乘用车尾门气弹簧系统设计研究

2021-06-28周星栋张自强

汽车零部件 2021年6期

周星栋，张自强

(上汽大众汽车有限公司产品研发车身研发部，上海 201805)

0 引言

随着前沿技术的不断发展，人们对汽车安全与舒适性要求越来越高。尾门作为车身关键零部件之一，使用频率高，其操作舒适性对于整车性能评估至关重要。常见的尾门开闭方式有电动和手动两种，尾门结构类型又主要分为三厢车小尾门和两厢车大尾门。通常情况下，手动开闭大尾门的整体质量大多在30 kg左右[1]，而溜背式大尾门由于造型特征和丰富的尾灯功能常带来巨大的质量增加，这对气弹簧支撑系统的设计提出了更高的要求。如何保证尾门在极端低温有足够的支撑力，并且在常温和高温环境的操作力尽可能舒适是急需解决的问题。

针对某溜背造型尾门的质量太大、重力矩偏离铰链轴太远等实际设计问题，采用常规气弹簧设计已经难以满足尾门开闭的舒适性要求。为此，本文作者引入了温度补偿气弹簧(Temperature Compensation Valve，TCV)和复合式气弹簧，依据动力学平衡原理和不同形式气弹簧的结构特性，分别将其应用于尾门设计，并通过设计效果的对比分析，总结了不同形式气弹簧的使用范围。最后，还利用封闭式环境温度箱对尾门系统操作力进行不同温度下的实车测试，从而验证了相关结论的准确性。

1 理论基础

1.1 尾门动力学平衡原理

气弹簧支撑系统在乘用车尾门上的布置方式主要为翻转式[2]。无论尾门造型千变万化，其支撑系统的动力学简化模型都是相同的。张建国等[3]对尾门受力进行分析并建立力矩平衡方程如式(1)，当尾门打开或关闭到任意角度时，其重力、气弹簧支撑力、手臂操纵力对铰链轴的力矩之和为零。

∑Maxis=MG+Ms+Mhand=0

(1)

式中:MG、Ms、Mhand分别表示重力矩、气弹簧力矩、操作力矩。

假如促使尾门开启的力矩方向为正方向，则尾门开启力Fopen可以表示为：

(2)

式中:MG,1、Ms,1、Fs,1、Hs,1、Hhand,1分别表示尾门关闭状态的重力矩、气弹簧力矩、气弹簧力值、气弹簧力臂、操作力臂。

尾门关闭力Fclose表示为：

(3)

式中:MG,2、Ms,2、Fs,2、Hs,2、Hhand,2分别表示尾门完全开启状态的相关参数;下角1代表尾门完全关闭状态，下角2代表尾门完全开启状态。

由式(2)和式(3)可以看出，当尾门重力矩、铰链轴位置、开闭操作点确定以后，尾门操作力的设计变量只有气弹簧力值和力臂。两厢车尾门动力学简图如图1所示。

图1 两厢车尾门动力学简图

1.2 气弹簧的工作原理

文献[4]详细介绍了普通气弹簧的工作原理，如图2所示，在气弹簧密闭的腔体内注入高压惰性气体，活塞左右两侧连通。气弹簧输出力表示为：F=F1-F2=pS1-pS2，S1和S2表示活塞左右侧受压面积，p表示惰性气体的压力。随着中心顶杆受压力向外延伸，惰性气体总量不变而体积增大，气压p和输出力值也随之减小；反之，气压p和输出力值增大。图3描述了普通气弹簧力值特性曲线，从A到B为压缩行程，气弹簧力值逐渐增加，对应于尾门关闭过程；从C到D为延伸行程，气弹簧力值逐渐减小，对应于尾门打开过程[5]。图中F1、F2、F3、F4分别为靠近延伸和压缩行程顶端的4个力值，常用于气弹簧的标定。定义k=F4/F1为气弹簧的力值比，其大小主要取决于延伸前后气弹簧腔体体积的变化量，与气弹簧内部空间尺寸相关。方向相反的摩擦力导致了延伸和压缩行程之间的力值差。另外，气弹簧内部压力受理想气体状态方程的约束，不同温度下气弹簧输出的力值差别较大。为了简化计算，忽略了弹簧摩擦力。

图2 普通气弹簧工作原理

图3 气弹簧输出力曲线

1.3 气弹簧设计流程

确定了尾门的重力矩、开闭操作点，并根据空间布置初步选定挂点以后，接下来介绍气弹簧设计，其设计流程为：

(1)根据低温关闭力-30 ℃确定F3值

(4)

(2)计算常温和高温关闭力

(5)

(6)

(7)

(8)

