汽車尾門電撐桿進(jìn)水失效分析及改進(jìn)

庫(kù)才旗

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著人們生活水平的提高以及汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，人們不再滿足于汽車的工具屬性，對(duì)汽車使用性能的要求也日益提高。近年來，“智能化”成為汽車行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)之一，電動(dòng)尾門可以實(shí)現(xiàn)尾門的電動(dòng)開閉、智能防夾、自定義尾門開度等功能，與PEPS、T-BOX、BCM等模塊進(jìn)行信息交互后，可以提供多種使用場(chǎng)景，為用戶提供更好的體驗(yàn)。當(dāng)前，電動(dòng)尾門已不再是高端豪華車的專有配置，越來越多的平價(jià)SUV、MPV開始配置電動(dòng)尾門系統(tǒng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)電動(dòng)尾門系統(tǒng)的裝車量在250萬輛左右。隨著規(guī)模效應(yīng)的擴(kuò)大，電動(dòng)尾門系統(tǒng)的成本有望進(jìn)一步降低，可以預(yù)計(jì)未來在市場(chǎng)上配置電動(dòng)尾門車型的占比將會(huì)進(jìn)一步上升。

1 電動(dòng)尾門工作原理

電動(dòng)尾門系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電吸鎖機(jī)構(gòu)構(gòu)成，另外可以選裝腳踢傳感器、防夾條和蜂鳴器等機(jī)構(gòu)來豐富和完善系統(tǒng)功能。其中，電撐桿為電動(dòng)尾門系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由霍爾板、電機(jī)、齒輪箱、絲桿、絲桿套管、機(jī)械彈簧、外套管、彈簧套管及兩端的球窩等構(gòu)成，電撐桿零件剖面圖如圖1所示。工作過程中，電機(jī)通過齒輪箱將力矩傳遞到絲桿，絲桿與絲桿套管配合，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，輔以機(jī)械彈簧實(shí)現(xiàn)尾門的電動(dòng)開閉。

圖1 電撐桿零件剖面圖

2 問題來源及原因分析

2.1 問題來源

某車型在整車路試過程中發(fā)現(xiàn)電動(dòng)尾門存在無法正常開啟問題，故障現(xiàn)象為按壓開關(guān)后尾門輕微動(dòng)作，不能繼續(xù)打開或關(guān)閉。通過診斷儀數(shù)據(jù)，尾門控制模塊報(bào)電撐桿霍爾傳感器失效故障碼，更換電撐桿后尾門開閉功能恢復(fù)正常，初步判斷功能失效由電撐桿零件故障導(dǎo)致。通過對(duì)電撐桿進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)其電機(jī)部分存在水跡且電機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)拆解發(fā)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部銹跡明顯，如圖2所示。

圖2 電撐桿電機(jī)拆解圖

2.2 進(jìn)水路徑分析

電撐桿布置于車輛D柱流水槽內(nèi)，屬于整車濕區(qū)。通過對(duì)實(shí)車進(jìn)行淋雨模擬發(fā)現(xiàn)在雨量較大情況下，流水槽中的水流由車輛頂部?jī)蓚?cè)匯聚至此，受安裝支架阻礙以扇形狀噴灑在球窩處，使得電撐桿球窩短時(shí)間內(nèi)處于類似浸水環(huán)境中，如圖3中①灰色倒梯形區(qū)域所示。電撐桿各子零件匹配邊界處為進(jìn)水高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，經(jīng)分析電撐桿系統(tǒng)有以下3個(gè)潛在進(jìn)水路徑，如圖3中①②③所示的路徑。

圖3 電撐桿布置及進(jìn)水路徑分析

2.2.1 路徑①分析

路徑①由車身D柱波紋管膠塞安裝區(qū)域進(jìn)水。波紋管膠塞安裝區(qū)域與車身D柱安裝孔匹配尺寸不合或膠塞安裝不到位，會(huì)存在從膠塞安裝處進(jìn)水，水流沿著線束通過波紋管與線束空腔進(jìn)入電撐桿內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)檢查確認(rèn)波紋管膠塞安裝處與鈑金安裝孔設(shè)計(jì)狀態(tài)為干涉匹配，干涉量為0.8 mm。同時(shí)對(duì)D柱鈑金安裝孔尺寸進(jìn)行檢具測(cè)量，以及隨機(jī)抽取5件波紋管膠塞并對(duì)膠塞安裝處尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示鈑金安裝孔尺寸及膠塞安裝處尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。截取車身D柱膠塞安裝區(qū)域局部鈑金，將波紋管膠塞安裝到位后進(jìn)行不間斷8 h淋水試驗(yàn)，鈑金內(nèi)側(cè)未見水跡。

2.2.2 路徑②分析

路徑②由波紋管舌套與球窩匹配孔間隙進(jìn)水。波紋管舌套為橡膠材質(zhì)，中空結(jié)構(gòu)，依靠其中的線束撐起舌套實(shí)現(xiàn)與球窩匹配孔的過盈配合。對(duì)波紋管舌套和球窩匹配孔分別進(jìn)行截面投影分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 波紋管舌套和球窩匹配孔截面投影

