大型MPV车尾门系统设计的研究

唐淳，李文玺

（安徽江淮汽车技术中心，安徽 合肥 230601）

大型MPV车尾门系统设计的研究

唐淳，李文玺

（安徽江淮汽车技术中心，安徽 合肥 230601）

某大型 MPV车在试制试验过程中出现尾门下沉、气撑杆球头脱落等问题，本文针对这些问题进行调研、实物测量及原因分析，并做出了优化措施，经过实车可靠性验证，有效地解决了问题。最后总结了大型MPV车尾门系统结构设计要点，对后续车型设计有较好的指导意义。

尾门下沉；气撑杆；结构设计

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-47-05

引言

尾门系统是汽车车身结构中相对独立的总成，是供乘员和货物出入的必要通道。尾门总成系统由尾门钣金焊接总成和尾门附件（ 开启机构、锁、密封条、限位机构等）总成组成。尾门系统的设计直接影响到整车的造型效果、密封性、视野及噪声控制等诸方面。尾门结构设计与附件结构及布置需要考虑的因素也较多，既要保证尾门与整车的协调一致，还要保证尾门本身的功能要求。

本文主要针对某一大型 MPV车在尾门结构设计中出现的问题，通过结构设计优化和反复试制试验，最终设计出了满足要求的尾门系统结构，总结了尾门结构设计要点，并形成了大型 MPV类车型尾门系统结构的设计指南，为后续车型的设计提供指导。

1、尾门系统结构初始设计

尾门系统由尾门钣金和附件组成，附件包括开启机构、锁、密封条、限位机构等，尾门钣金是整个附件系统的载体，钣金既要满足整个尾门强度和刚度的要求，又要满足重量目标的要求，还要满足附件的安装要求、工艺要求和美观性要求，所以钣金结构的设计优劣起着关键的作用。

1.1 尾门钣金结构设计

尾门钣金总成组成如图1所示，主要由尾门内 外板、铰链加强板、锁加强板、气撑杆加强板、雨刮安装支架、尾翼安装支架等组成。

通过此结构可以看出，尾门铰链加强板和尾门气撑杆都是单独加强安装在其上的铰链和气撑杆，尾门上框并未全部被加强，未考虑尾门上框整体受力。

尾门钣金总成各个部件的材料及料厚选择如表1所示。

表1 材料及料厚

通过此表可以看出尾门钣金总成各个零部件的材料全部选择价格便宜的普通钢板，普通钢板的屈服强度为 120MPa＜σs≤180MPa，未采用高强板材料，高强度钢板的屈服强度为260MPa＜σs≤340MPa，未考虑尾门受力较大的局部的强度。

1.2 尾门气撑杆的结构和布置

尾门气撑杆又称气弹簧，在尾门开闭时起着助力且维持举力不变的作用，又起着限位的作用。在尾门开闭过程中，通过密闭空腔内液气混合体的相互转化提供助力作用，同时保证举力不变，使得背门停在某一位置。当尾门开到最大位置时，为了防止尾门外板与顶盖发生干涉，同时限制尾门的最大开启角度，使得尾门开启到最大位置时停在原地，不自动关闭，此时气撑杆起着限位的作用。尾门气撑杆的结构和布置设计得合理才能保证它所承担的作用。

1.2.1 尾门气撑杆的结构

气撑杆的结构有普通式和阻尼式，普通气撑杆，其撑杆弹力随着弹簧的运动有着非常大的变化，而阻尼气撑杆在整个运动行程中力值变化相对较小，因此目前在各行各业中得到广泛使用。阻尼式气撑杆又分为固定阻尼式和变阻尼式。固定阻尼式采取在气弹簧中注入少量液压油，并在活塞上设置固定阻尼孔。变阻尼式由在缸筒内壁加工的阻尼槽替代阻尼孔，根据工作情况需要，沿气弹簧伸展方向，该沟槽的横截面面积逐渐减小，形成阻尼效果的逐渐增加。该车型采用价格便宜的固定阻尼式气撑杆。气撑杆的结构和特性曲线如图2所示。

气撑杆的球套的结构有三种形式，内卡簧丝式金属球套、外卡簧丝式金属球套和外卡簧片式塑料球套。该车型采用价格便宜的内卡簧丝式金属球套。各种球套类型及优缺点如表2所示。

表2 各种球套型式及优缺点

1.2.2 尾门气撑杆的布置

尾门气撑杆在汽车布置中一般分为挺举式布置和翻转式布置两种型式，其中挺举式布置为气撑杆上安装点位于车门侧，下安装点位于侧围侧，车门开启过程中撑杆缸筒始终位于上端，气撑杆对车门产生压缩的力，而翻转式布置为气撑杆上安装点位于侧围侧，下安装点位于车门侧，气撑杆对车门产生拉伸的力。由于挺举式布置对空间要求较大，基于造型和布置空间限制，该车型气撑杆采用翻转式布置型式。

