汽車下翻尾門的性能提升

庫才旗

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

目前汽車尾門有掀背門、側(cè)開門、對開門及上掀下翻門等開啟形式，其中對開門及上掀下翻門均是將尾門分成兩部分，減少了尾門開啟后的長度或高度，有利于提升貨物取放便利性及尾門使用安全性。上掀下翻門的上掀部分與傳統(tǒng)掀背門結(jié)構(gòu)形式類似，下翻部分在打開后可以增加尾門額外的承重功能，如翻轉(zhuǎn)后休憩及做置物臺用等。市面上BMW X5、SMART兩座、PSA 3008及Mini cooper等車型都設(shè)有下翻尾門，且具有承重功能，可承重為80～200 kg。

下翻開啟的汽車尾門有兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是復(fù)合材料尾門，尾門內(nèi)外板均為復(fù)合材料，鈑金加強(qiáng)件通過緊固件安裝或嵌入到尾門內(nèi)板上，尾門內(nèi)外板通過周圈及局部黏膠連接；另一種是鈑金尾門，加強(qiáng)件與尾門內(nèi)板焊接后，再與尾門外板周圈通過包邊連接。

1 下翻尾門的關(guān)鍵問題

下翻尾門的關(guān)鍵問題是開啟速度不受控且關(guān)閉力大。下翻尾門開啟時繞鉸鏈向后下旋轉(zhuǎn)，受其自身重力作用，勢能不斷轉(zhuǎn)化為動能，開啟速度越來越快。尾門關(guān)閉時，需要施加外力克服尾門重力，尾門越重，關(guān)閉力越大。下翻尾門的承載功能需要提高其整體強(qiáng)度,會導(dǎo)致尾門質(zhì)量進(jìn)一步增加,與提升下翻尾門操作舒適性相矛盾。

為解決上述問題，市場上有兩種常見的技術(shù)路線,如圖1所示。

圖1 對標(biāo)車下翻尾門

(1)以SMART為代表的采用復(fù)合材料尾門輕量化結(jié)構(gòu)，鋼絲繩柔性連接及限位方案，其尾門質(zhì)量約6 kg，關(guān)閉力約53 N，可承重約100 kg。尾門開啟過程中容易傷到用戶，開啟至末端時，受鋼絲繩作用，尾門開啟速度瞬間降到0，存在震顫現(xiàn)象。該方案通過輕量化技術(shù)解決了尾門關(guān)閉力大的問題，但存在成本高、技術(shù)難度大等問題，同時未能解決尾門開啟速度不受控的問題。

(2)以BMW X5為代表的采用鈑金尾門結(jié)構(gòu)，電撐桿系統(tǒng)連接及限位方案，其下翻尾門可承重約200 kg。該方案解決了下翻尾門開啟速度不受控且關(guān)閉力大的問題，但電撐桿系統(tǒng)存在布置空間大、成本高、開發(fā)周期長等問題。

寶駿新能源某款車型開發(fā)的下翻尾門，開辟了另一種低成本、高可靠性、短周期的技術(shù)路線，解決了下翻尾門的關(guān)鍵問題。

2 基于TRIZ的下翻尾門關(guān)鍵問題優(yōu)化

2.1 問題描述及優(yōu)化目標(biāo)

為滿足差異化的用戶使用場景，結(jié)合前期市場調(diào)研結(jié)果，寶駿新能源某款車型尾門定義為下翻尾門，且滿足100 kg的承重要求。下翻尾門采用鈑金結(jié)構(gòu)類型，為滿足造型顏色需求，并基于成本及制造可行性分析，尾門外板外側(cè)設(shè)計為包覆整個尾門的外裝飾板，導(dǎo)致設(shè)計狀態(tài)下的尾門關(guān)閉力約達(dá)99 N。由于受尾門造型尺寸及項目開發(fā)周期影響，無足夠空間布置電動撐桿系統(tǒng)且開發(fā)周期無法滿足項目要求，下翻尾門存在開啟至末端的震顫及關(guān)閉費(fèi)力問題。結(jié)合對標(biāo)分析，將下翻尾門的優(yōu)化目標(biāo)定為開啟至末端不出現(xiàn)震顫，即關(guān)閉力不大于60 N。