波紋管舌套尺寸不穩(wěn)定，較標(biāo)準(zhǔn)截面相比偏差值在0.1～0.5 mm范圍內(nèi)波動(dòng)。球窩匹配孔尺寸相對(duì)設(shè)計(jì)值偏上差，最大偏差達(dá)5 mm。球窩匹配孔尺寸偏大，導(dǎo)致波紋管舌套與球窩匹配孔的干涉量減小，甚至出現(xiàn)間隙，從而使得密封性能降低，進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)升高。另外，波紋管舌套中的多根線束為非致密結(jié)構(gòu)，無法保證舌套與球窩匹配孔有穩(wěn)定的干涉量。通過以上分析可以看出，波紋管舌套與球窩匹配孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠穩(wěn)健，此處進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)極高。

2.2.3 路徑③分析

路徑③由外套管與球窩鉚接間隙進(jìn)水。外套管與球窩為壓鉚連接，球窩上設(shè)有鉚接凹槽，凹槽下部設(shè)計(jì)有密封凹槽，裝配O形密封圈實(shí)現(xiàn)密封功能。

從故障件中隨機(jī)抽取5件進(jìn)行拆解，用游標(biāo)卡尺進(jìn)行球窩接頭處尺寸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1，測(cè)量結(jié)果表明球窩尺寸在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，密封凹槽為弧形，拆解過程中發(fā)現(xiàn)O形密封圈安裝后，在與外套管裝配過程中密封圈會(huì)發(fā)生一定程度的錯(cuò)位，如圖5所示，影響密封圈的密封效果，拆解過程中也發(fā)現(xiàn)有2根電撐桿密封圈內(nèi)側(cè)有少量水跡。

圖5 球窩處尺寸要求及錯(cuò)位照片

表1 球窩處尺寸測(cè)量結(jié)果 單位:mm

3 改進(jìn)方案

針對(duì)上述發(fā)現(xiàn)的3個(gè)潛在進(jìn)水路徑提出以下改進(jìn)方案。

(1)優(yōu)化線束波紋管與球窩的匹配方式。波紋管與球窩的匹配方式由內(nèi)嵌式更改為卡接式，球窩增加一個(gè)卡接結(jié)構(gòu)，線束波紋管增加一個(gè)內(nèi)嵌件與波紋管二次注塑成一體，卡接進(jìn)球窩，且拔出力不小于80 N，如圖6所示。

圖6 波紋管與球窩匹配優(yōu)化

(2)更改O形密封圈卡槽形狀。結(jié)合目前電撐桿O形密封圈處的尺寸，按ISO 3601-1第9條項(xiàng)的表格2 (一般工業(yè)用O形圈A級(jí)和B級(jí)的尺寸代碼、尺寸、內(nèi)徑和內(nèi)徑公差)中尺寸代碼為025的尺寸公差要求修正O形圈尺寸。卡槽形狀由圓弧形更改為矩形，尺寸按ISO 3601-2第7條表格2(用于動(dòng)靜態(tài)氣動(dòng)和液動(dòng)活塞密封應(yīng)用的O形圈外殼基本尺寸)中尺寸代碼為025的要求進(jìn)行更改,O形密封圈卡槽優(yōu)化如圖7所示。

圖7 O形密封圈卡槽優(yōu)化

(3)球窩端面增加帽檐結(jié)構(gòu)。球窩端面增加一個(gè)類似帽檐結(jié)構(gòu)，鉚接后該帽檐可以遮擋球窩與外套管的鉚接間隙，減小進(jìn)水進(jìn)灰風(fēng)險(xiǎn),如圖8所示。

圖8 球窩端面優(yōu)化

4 方案驗(yàn)證

經(jīng)過上述3個(gè)方案的改進(jìn)并進(jìn)行樣件制作，分別對(duì)零件級(jí)及整車級(jí)進(jìn)行相關(guān)防水驗(yàn)證。抽取12根更改后的電撐桿，送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電撐桿總成的防水防塵試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證更改后電撐桿總成滿足IP67防水防塵要求，試驗(yàn)后并對(duì)電撐桿電機(jī)端進(jìn)行剖切，電撐桿內(nèi)部無進(jìn)水進(jìn)灰。隨機(jī)抽取20根電撐桿，裝車后進(jìn)行8 min加強(qiáng)淋雨試驗(yàn)，淋雨結(jié)束后檢查整車功能正常，并對(duì)電撐桿零件進(jìn)行電機(jī)端切割，電撐桿內(nèi)部無進(jìn)水。

5 結(jié)語

更改前的電撐桿結(jié)構(gòu)已在3款車型上量產(chǎn)運(yùn)用，其中兩款與文中電撐桿的布置方式類同，與供應(yīng)商溝通確認(rèn)量產(chǎn)的兩款車型未發(fā)現(xiàn)電撐桿進(jìn)水導(dǎo)致尾門無法開閉故障。文中對(duì)電撐桿故障件進(jìn)行拆解及潛在進(jìn)水路徑分析，提出了有效的解決措施，解決了電撐桿進(jìn)水導(dǎo)致尾門開閉失效問題，并將更改方案應(yīng)用于后續(xù)新研車型。文中也體現(xiàn)了借鑒成熟結(jié)構(gòu)或零件借用時(shí)，在不同的周邊環(huán)境的情況下，也需要經(jīng)過完整的驗(yàn)證環(huán)節(jié)。