在设计极限状态下，气撑杆球头与气撑杆轴线之间允许偏角为7.5°，如图3所示。即允许夹角为82.5°至97.5°之间，车门侧球头与撑杆轴线夹角为84°至97.2°之间，单边余量分别只有1.5°和0.3°，而侧围侧球头与撑杆轴线夹角为90.1°和95°，单边余量分别为7.6°和2.5°。

1.3 尾门和周边件的分缝面差设计

1．尾翼和侧围分缝：5，面差：0

2．尾门和保险杠下分缝：6

2、此种结构和布置产生的问题及原因分析

上述结构和布置是初始不合理的设计，样车经过试制后，通过几轮试制试验验证，出现了一系列质量问题。现对这些质量问题进行详细的描述，针对这些问题进行了实物测量，原因分析，标杆车对比等方式方法，去寻找解决问题的思路和措施。

2.1 问题描述

1．尾门总成在安装气撑杆后，尾门和保险杆之间的间隙小于设计状态6mm，甚至出现尾门和保险杠干涉的现象；为保证尾门和保险杠之间的间隙符合设计状态，将铰链处增加垫片，尾门总体抬高，但是从侧面看，造成了尾翼高于侧围的外观缺陷；

2．频繁出现尾门气撑杆球头脱落的严重故障，易造成生产一线员工及用户受伤的严重安全事故，必须进行整改,问题如图5所示。

2.2 原因分析

2.2.1 尾门和保险杆干涉的原因分析

尾门在安装气撑杆前，仅受自身的重力（G=400N）作用，无变形；尾门安装气撑杆后，由于气撑杆为翻转式布置，还要受到气撑杆安装方向的力（F=1700N）的作用，两个力累加作用在尾门上，作用力很大，加上尾门上框处的刚度较弱，则尾门就会产生变形，导致尾门被拉长3mm，造成尾门和保险杠之间的间隙变小，由于累积误差，甚至会出现干涉的现象。经过多轮的打点检测，找出了变形发生的位置，位于尾门上框处。由此可见尾门上框刚度较弱及尾门和保险杠之间的分缝设计过小是造成尾门和保险杆干涉的主要原因。图 6为打点检测的数据，图7为尾门受力示意图。

2.2.2 气撑杆球头脱落原因分析

1）球头安装方向设计不合理：车门侧球头与气撑杆轴线夹角最小处为84°，最大处为97.2°，单边偏角分别为6°和7.2°（理想状态下球头与气撑杆轴线应为90°）；侧围侧球头与气撑杆轴线夹角最小处为90.1°和95°，单边偏角为0.1°和5°。如图8所示为球头随车门开启变化曲线图8。

2）球头最大允许转动偏角设计过小：在设计极限状态下，气撑杆球头与气撑杆轴线之间允许偏角为7.5°，即允许夹角为81.5°至97.5°之间，而车门侧球头与撑杆轴线夹角为84 °至97.2°之间，单边余量分别只有2.5°和0.3°，而侧围侧球头与撑杆轴线夹角为 90.1°，单边余量分别为 7.4°和2.5°；由于安装精度和气撑杆本身制造精度误差累积，单边余量较小的部位极易发生球头颈部与球套干涉，干涉后球头会逐渐磨损，直至造成球头脱落。

3）球套类型选择不合理：目前该车型采用内卡簧丝式金属球套，其加工工艺性复杂，精度控制及检测都具有一定的难度，生产一致性较差，故存在球头脱落的安全风险。

由上述分析可见，气撑杆球头安装方向不合理以及气撑杆球头（套）允许偏角范围过小是造成球头脱落的主要原因；球套类型选择不合理是次要原因。

3、尾门问题整改及结构设计要点

通过以上实物测量和原因分析，明确了尾门问题的整改方向，制定了整改措施，通过制作手工样件装车，反复的试制试验验证，确定了整改措施的合理性，在该车型上市之前有效地解决了质量问题，提升了该车型的品质，并总结了尾门结构设计要点，有效地指导后续车型的设计。

3.1 问题整改措施

1．为了保证从侧面看尾翼低于侧围，考虑尾门变形对尾翼的影响，降低尾翼和侧围搭接处的型面，有原来的0面差调整为使尾翼最大处低于侧围3mm。如图9所示。

2．增大尾门下部和保险杆的间隙，使设计间隙为10mm。以免尾门下沉后造成和保险杠干涉。经过调查，几种大型MPV类车型的该处间隙均大于10mm，以防止尾门下沉。如图10所示。