2.2 問題分析

2.2.1 系統(tǒng)分析

2.2.1.1 開門過程

對開門過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)了兩個問題：①過度作用：開門時，受重力作用持續(xù)加速，末端動能過大；②不足作用：拉繩剛度不足。開門過程系統(tǒng)分析如圖2所示。

圖2 開門過程系統(tǒng)分析

2.2.1.2 關(guān)門過程

對關(guān)門過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出了一個不足作用，即用戶施加關(guān)門力不足。關(guān)門過程系統(tǒng)分析如圖3所示。

圖3 關(guān)門過程系統(tǒng)分析

2.2.2 因果分析

2.2.2.1 開門過程

對開門過程進(jìn)行因果分析，找出了關(guān)鍵問題1，即開門時末端動能大。開門過程因果分析如圖4所示。

圖4 開門過程因果分析

2.2.2.2 關(guān)門過程

對關(guān)門過程進(jìn)行因果分析，找出關(guān)鍵問題2，即用戶施加關(guān)門力不足。關(guān)門過程因果分析如圖5所示。

圖5 關(guān)門過程因果分析

文中結(jié)合因果分析提煉解決問題入手點(diǎn)為以下3個方面：①解決尾門質(zhì)量過大；②解決尾門重力臂過大；③解決尾門關(guān)門力臂不足。

2.3 問題解決

表1 技術(shù)矛盾分析結(jié)果

對第三個入手點(diǎn)進(jìn)行物理矛盾分析，結(jié)果見表2。

表2 物理矛盾分析結(jié)果

對重力過度及拉繩剛度不足進(jìn)行物場模型分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 物場模型分析

綜上分析可知，重力過度的概念方案為一種阻尼器、一種限位器、伸縮式拉繩及一種扭桿4個方案;拉繩剛度不足的概念方案為在車門與車身之間增加電磁鐵。

2.4 方案評價及實(shí)施

各概念方案評價結(jié)果見表3。表中對每個方案進(jìn)行成本、周期、可行性及風(fēng)險4個維度的評價，最終選定方案7及方案10的組合方案進(jìn)行下翻尾門關(guān)鍵問題的優(yōu)化。

表3 各概念方案評價結(jié)果

3 扭桿機(jī)構(gòu)及阻尼器在下翻尾門系統(tǒng)的運(yùn)用

3.1 扭桿機(jī)構(gòu)在下翻尾門系統(tǒng)的運(yùn)用

3.1.1 扭桿與周邊零件匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計

尾門鉸鏈(車身側(cè))內(nèi)側(cè)安裝面的翻邊臺階用于扭桿固定，尾門鉸鏈(尾門側(cè))的翻邊與扭桿U形固定塊固定在一起。扭桿尾門端為L形，通過螺栓固定在尾門鉸鏈(尾門側(cè))端的U形固定塊內(nèi)；扭桿車身端設(shè)計為U形，固定在尾門鉸鏈(車身側(cè))的翻邊臺階及翻邊上的孔內(nèi)，在其運(yùn)動包絡(luò)區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)避讓，如圖7所示。

圖7 尾門扭桿及與尾門鉸鏈匹配

3.1.2 扭桿材料選擇、線徑及工作角度設(shè)計

用于制造扭桿的材料有65Mn、60Si2Mn、55SiCr及55SiCrA等彈簧鋼，基于車型量產(chǎn)取材、質(zhì)量、使用壽命及成本因素，材料選定為中疲勞級55SiCr，其屬性值見表4。

⑥?????馬 克 思: 《資 本 論 》第 1 卷，人 民 出 版 社 2004 年版，第 587、209、587、229、97、104 頁。

表4 55SiCr屬性值

尾門質(zhì)量為19.5 kg，重心坐標(biāo)=2 782.27，=0，=511.65，尾門簡化模型如圖8所示，尾門重心到鉸鏈軸線的距離=270.9 mm，尾門重心與鉸鏈軸線連線和水平線夾角=11.8°，尾門關(guān)閉位置到鉸鏈軸線的距離=508.4 mm，尾門關(guān)閉位置與鉸鏈軸線連線和水平線夾角=5.2°。其關(guān)系式為：