(3)初步选定气弹簧输出力k值

由于气弹簧k值属于气弹簧的固有特性，与气弹簧内部空间尺寸相关，而气弹簧内部尺寸又主要取决于尾门开闭过程的顶杆行程和挂点间距大小。因此，当挂点位置和尾门最大开启角度选定后，k值也是基本确定的。

(4)计算开启力

(5)微调挂点优化开启力

因为气弹簧力值是根据关闭力初步选定的，初步算下来的开启力并不一定是最好的，这时候就需要调整挂点来提高或者降低开启力了。如图1所示，当车身侧挂点沿着Spring-2上下移动时，即可在不改变Hhand,2的情况下增加或减小Hhand,1，从而在不影响关闭力的情况下整体提升或降低开启力。另外，尾门上的挂点由于距离铰链轴远且调整空间有限，一般不用于挂点优化。

2 某溜背尾门支撑系统的设计问题

2.1 问题描述

文中尾门设计质量为40.4 kg，尾门在完全关闭和完全打开状态的重力矩为290.4 N·m和273.9 N·m。根据以往经验选取两根普通气弹簧按照翻转式布置形式对尾门操作力进行设计，按照设计流程可得最优操作力曲线如图4所示。

图4 普通气弹簧尾门操作力曲线

图中横轴表示尾门打开角度，纵轴表示手臂需要施加的操作力，开启过程曲线从左向右，关闭过程曲线从右向左。当操作力为负值说明在该角度不需要手臂施力即可自动开启或关闭，通常操作力为零的角度称为死点。

文中是以-30 ℃下20 N的保持力为基础开始设计的，这样可以保证即使在寒冷的北方，车子处于斜坡上，并考虑一定使用年限的气弹簧力值衰减，开启状态的尾门也不会自动关闭而砸到顾客，保证了安全性。但是20 ℃下关闭力达到了100 N，高温80 ℃甚至达到了188 N，这对于大部分顾客，尤其是女性顾客来说是毫无舒适性可言；80 ℃下开启力25 N，保证了即使在夏季阳光暴晒下，尾门也不会在解锁后自动弹开，但20 ℃下74 N和-30 ℃下118 N的开启力也不能满足人机工程学要求。常用于评价尾门开闭安全和舒适性的人机工程学指标如表1所示。

表1 尾门开闭人机工程学评价指标

从整个过程来分析图中曲线，尾门全部开启角度为54.5°，在-30 ℃顾客需要一直施力到尾门打开50°，假如顾客在50°之前不小心松手，尾门会在重力作用下加速下砸，这是很危险的。为此引入关闭能量和关闭速度来评估尾门自动关闭的危险性。

关闭能量是指尾门从死点自由下落到完全关闭重力势能向动能的转化量，其计算公式为：

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ΔEk=GΔh-ΔEp

式中：ΔEp表示气弹簧吸收的能量，通过图3中力值对压缩行程积分获得;Δh表示从死点到完全关闭位置尾门重心在竖直方向的下落高度。

关闭速度是指在即将落锁的最后时刻，尾门外边缘的转动线速度。根据动能定理，关闭速度可以表示为:

(9)

式中:R为尾门外边缘绕铰链轴旋转半径;r为重心绕铰链轴旋转半径。

可以看出，低温下的关闭速度将会是最苛刻的，将相关参数代入式(9)，得到设计的自由关闭速度为1.43 m/s，如果考虑顾客额外的关闭力加载，关闭能量远大于以往车型，对顾客使用安全性和尾门系统耐久性能都是极为不利的。

综上所述，设计的问题点在于常温、高温关闭力和常温、低温开启力都太高，低温关闭速度太大，不能满足家用轿车的舒适性要求。

2.2 问题分析

前一章节总结问题是由于普通气弹簧的原理局限性所决定的。普通气弹簧腔体内惰性气体压力受理想气体状态方程pV=nRT约束，其不同温度下的输出力与温度正相关。当尾门需要气弹簧支撑系统满足低温-30 ℃下26 N保持力(包含制造公差影响6 N)的安全性要求后，其常温和高温环境下的关闭力也就基本确定了。如图5所示，完全打开状态尾门的重力矩为MG,2，其低温下平衡方程可以描述为：

图5 尾门完全打开时受力分析图

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

同理对开启力进行分析，如图6所示，当高温开启力为25 N时(包含制造公差影响5 N)，得到平衡方程如式(15)，代入理想气体状态方程，常温和低温开启力为式(16)、(17)，其结论与关闭力类似，选用普通气弹簧方案的常低温开启力只与重力矩相关，在保证20 N高温开启力的前提下，重力矩越大，常温和低温开启力也越大。

图6 尾门完全关闭时受力分析图

(15)

(16)

(17)