3. 增大尾门上框的刚度，尽可能地减小尾门上框的变形量。将原来的尾门铰链加强板和气撑杆加强板连接成一块钣金，将尾门上框处全部加强，加强板材料全部由普通钢板变为高强钢板。如图11所示。

4. 将车门侧气撑杆球头安装型面调整，减小气撑杆球头与撑杆轴线之间的偏角。在车门一侧，将气撑杆球头轴线与撑杆轴线夹角调整为最小处86.6°，偏角3.4°，夹角最大处为93.5°，偏角3.5°，整改效果明显；如图12所示为修改后的气撑杆球头与撑杆转角变化示意图。

5．修改球头尺寸，增大球头最大允许转动偏角。将球头颈部尺寸由φ8和φ10修改为φ6和φ8，修改后球头允许转角可达17°，相比整改前的 7.5°有很大改观，可有效增大球头允许转角。如图13所示。

6. 将内卡簧丝式金属球套调整为外卡簧丝式金属球套，由于外卡簧丝式金属球套继承了内卡簧丝式球套物理干涉而形成限位功能的优点，同时避免了因生产一致性问题导致的球头精度不合格造成的脱落问题，有效实现了双保险，极大地提高了产品安全性。如图14所示。

3.2 整改效果

经过整改后的样件已经试制装车，并经过50000次耐久性试验和30000km可靠性道路试验（15000km强化路试验），将过三轮测试，全面验证了尾门下沉、气撑杆可靠性、安全性、耐久性等方面的性能指标，该车型通过试验，未出现问题，整改效果良好。目前该车型已经上市，未反馈尾门方面的质量问题。

3.3 结构设计要点

经过调查发现，凡是大型MPV的尾门，由于尾门较大，气撑杆的支撑力会相应增大，两者累积的作用力一定会使尾门发生变形。所以在进行大型 MPV车尾门结构设计时要充分考虑尾门变形对各部件的影响，包括外观、功能、安全性等问题。目前也对几款大型车尾门进行了实物测量，并总结了大型MPV车尾门结构设计要点：

1．尾门和保险杠的分缝：通过几款标杆车的测量,尾门和保险杠的分缝都在 10mm以上,以免尾门变形引起和保险杆的干涉问题。

2．尾门上部和侧围的面差：通过几款标杆车的面差测量,侧围都要高于尾门 3mm以上，以免尾门变形引起的外观缺陷。

3．尾门总成上框加强板要做成一体式，不能为了材料利用率变成分体式，大型车尾门较大，要保证尾门上框良好的刚度。

4．尾门气撑杆球头和轴线之间偏角的设计要尽可能有较大的容差能力，以免车身精度不好时球头产生磨损。

5．大型车尾门气撑杆球套形式要采用安全性较好的外卡簧式。

4、结论

尾门作为汽车的组成部分，是车身尾部最富变化和最受人关注的对象。一方面，尾门作为车身结构中的重要组成部分，其造型风格、强度、刚度、可靠性及工艺性等必需满足车身整体性能的要求；另一方面，尾门结构自身的视野性、安全性、密封等性能，既对整个车身结构性能影响较大，也是尾门功能要求的重要部分。本文主要针对某一大型 MPV车的尾门结构设计中出现的试制试验问题，经过问题调研、原因分析及实物测量，做出了可行的优化措施，经过试制试验验证，在该车型上市之前有效地解决了问题；并形成了大型 MPV车尾门结构设计指南，为后续车型的设计提供了指导。

[1] 宋小宁.尾门气弹簧设计方法研究[N]. 安徽省科协年会机械工程分年会论文集, 2008.

[2] 韦学军等.微型客车尾门结构设计与试验简介[J].企业科技与发展, 2009.

[3] 杜明艳.大微客尾门铰链加强板设计探讨[J].企业科技与发展, 2011.

[3] 王兴华.浅谈两厢车背门气弹簧设计[N]. 第六届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集, 2009.

The Researching about tailgate design of large-scale MPV

Tang Chun, Li Wenxi
（Anhui Jianghuai Automobile Technology Center, Anhui Hefei 230601)

Many problems which includes such as tailgate sags, gas spring ball separate itself, and so on appear in trial-produce and test of some large-scale MPV. This paper make feasible optimized measures by problem investigating, object measuring and reason analysis. These problems are resolved before it comes into the market, through full trial-produce and test. At last, structure design keys are summarized about the large-scale MPV so that provide direction for the design of subsequent vehicle.

tailgate sags; gas spring; structure design

U463.8

A

1671-7988(2015)05-47-05

唐淳，安徽江淮汽车技术中心车体设计专家，硕士，主要从事开闭件的设计和研发工作。