某SUV车型尾门开启感受较重的原因分析及改进

史富强，孙敏，俞燕

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

汽车尾门气弹簧（也称气撑杆）系统是保证尾门顺利开启、关闭的关键部件之一，一般市场客户对尾门品质的主观感受也主要体现在气弹簧的使用效果上，因此尾门气弹簧设计布置的合理性，对尾门的开关舒适性和便利性有着至关重要的影响。本文以某SUV车型尾门开启感受较重的问题为切入点，通过对该问题的整改优化，深度整理了尾门气弹簧布置中影响开关舒适性和方便性的关键因素，为尾门气弹簧系统在后续车型上的布置设计提供了参考依据。

1 气弹簧工作原理

1.1 气弹簧的定义

气弹簧是指由一个密闭缸筒和可以在缸筒内滑动的活塞组件及活塞杆组成的以气体压强为贮能介质的机构[1]。

1.2 气弹簧的结构

图1 气弹簧组成简图

气弹簧一般由接头、活塞杆、导向件、活塞系统、缸筒等组成，如图1所示。在密闭的活塞筒内充入高压气体（一般为氮气），两边气体压强作用在活塞面，由于两边压强的不同以及有杆腔和无杆腔的截面积差，形成活塞杆的输出推力[2]。气弹簧在车身上布置完成后通过伸展及压缩的运动过程向外输出力，从而为尾门的开关门操作提供便利。

1.3 气弹簧布置原理

尾门运动过程中，气弹簧输出力 FStay与尾门的重力 G、开启力FOpen、关闭力FClose环绕铰链轴线组成力矩关系，如图2所示。根据几何受力关系可知，当尾门气弹簧输出力与尾门开关力的力矩之和大于尾门重力力矩时尾门打开，反之关闭。当尾门气弹簧输出力的力矩与尾门重力力矩相等时达到平衡状态。这时的尾门开启角度叫平衡角，尾门最下边缘处的离地高度叫平衡高度，二者体现的是同一个状态。

图2 气弹簧布置几何受力示意图

2 尾门开启主观评价感受较重问题分析

2.1 问题描述

某SUV车型市场反馈：尾门开启主观感受较重，尤其低温条件下，尾门打开过程较为困难，开启感受较差。

2.2 问题分析

通过整改前的气弹簧布置分析报告及实车情况，重新对气弹簧F1力值、平衡点、最大开启力、最大关闭力等布置要素进行分析排查。

2.2.1 尾门开启位置人机工程分析

（1）整改前，气弹簧设计输入参数如表1所示，原方案气弹簧布置状态的气弹簧F1值为690N，尾门重量为35.5Kg。

表1 整改前的气弹簧设计参数输入表

通过表1的坐标信息，对整车状态下的尾门开启位置进行距离转换，得到该车尾门开启点离地高度A达到1140mm（见图3）。由于开启点位置较高，不但会导致气弹簧布置中尾门开启力臂较短，开启力变大，同时也会导致比较严重的人机工程问题。该车尾门开启点高度超过50%男性和95%的女性假人肘关节高度B（见表2），同样开启力条件下会感觉用不上力，人机匹配较差。

图3 尾门开启示意图

表2 整改前的气弹簧设计参数输入表

2.2.2 尾门气弹簧布置匹配分析

（1）常温 20℃条件下，尾门最大开启力的推荐值需要满足F开≤70N，通过表3分析可知，尾门气弹簧在常温20℃条件下开启力为 71.4N，尾门开启力偏大，导致尾门开启主观感受较重；

（2）常温20℃条件下，尾门开启平衡点角度为18°，开启高度约980mm，低温-30℃条件下，平衡点角度增加到40°，平衡点更高，而且最大开启力会增加到 86.7N，人机匹配较差，尤其会导致低温状态尾门开启过程较长，开启感受较重的问题。

表3 整改前的气弹簧布置分析报告表

理论分析后，进行实车分析确认。在不同温度状态下，对尾门开启高度、最大开启力、最大关闭力、平衡角度（或平衡高度）等布置要素进行实车测量，最终测量结果与气弹簧布置理论分析报告的结果比较吻合，理论分析结果与实际现状的表现一致。

