某車(chē)型下翻尾門(mén)扭桿斷裂受力分析及優(yōu)化

謝新生　陳志耀　麥暉

關(guān)鍵詞：尾門(mén);扭桿;斷裂;受力分析;優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著消費(fèi)人群年齡及消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，汽車(chē)作為單一的代步工具功能已不能滿足消費(fèi)者的需求，對(duì)汽車(chē)使用性能的要求也日益提高。汽車(chē)除了外觀更加新穎、操控更加舒適便利以及更具智能化外，也在朝著好玩好用的方向發(fā)展。汽車(chē)尾門(mén)（即行李艙蓋，下文統(tǒng)稱(chēng)為尾門(mén)）作為汽車(chē)尾部的一個(gè)重要部件，在其開(kāi)啟后方便貨物取放。根據(jù)汽車(chē)尾門(mén)打開(kāi)的方式不同，汽車(chē)尾門(mén)分為舉升式、側(cè)開(kāi)式、對(duì)開(kāi)式以及上部舉升下部下翻式等多種類(lèi)型。

本司某款車(chē)型尾門(mén)定義為下翻式，且停車(chē)時(shí)尾門(mén)打開(kāi)后可承受約100.0kg的載重，使尾門(mén)更好玩的同時(shí)更好用。在該車(chē)型的下翻尾門(mén)設(shè)計(jì)中，采用了扭桿和阻尼器結(jié)構(gòu)，以解決下翻式尾門(mén)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題：開(kāi)啟速度不受控且關(guān)閉力大（大于95N），從而提升下翻尾門(mén)的性能[1]。本文著重針對(duì)該車(chē)型下翻尾門(mén)的扭桿在耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的斷裂失效問(wèn)題，提出更換材料及若干結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中運(yùn)用了CAE工具進(jìn)行應(yīng)力分析，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，且縮短了設(shè)計(jì)周期。

1問(wèn)題描述

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尾門(mén)子系統(tǒng)耐久試驗(yàn)需滿足3萬(wàn)次帶環(huán)境試驗(yàn)工況無(wú)開(kāi)裂、異響和功能失效等問(wèn)題。該車(chē)型尾門(mén)扭桿樣件安裝在白車(chē)身上進(jìn)行尾門(mén)子系統(tǒng)耐久試驗(yàn)，4900次時(shí)U形端（連接尾門(mén)鉸鏈車(chē)身側(cè)端）斷裂（圖1）。更換樣件繼續(xù)試驗(yàn)，2萬(wàn)次時(shí)L形端（連接尾門(mén)鉸鏈尾門(mén)側(cè)）斷裂。

2扭桿設(shè)計(jì)及CAE仿真分析

該車(chē)下翻尾門(mén)扭桿是基于三廂車(chē)行李艙蓋扭桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，扭桿尾門(mén)端設(shè)計(jì)為L(zhǎng)形，通過(guò)螺栓固定在尾門(mén)鉸鏈尾門(mén)側(cè)端的U形固定塊內(nèi)。因鉸鏈軸銷(xiāo)處空間較為緊湊，尾門(mén)側(cè)端扭桿與鉸鏈軸線同軸，以減小扭桿的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，使其只發(fā)生旋轉(zhuǎn)而無(wú)位移。車(chē)身端設(shè)計(jì)為U形，固定在尾門(mén)鉸鏈車(chē)身側(cè)的翻邊臺(tái)階上，在其運(yùn)動(dòng)包絡(luò)區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)避讓?zhuān)▓D2）。

對(duì)比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，扭桿長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)狀態(tài)相符。察看試驗(yàn)動(dòng)作，尾門(mén)開(kāi)啟后受自身重力作用，繞鉸鏈向下旋轉(zhuǎn)，勢(shì)能不便轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，當(dāng)開(kāi)啟最大角度時(shí)，存在較大的震顫現(xiàn)象，對(duì)扭桿受力不利。

2.1扭桿直徑、角度設(shè)計(jì)及材料選擇

下翻尾門(mén)扭桿受力情況由圖3可知，根據(jù)力的平衡原理，尾門(mén)的關(guān)閉力與尾門(mén)自身重力存在如下關(guān)系：

式中F——尾門(mén)關(guān)閉力

F——尾門(mén)重心重力的切向分力

a——尾門(mén)重心到鉸鏈軸線的距離

b——尾門(mén)關(guān)閉位置到鉸鏈軸線的距離

α——尾門(mén)重心與鉸鏈軸線連線和水平線夾角

m——尾門(mén)質(zhì)量

g——重力加速度

該車(chē)尾門(mén)中，a為270.9mm，b為508.4mm，α為11.8°，m為19.5kg，g取9.8m/s，由此可計(jì)算出尾門(mén)關(guān)閉力Fc為98.7N。

與某對(duì)標(biāo)車(chē)型相比，本車(chē)的關(guān)閉力過(guò)大，分解到扭桿上的力造成扭桿過(guò)早地疲勞斷裂。針對(duì)對(duì)標(biāo)車(chē)型分析，其下翻尾門(mén)關(guān)閉力為53.0N，單根扭桿只需提供約23.0N的關(guān)閉助力。