根据所列公式可以得到，当选用普通气弹簧时，尾门开启力或者关闭力在不同温度下的离散程度，只和尾门重力矩、操作力矩相关，与气弹簧力值和挂点无关。另外，进一步对比式(10)、(13)、(14)和式(15)、(16)、(17)可以发现，开启力的离散程度要小于关闭力的离散程度，与图5所示设计效果一致。

3 解决措施

3.1 TCV气弹簧

如图7所示，TCV气弹簧比普通气弹簧增加了一个温度补偿阀，其目的是让气弹簧在高温和低温环境中有两个不同的k值。低温时补偿阀打开，惰性气体可以在控制阀两侧自由移动，顶杆向外延伸过程中惰性气体压力变化较小，弹簧表现出较小的k值，在延伸位置具有相对较大的输出力；常温和高温时，补偿阀关闭，惰性气体只能从阀左侧向右侧移动，顶杆向外延伸过程中惰性气体压力变化较大，弹簧表现出较大的k值，顶杆在延伸位置具有相对较小的输出力。从平衡高、低温关闭力的角度，低温k值与常温k值之比越小越好，但受TCV气弹簧内部结构，一般最小可以做到0.9。补偿阀开闭的临界温度为2 ℃左右，但任意温度下补偿阀左侧气体均可以向右侧移动，因而在压缩位置气弹簧的输出力不受控制阀影响，其特性和普通气弹簧是相同的。

图7 TCV气弹簧

图8为选用TCV气弹簧方案的操作力曲线。由图可知，低温时补偿阀打开，k值较小，气弹簧在延伸位置输出力较大，有利于保证20 N的低温保持力；常温和高温时补偿阀关闭，k值较大，气弹簧在延伸位置输出力较小，有利于降低关闭力。因此，TCV气弹簧可以很好兼顾尾门关闭的低温安全性和高温舒适性。但是，由于压缩位置气弹簧的输出力不受补偿阀影响，所以选用TCV气弹簧方案的开启力特性与选用普通气弹簧基本相同。另外，低温死点优化不明显，TCV气弹簧方案还是不能完全满足安全和舒适性设计要求。

图8 选用TCV气弹簧尾门操作力曲线

3.2 复合式气弹簧

复合式气弹簧由机械弹簧和普通气弹簧并联布置而成，如图9所示。复合式气弹簧的输出力主要由机械弹簧提供，气弹簧辅助起到调整开闭速度的作用。复合式气弹簧的优点在于力值输出受温度影响较小，很适合于重力矩大的尾门支撑系统设计，可以很好地兼顾高低温下操作力的安全和舒适性要求。其缺点是成本相对于TCV气弹簧和普通气弹簧较高，单件质量较大。图10为采用复合式气弹簧方案的操作力曲线，3个温度下开启力和关闭力的离散都很小，而且低温开启死点只有25°，关闭能量和关闭速度较小，计算值仅有0.66 m/s，完全满足设计要求。

图9 复合式气弹簧

图10 选用复合式气弹簧尾门操作力曲线

3.3 3种形式气弹簧研究

表2总结了3种支撑方案的理论设计状态，其中高温、低温操作力分别考虑了极限苛刻情况下弹簧的制造公差。相比于普通气弹簧，TCV气弹簧仅可以优化关闭力，复合式气弹簧可以同时优化关闭力和开启力。

表2 3种方案操作力对比

为了进一步研究3种形式气弹簧在尾门开闭中的应用潜力，考虑气弹簧生产公差的影响FT=6 N，当采用普通气弹簧并且要满足表1的舒适性评价指标，可以得到对尾门的前提条件如式(18)：

(18)

同理，当采用TCV气弹簧时，取低温k值与常温k值之比为0.9，满足舒适性评价指标的前提条件如式(19)：

(19)

复合式气弹簧因为主要受力部件为机械弹簧，可以适用于所有尾门，但成本相对于普通气弹簧和TCV气弹簧较高。综上所述，3种形式气弹簧的选用原则如图11所示。

图11 选用复合式气弹簧尾门操作力曲线

4 实车验证

为了验证TCV气弹簧方案和复合式气弹簧方案理论设计的可靠性，并进一步从主观层面评价两种方案的舒适性，在封闭式温度环境箱内对实车尾门进行了操作力测试，结果如表3所示。其中，系统误差影响来源主要包括实际尾门重力矩误差、弹簧力值误差、温度误差等。由于测试条件影响，高温80 ℃开启力无法测量，而高温关闭力设计和实测误差偏差较大，可能原因是环境温度达到80 ℃而气弹簧内惰性气体温度尚未达到80 ℃。常温和低温操作力实测值与设计值基本一致，低温开启力太大，死点太高。实测低温关闭速度为1.47 m/s，与计算值1.43 m/s比较接近。通过现场用户调研结果来看，TCV气弹簧在低温下的开启力和关闭速度是无法接受的。