·=·

(1)

=·cos

(2)

圖8 尾門簡化模型

根據(jù)力平衡原理，運(yùn)用式(1)和式(2)，代入相應(yīng)數(shù)值，計算得出設(shè)計狀態(tài)下尾門關(guān)閉力=98.7 N。引入扭桿機(jī)構(gòu)以降低尾門關(guān)閉力達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)閉力要求(不大于60 N)，故單根扭桿需提供約20 N的關(guān)閉助力。

尾門設(shè)計開啟角度為89°，為確保尾門關(guān)閉時的安全性，在尾門關(guān)閉至0°時，扭桿應(yīng)有適當(dāng)?shù)呐ちΡＷC尾門繼續(xù)有關(guān)閉趨勢，確保尾門不會突然回落?？紤]扭桿制造誤差等，扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角應(yīng)大于尾門的最小開啟角為8°左右。

根據(jù)材料力學(xué)，對圓形截面的扭桿有：

(3)

式中：為扭桿扭矩(N·mm);為扭桿直徑(mm);為扭桿有效長度(mm)，=510.5 mm;為材料剪切模量(Pa);為扭桿工作角度(°)，取97°。

由式(3)計算出扭桿的線徑并取整，扭桿數(shù)量為兩根，取線徑為5.5 mm。

3.1.3 扭桿CAE應(yīng)力分析

運(yùn)用Abaqus軟件對扭桿進(jìn)行應(yīng)力分析，計算模型如圖9所示，扭桿CAE應(yīng)力圖如圖10所示。分析結(jié)果見表5，其分析工況為：車身側(cè)固定支架約束自由度為1～6;尾門最大開啟角度89°，即鉸鏈側(cè)固定頭扭轉(zhuǎn)角度=89°。

圖9 尾門扭桿CAE分析模型

圖10 扭桿CAE應(yīng)力圖

表5 扭桿CAE應(yīng)力分析結(jié)果 單位:MPa

由表4中扭桿的屬性值可知，55SiCr的屈服強(qiáng)度為1 300 MPa。CAE分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力區(qū)域在扭桿2的車身側(cè)U形端，應(yīng)力約920 MPa，滿足材料要求。

3.2 阻尼器在下翻尾門系統(tǒng)的運(yùn)用

阻尼器為一個密閉缸筒和可以在鋼筒內(nèi)滑動的活塞及活塞桿組件組成的以油液將動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的彈性元件，阻尼器的阻尼力由內(nèi)部油液的流動阻力產(chǎn)生，活塞運(yùn)動的速度決定阻尼力的大小。

阻尼器門端與尾門鉸鏈(門側(cè))通過支架連接，阻尼器車身端與后地板橫梁通過支架連接，阻尼器布置如圖11所示。

圖11 阻尼器布置

3.3 效果驗(yàn)證

經(jīng)過實(shí)車裝車驗(yàn)證，尾門關(guān)閉力由優(yōu)化前的99 N降低至46 N，達(dá)到了前期設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)，且優(yōu)于對標(biāo)車SMART兩座關(guān)閉力水平。在標(biāo)定阻尼器參數(shù)后，尾門開啟速度平穩(wěn)且開啟到末端時無震顫現(xiàn)象，所選方案解決了下翻尾門的關(guān)鍵問題。

4 結(jié)束語

文中闡述了下翻尾門系統(tǒng)開發(fā)中遇到的開啟速度不受控且關(guān)閉力大等問題，運(yùn)用TRIZ對其進(jìn)行優(yōu)化，引入了扭桿機(jī)構(gòu)及阻尼器在下翻尾門系統(tǒng)上的應(yīng)用，成功解決了下翻尾門的關(guān)鍵問題，大幅提升下翻尾門操作舒適性及安全性。