該故障車(chē)的尾門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)啟角度為89.0°，為確保尾門(mén)關(guān)閉時(shí)的安全性，在尾門(mén)關(guān)閉至0.0°時(shí)，扭桿應(yīng)還有適當(dāng)?shù)呐ぞ乇ＷC尾門(mén)繼續(xù)關(guān)閉的趨勢(shì)，確保尾門(mén)不會(huì)突然回落。結(jié)合扭桿制造誤差因素，扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角應(yīng)大于尾門(mén)的最小開(kāi)啟角8.0°左右。

根據(jù)材料力學(xué)，扭矩與扭桿直徑間具有如下關(guān)系[2]：

式中T——扭桿扭矩

d——扭桿直徑

L——扭桿有效長(zhǎng)度

G——材料剪切模量

θ——扭桿角度

根據(jù)下翻尾門(mén)單根扭桿的關(guān)閉助力，可計(jì)算扭桿扭矩：

T=2×23×508.4=23386.4≈23.4N·m

另外，L為510.5mm，G取80000MPa，扭桿角度為97.0°，由公式（3）可計(jì)算出扭桿的d為5.5mm。

扭桿材料選擇為T(mén)D級(jí)55SiCr彈簧鋼，直徑設(shè)計(jì)為5.5mm，與三廂車(chē)行李艙扭桿材料一致。

2.2扭桿結(jié)構(gòu)CAE分析

運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)扭桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE應(yīng)力分析，CAE分析模型見(jiàn)圖4。尾門(mén)扭桿1左側(cè)（L形）連接尾門(mén)左鉸鏈車(chē)身側(cè)，右側(cè)（U形）連接尾門(mén)右鉸鏈尾門(mén)側(cè);同理，尾門(mén)扭桿2左側(cè)（U形）連接尾門(mén)左鉸鏈尾門(mén)側(cè)，右側(cè)（L形）連接尾門(mén)右鉸鏈車(chē)身側(cè)。模型邊界條件如下[3]。

約束：約束尾門(mén)左、右鉸鏈車(chē)身側(cè)固定支架6個(gè)自由度（DOF：1～6）。

加載：尾門(mén)最大開(kāi)啟角度89.0°，使尾門(mén)扭桿1和扭桿2的L形端隨尾門(mén)左/右鉸鏈尾門(mén)側(cè)固定支架繞尾門(mén)左右鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)89°，即尾門(mén)扭桿1和扭桿2的L型端扭轉(zhuǎn)角度為89.0°。

通過(guò)CAE分析計(jì)算尾門(mén)扭桿1和扭桿2最大應(yīng)力值，應(yīng)力最大為扭桿與鉸鏈匹配的兩端（圖5）。根據(jù)GB/T1222-2016《彈簧鋼》中的力學(xué)性能，材料為55SiCr彈簧鋼的屈服強(qiáng)度為1300MPa[4]。而經(jīng)CAE分析2根扭桿的最大應(yīng)力約1128MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

3扭桿斷裂問(wèn)題分析

CAE分析結(jié)果是理論狀態(tài)的情況，沒(méi)有考慮到零件制造裝配尺寸精度、材料性能差異以及零件耐久次數(shù)導(dǎo)致的零件性能衰減問(wèn)題等信息。對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)與扭桿匹配的各安裝點(diǎn)及尾門(mén)重量實(shí)際結(jié)果都屬于設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)，推測(cè)制造裝配精度不是主要影響因素。

經(jīng)對(duì)故障件進(jìn)行硬度測(cè)試及斷裂處斷口進(jìn)行金相組織分析[2]，結(jié)果顯示扭桿裂紋源均起于表面，裂紋源處外表面有明顯的缺陷損傷。起始擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋以及瞬斷區(qū)的韌窩表明，扭桿屬于正常的疲勞斷裂，硬度和金相組織正常[5]。

對(duì)于下翻尾門(mén)扭桿或者三廂車(chē)行李艙蓋扭桿的疲勞壽命，目前主要是通過(guò)橫向?qū)Ρ菴AE結(jié)果與模擬實(shí)車(chē)驗(yàn)證的結(jié)果差異來(lái)間接評(píng)價(jià)。首次試驗(yàn)U形端最大應(yīng)力為1128MPa，試驗(yàn)到4000次時(shí)斷裂，L形端最大應(yīng)力為880MPa，試驗(yàn)到2萬(wàn)次斷裂。

通過(guò)以上信息，確定問(wèn)題優(yōu)化方向一方面是減少CAE最大應(yīng)力以及連接位置應(yīng)力集中;另一方面是更改材料，選擇抗疲勞強(qiáng)度更好的材料方向進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4扭桿斷裂問(wèn)題優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化及CAE分析

