群對(duì)尾門開門高度要求的特性，被越野型SUV廣泛采用。但其懸掛備胎的功能使尾門總成負(fù)重更重，對(duì)側(cè)開尾門系統(tǒng)的垂直剛度是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。本文介紹了側(cè)開尾門系統(tǒng)的特點(diǎn)及主要設(shè)計(jì)特征，闡述側(cè)開尾門的總體開發(fā)思路及設(shè)計(jì)策略，并對(duì)側(cè)開尾門系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：側(cè)開尾門 鉸鏈布置 垂直剛度

Abstract：The side tailgate system of automobiles is widely used by off-road SUVs because of its special functions of suspension spare wheel and other items （such as bicycles， etc.） and can meet the requirements of people of different heights for the height of the tailgate opening. However， the function of the suspension spare wheel makes the tailgate assembly heavier， and the vertical stiffness of the side opening tailgate system is a big challenge. This paper introduces the characteristics and main design features of the side opening tailgate system， explains the overall development ideas and design strategies of the side opening tailgate， and studies the key technologies of the side opening tailgate system development.

Key words：side opening tailgate， hinge arrangement， vertical stiffness

1 引言

汽車側(cè)開尾門系統(tǒng)因其獨(dú)特的開啟方式相比傳統(tǒng)上翻尾門有很多優(yōu)點(diǎn)，如外部可以懸掛備胎等物品，內(nèi)部飾板可以懸掛應(yīng)急工具包等；側(cè)向開啟不受開啟高度限制更適合不同身高人群使用，特別適用于中大型越野型SUV，在細(xì)分市場(chǎng)上取得了不俗的銷量。

側(cè)開尾門系統(tǒng)因其具備懸掛重物的特性，相對(duì)傳統(tǒng)的上翻尾門、鉸鏈側(cè)門有更惡劣的使用工況，技術(shù)難度也更大，主要技術(shù)難點(diǎn)為：（1）具有更高的垂直剛度；（2）側(cè)開尾門系統(tǒng)接近90度的大開度；（3）整個(gè)尾門總成的重量（含額外負(fù)重）50kg以上，開關(guān)門限位方式及能量的計(jì)算是個(gè)新挑戰(zhàn)。本文主要介紹側(cè)開尾門系統(tǒng)的特點(diǎn)及主要設(shè)計(jì)特征，提出了側(cè)開尾門系統(tǒng)的總體開發(fā)思路及設(shè)計(jì)關(guān)鍵策略，實(shí)現(xiàn)了全新側(cè)開尾門系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)。

2 系統(tǒng)主要構(gòu)成

側(cè)開尾門系統(tǒng)主要包括以下子系統(tǒng)，如圖1所示：（1）鈑金系統(tǒng)（包括內(nèi)外板及各類加強(qiáng)板）；（2）側(cè)開尾門約束系統(tǒng)（包括鉸鏈、鎖、緩沖膠塞、Z向限位器、開度限位器等）；（3）備胎系統(tǒng)（包含備胎、備胎安裝支架、備胎鎖等）；（4）密封系統(tǒng)（包含擋風(fēng)玻璃、密封條）；（5）裝飾件（包含擾流板、外飾板、內(nèi)飾板）；（6）電子系統(tǒng)（包含線束、高位制動(dòng)燈燈等）。

3 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

（1）滿足整車內(nèi)外飾造型、尾門開度、門洞大小等要求的總體布置，主要包括：約束系統(tǒng)的布局；密封面走勢(shì)；分縫走勢(shì)；備胎安裝位置；尾門開度及其運(yùn)動(dòng)包絡(luò)；功能件的布置，如外開把手、尾門鎖執(zhí)行器、Z向限位器、開度限位器等。

（2）側(cè)開尾門關(guān)鍵性能參數(shù)確定：如關(guān)門能量、最大開啟角度等；

（3）側(cè)開尾門的關(guān)鍵剛度性能確定：如垂直剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、窗框剛度等。

（4）建立側(cè)開尾門靜態(tài)約束模型。相對(duì)側(cè)門，側(cè)開尾門因其承受更大的重量（備胎）及汽車尾部更大的重力加速度，需要在鎖側(cè)設(shè)立Z向限位器，以避免鎖扣被過度磨損而斷裂失效。

3.2 開啟方向設(shè)計(jì)

關(guān)于側(cè)開尾門的開啟方向，目前市場(chǎng)上往左、往右兩種都有，從調(diào)查數(shù)據(jù)來看，往右開啟更主流，結(jié)合如圖2使用場(chǎng)景看，向右開啟的尾門在取物品時(shí)能更好觀察到旁邊車道的后方來車，安全性更好?；趯?duì)標(biāo)數(shù)據(jù)及使用場(chǎng)景分析，建議選用向右開啟的方式。