因此，综合以上分析可知，可以确认导致该车开启感受较重问题的原因按照主次顺序可归结为三点：1）尾门开启位置较高，2）尾门最大开启力较大，3）尾门平衡点位置较高。

2.3 整改方案与实施

通过对该车问题三大原因的确认，根据车辆实际情况及气弹簧布置特性，分析并制定相应整改措施。

2.3.1 对尾门开启位置较高的分析整改

尾门开启位置一般由早期造型决定，实车阶段要将尾门开启位置下调，一般只能通过增加尾门下把手的形式，具体可见图 4。通过该方案制作手工样件验证，尾门开启位置降到了约 890mm，不但使尾门开启的人机感受得到大大优化，而且通过力矩换算，还使尾门最大开启力降低了10N左右。但是，该方案的缺点是对造型影响较大，设变量大，整改周期长，费用高。

图4 尾门开启位置对比示意图

2.3.2 对尾门最大开启力较大及平衡点较高的分析整改

实车阶段对尾门开启力较大整改的最简单方法是先适当增加气弹簧F1力值。当把气弹簧F1力值从690N调整到720N时，常温条件下尾门最大开启力仅优化了5N左右，尾门最大开启力并没有得到有效改善，而且该方法还导致了常温及高温状态下尾门最大关闭力明显增加，不能满足使用要求，所以该方法不可取。

图5 气弹簧上支架布置位置示意图

图6 气弹簧上支架球心 点优化前后对比图

表4 整改后的气弹簧布置分析报告表

因此，改善尾门最大开启力的问题只能通过优化气弹簧布置点的方法，通过重新选点布置，在使尾门最大关闭力不明显增加的前提下，尽量优化开启力和平衡点位置。最终该方案通过新开发气弹簧上支架来优化气弹簧上球心点位置，同时气弹簧长度配合更改，缩短约6.5mm（详见图5，图6）。优化后的气弹簧布置报告如表 4，常温条件下最大开启力优化到52.2N，平衡点角度优化到11°，同时高温与低温状态的开启力与平衡点都得到明显改善。该方案设变量相对较小，设变周期短，费用较低，比较容易实现。

2.3.3 方案实施与验证

综合以上方案分析，最终采取了通过新开发气弹簧上支架的方案来实施整改。同时制作气弹簧新支架的手工样件进行实车验证，最终测得常温状态下，尾门最大开启力约48N，平衡点约10°（离地高度860mm），使尾门开启感受较重的问题得到较大改善。

另外增加尾门下把手的方案虽然优化效果显著，也是造成该车尾门开启较重的主因之一，但是由于对造型影响较大、设变量大、费用高的缘故，该车并未实施，而是将其作为了后备方案，在换代车型上实施。

3 总结

尾门气弹簧的匹配要想取得理想的效果，设计之初首先要确认好尾门的开启和关闭位置是否合理，否则实车阶段很难整改。同时要反复确认气弹簧布置报告中不同温度状态下的尾门最大开启力、关闭力、平衡点等关键要素是否合理，要保证各个要素的平衡统一才能使尾门系统有良好的开关舒适性和方便性。因此经过笔者多个车型的经验总结，在气弹簧布置设计时一定要注意以下几点：

（1）当尾门重量G≥30Kg时，要求尾门开启点高度680mm≤H≤900mm，推荐700mm～850mm；

（2）当尾门重量G＜30Kg时，要求尾门开启点高度680mm≤H≤1050mm，推荐700mm～900mm；

（3）当尾门开启点高度H≥1000mm时，要求尾门最大开启力F≤50N，如尾门开启点高度不满足以上要求，可考虑增加尾门下开启把手（常温20℃状态）。

（4）当尾门重量G≥30kg时，要求尾门最大开启力F≤70N，关闭力F≤85N（常温20℃状态）；

（5）当尾门重量G＜30Kg时，要求尾门最大开启力F≤60N，关闭力F≤75N （常温20℃状态）；

（6）当尾门重量G≥30kg时，要求尾门最大关闭力F≤100N，当尾门重量G＜30kg时，要求尾门最大关闭力F≤90N（高温50℃状态）；

（7）当低温-30℃状态时，要求尾门最大关闭力F≥20N；

（8）平衡点位置一般小于总开度的 1/4,同时需要尽量满足平衡点离地高度H≤900mm。

参考文献

[1] QC/T 207.汽车用普通气弹簧.

[2] 杨邦安,丁盛,周利民. 汽车实用技术[J], 2016（7）.118～120.