通過(guò)查看扭桿斷裂的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)，斷裂位置屬于CAE分析應(yīng)力最高位置區(qū)域。重新設(shè)計(jì)校核發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)扭桿布置由于受車(chē)身空間限制，長(zhǎng)度僅有510.5mm（傳統(tǒng)三廂轎車(chē)的行李艙扭桿長(zhǎng)度一般大于900.0mm）。由于L形端受結(jié)構(gòu)限制及應(yīng)力相對(duì)較小，且斷裂時(shí)試驗(yàn)次數(shù)較高，因此優(yōu)先對(duì)U形端進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。原設(shè)計(jì)中，扭桿長(zhǎng)度約510.5mm，U形端寬度為20.0mm，圓角半徑R為6.0mm。對(duì)扭桿長(zhǎng)度、U形口寬度及U形轉(zhuǎn)角半徑進(jìn)行優(yōu)化，部分優(yōu)化方案如下。

方案1：優(yōu)化長(zhǎng)度及加大圓角。優(yōu)化后扭桿長(zhǎng)度約535.5mm，U形端寬度為20.0mm，圓角半徑R為10.0mm（圖6）。

方案2：優(yōu)化長(zhǎng)度、U形端寬度及轉(zhuǎn)角半徑。優(yōu)化后扭桿長(zhǎng)度約535.5mm，U形端寬度為40.0mm，小圓角半徑R1為6.0mm，大圓角半徑R2為34.0mm（圖7）。

方案3：優(yōu)化長(zhǎng)度、U形端寬度及轉(zhuǎn)角半徑。優(yōu)化后扭桿長(zhǎng)度約535.5mm，水平段U形端寬度為24.0mm，豎直段U形端寬度為20.0mm，小圓角半徑R1為6.0mm，大圓角半徑R2為24.0mm（圖8）。

從以上優(yōu)化方案得出，加長(zhǎng)扭桿長(zhǎng)度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)及圓角對(duì)U形端應(yīng)力均有改善。綜合成本、質(zhì)量及風(fēng)險(xiǎn)因素，方案3為最優(yōu)。數(shù)據(jù)優(yōu)化后，方案3豎直段U形端Z向上部已與后蒙皮干涉。在方案3基礎(chǔ)上，降低Z向U形端高度，保證其與后蒙皮所需的運(yùn)動(dòng)間隙，即提出方案4（圖9）。

方案4中，優(yōu)化后的扭桿長(zhǎng)度約540.0mm，水平段U形端寬度為24.0mm，豎直段U形端寬度為24.0mm，小圓角半徑R1為6.0mm，大圓角半徑R2為30.0mm。經(jīng)過(guò)CAE分析，扭桿1的U形端應(yīng)力較優(yōu)化前降低17.9%，扭桿2的最大應(yīng)力較優(yōu)化前降低18.4%，較方案3應(yīng)力變化不大，結(jié)構(gòu)優(yōu)化最終選定方案4。

4.2材料優(yōu)化

在方案4的基礎(chǔ)上，對(duì)扭桿材料進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，分別選取原設(shè)計(jì)材料、浦項(xiàng)材料及某進(jìn)口材料，制造2套樣件進(jìn)行子系統(tǒng)耐久驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口材料對(duì)耐久提升最高，其次是浦項(xiàng)材料，原設(shè)計(jì)選用材料最差（圖10）。綜合性能以及成本評(píng)估，最終選擇浦項(xiàng)材料作為零件設(shè)計(jì)材料，零件性能優(yōu)于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)20%的情況下，成本最優(yōu)，保證足夠的設(shè)計(jì)可靠性。

4.3優(yōu)化后的扭桿試驗(yàn)及驗(yàn)證

采用優(yōu)化方案4的結(jié)構(gòu)及浦項(xiàng)材料進(jìn)行小批量試裝，裝車(chē)表現(xiàn)為：尾門(mén)關(guān)閉力平均由優(yōu)化前的99.0N降低至46.0N，優(yōu)于對(duì)標(biāo)車(chē)。但是，尾門(mén)開(kāi)啟速度較快，而且開(kāi)啟到末端時(shí)震顫現(xiàn)象依然存在。通過(guò)聯(lián)合供應(yīng)商資源及鉸鏈區(qū)域空間確認(rèn)，決定引入阻尼器零件，裝配測(cè)試后，尾門(mén)開(kāi)啟速度平穩(wěn)且開(kāi)啟到末端時(shí)無(wú)震顫現(xiàn)象（圖11）。優(yōu)化后的扭桿及阻尼器組合經(jīng)過(guò)了3輪完整的尾門(mén)子系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，扭桿無(wú)斷裂故障和功能失效，改進(jìn)效果良好。

5結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了下翻式尾門(mén)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)遇到的扭桿斷裂等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)扭桿的結(jié)構(gòu)、材料等調(diào)整，成功解決了下翻式尾門(mén)扭桿斷裂問(wèn)題，同時(shí)改善了下翻式尾門(mén)關(guān)閉力大、開(kāi)啟速度快且開(kāi)啟到末端時(shí)存在震顫現(xiàn)象等不良感知問(wèn)題，大幅提升用戶(hù)使用體驗(yàn)度。作為產(chǎn)品工程師，不但要熟知所負(fù)責(zé)產(chǎn)品的經(jīng)典結(jié)構(gòu)及其與周邊系統(tǒng)的匹配關(guān)系，還要了解產(chǎn)品的制造工藝及關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。