3.3 鉸鏈布置設(shè)計(jì)

側(cè)開尾門開啟運(yùn)動(dòng)包絡(luò)分內(nèi)旋和外旋兩種，內(nèi)旋即在開啟過程中，門的分縫線往內(nèi)旋轉(zhuǎn)；外旋即在開啟過程中，門的分縫線往外旋轉(zhuǎn)。

鉸鏈布置選擇主要根據(jù)尾門造型A面來做選擇，如圖3，造型A面上下鼓中間凹的情況適合布置內(nèi)旋鉸鏈；如圖4，中間位置相對(duì)上下位置鼓出的情況，用局部外露式外旋鉸鏈可以大大減小周邊零件的避讓尺寸；如圖5，造型A面很平整，可以布置內(nèi)旋鉸鏈也可以布置大部分外露式的造型平整的外旋鉸鏈，這種情況可以根據(jù)造型的需求來做布置，但鉸鏈外露量要滿足國(guó)標(biāo)GB11566《乘用車外部凸出物》的中5.6.1要求。公司某車型尾門造型A面中間位置相對(duì)上下位置鼓出，如圖4所示，故選用鉸鏈局部外露式外旋鉸鏈。

3.4 開度限位設(shè)計(jì)

3.4.1 限位器類型選用：

尾門是放置行李、物品的重要通道，開度接角于90度，且在放置物品過程中尾門不能自關(guān)，因此需要開度限位器。目前市面上主要有三種開度限位方式。根據(jù)成本、尾門重量、車子定位等要求進(jìn)行選用，公司某車型的側(cè)開尾門尺寸較小，整個(gè)尾門總成小于40kg，故選用了成本較低的側(cè)門式限位器。

3.4.2 限位角度設(shè)計(jì)

通過設(shè)定三種使用場(chǎng)景進(jìn)行人機(jī)模擬分析及實(shí)車體驗(yàn)感受最終確定了三個(gè)擋位的設(shè)計(jì)，圖6所示是三種不同使用場(chǎng)景不同開度尺寸的人機(jī)模擬。

3.5 關(guān)門能量設(shè)計(jì)

關(guān)門能量的影響因素與側(cè)門相似[1]，受整車氣阻、密封件耗能、車門重力自關(guān)助能等因素影響。關(guān)門能量的分析方法參考側(cè)門的分析方法進(jìn)行，其中整車氣阻、密封件耗能、鉸鏈耗能、門鎖耗能、限位器助能等與側(cè)門一致，本文主要對(duì)門的重力自關(guān)助能進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

尾門總成的重力自關(guān)助能主要由尾門總成的重量M，尾門門總成的質(zhì)心位置及尾門總成的質(zhì)心抬升量h決定。本文只對(duì)門總成的質(zhì)心抬升量h進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。尾門總成質(zhì)心抬升量h由鉸鏈軸線傾角決定，鉸鏈軸線向正X向（下文定義為前傾）或負(fù)Y向傾斜（下文左傾），開門過程中尾門總成的質(zhì)心是向上抬起的。尾門總成質(zhì)心抬升效率：前傾＞左傾，設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮前傾。不管是前傾還是左傾，角度一般都要控制在3度以內(nèi)。

在滿足最小關(guān)門速度在xx m/s及人手施加的能量小于xx J的條件下，經(jīng)過關(guān)門耗能分析，尾門總成的重力自關(guān)助能（Wg）要達(dá)到xx J，其計(jì)算公式為：Wg=Mgh，其中M為尾門總成的重量，h為尾門總成重心抬升量，如圖7所示，其計(jì)算公式為△h=cosθ0-cosθ，其中θ由限位器關(guān)門一擋位置所確定。然后再根據(jù)圖8中的公式[2]計(jì)算出鉸鏈軸線傾角。式中的α1為左傾角，β1為前傾角?；谠煨图百|(zhì)心抬升效率考慮，α1設(shè)為0°，根據(jù)公式算出β1至少為2.93度，最終設(shè)計(jì)采用前傾，β1=3°。

3.6 靜態(tài)剛度性能設(shè)計(jì)

3.6.1 確定性能目標(biāo)

跟側(cè)門相似，側(cè)開尾門剛度性能方面主要考察垂直剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、窗框剛度、模態(tài)等。側(cè)開尾門因其使用頻率和受到的重力加速度與側(cè)門有所不同，其性能要求應(yīng)結(jié)合側(cè)門及上翻尾門的工況進(jìn)行設(shè)定。

3.6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)開尾門的本體鈑金系統(tǒng)一般由尾門外板、尾門內(nèi)板及多個(gè)加強(qiáng)板通過焊接及包邊工藝組合而成。其主要性能指標(biāo)主要有垂直剛度等。其中垂直剛度是所有性能指標(biāo)的基礎(chǔ)。在側(cè)開尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，尾門外板受造型影響大設(shè)計(jì)空間小對(duì)性能也起不到?jīng)Q定性影響。而尾門內(nèi)板、尾門鉸鏈加強(qiáng)板及尾門窗框加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)對(duì)垂直剛度影響最為顯著。拓?fù)鋬?yōu)化[3]方法可輸出滿足性能的受力云圖，根據(jù)受力云圖確定尾門內(nèi)板加強(qiáng)筋的走向及加強(qiáng)板的布置。在滿足造型要求、儲(chǔ)物空間要求、密封面及功能件（尾門鉸鏈、緩沖膠塞、后擋風(fēng)玻璃及鎖總成）安裝要求后，建立內(nèi)板的3D模型。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，以垂直剛度為目標(biāo)，以體積為約束，使用OptiStruct 軟件，快速找出對(duì)垂直剛度最優(yōu)的的尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖9所示，其中紅色代表高應(yīng)力區(qū)域，需要做強(qiáng)化處理；藍(lán)色區(qū)域代表低應(yīng)力區(qū)域，對(duì)尾門性能的影響極小，可做挖空減重處理，實(shí)現(xiàn)輕量化要求。

根據(jù)應(yīng)力云圖可知，尾門內(nèi)板應(yīng)力集中區(qū)域主要位于鉸鏈安裝區(qū)域、鎖安裝區(qū)域及窗臺(tái)位置。在鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，參考受力云圖及滿足其它區(qū)域的設(shè)計(jì)輸入，最終設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

3.6.3 剛度性能分析

側(cè)開尾門總成需進(jìn)行剛度分析[4]，分析方法按照傳統(tǒng)側(cè)門的分析方法進(jìn)行。其中主要性能垂直剛度分析方法及工況如圖11所示。在完成有限元網(wǎng)格劃分后，將上下鉸鏈作為約束點(diǎn)，在鎖嚙合點(diǎn)處設(shè)定一定的加載力，得出彈性及塑性最大位移量以及最大應(yīng)力區(qū)域，將結(jié)果與設(shè)定的目標(biāo)值對(duì)比，不滿足項(xiàng)需對(duì)材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

側(cè)開尾門系統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)通過外開把手解鎖，在常溫、高溫、高濕以及低溫環(huán)境下，分別以中、高、低及濫用工況（較大速度開關(guān)門）四種關(guān)門速度進(jìn)行開關(guān)門試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中除對(duì)系統(tǒng)耐久性進(jìn)行考核外，一定數(shù)量循環(huán)后，限位器的檔位力、膠條的密封性能等應(yīng)包括在內(nèi)。經(jīng)過上述試驗(yàn)驗(yàn)證，全新開發(fā)的側(cè)開尾門系統(tǒng)滿足了可靠性及穩(wěn)定性使用要求，實(shí)現(xiàn)了側(cè)開尾門開發(fā)從0到1的突破。

5 結(jié)語

側(cè)開尾門系統(tǒng)開發(fā)的核心是鉸鏈布置、開度設(shè)計(jì)、開啟限位方式設(shè)計(jì)、垂直剛度等剛度性能設(shè)計(jì)、疲勞耐久設(shè)計(jì)等。通過對(duì)側(cè)開尾門理論研究和多種虛擬工具運(yùn)用到全新側(cè)開尾門系統(tǒng)構(gòu)架的前期開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)了造型、運(yùn)動(dòng)空間、力學(xué)性能、輕量化的綜合優(yōu)化。針對(duì)側(cè)開尾門系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉、耐久下垂、跑壞路限位器異響、焊點(diǎn)開裂等問題，前期可通過力學(xué)模型以及仿真分析探測(cè)和預(yù)防。

參考文獻(xiàn)：

[1]張孟俊等.轎車側(cè)門系統(tǒng)關(guān)門能量研究與測(cè)試裝置開發(fā)，汽車技術(shù)，2014，第11期（P11-P16）.

[2]陳緩等.車門開閉感評(píng)價(jià)與優(yōu)化，汽車技術(shù)，2014，第8期（P13-P19）.

[3]周克民.結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的一些基本概念和研究方法[J]. 力學(xué)與實(shí)踐，2018，第40 卷

[4]韓旭.基于剛度和模態(tài)性能的轎車車身輕量化研究[J]. 汽車工程.2007（29）.

作者簡(jiǎn)介

施華灘：（1986.07—），本科，中級(jí)。研究方向：汽車開閉件系統(tǒng)開發(fā)、鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

李秋娟：（1987.10—），本科，初級(jí)。研究方向：汽車車燈等零部件電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

韋逢義：（1988.08—），本科，初級(jí)。研究方向：汽車開閉件系統(tǒng)開發(fā)、鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。