行李箱盖开启系统研究

李玉虎

行李箱盖开启系统研究

李玉虎

（上汽大众汽车有限公司 样板中心，上海 201805）

文章针对某个车型行李箱盖在常温条件下开启非常缓慢或者开启不了的问题，通过对行李箱盖开启系统进行力学分析，基于Excel的行李箱盖的拉力弹簧和气弹簧的开发小程序，来构建手上作用力与行李箱盖开启角度的关系，找到影响行李箱盖开启缓慢的主要因素为拉力弹簧力值以及弹簧力值的公差，拉力弹簧力值的衰减，行李箱盖弯管铰链称套的摩擦力矩和行李箱盖重量及重心，为后续三厢车型项目在前期的行李箱盖设计开发中提供参考以及解决方法。

行李箱盖；开启系统；力学分析

前言

近年来，汽车行李箱盖采用了舒适性的开启方式，其优点是通过车钥匙或者开关使汽车行李箱盖实现自动开启。汽车行李箱盖开启系统是行李箱盖能否顺利开启关闭的重要系统。开启系统的设计以及合理的布置直接影响用户在使用过程中的舒适性以及安全性[1]。目前汽车行李箱盖开启系统的形式有弯管铰链与拉力弹簧、气弹簧的组合，弯管铰链与气弹簧的组合，弯管铰链与拉力弹簧的组合，弯管铰链与扭杆弹簧的组合以及四连杆铰链与气弹簧的组合[2]。其中四连杆铰链与气弹簧的组合，由于四连杆铰链经常被布置在后盖总成与落水槽之间的湿区，故当四连杆铰链的转轴生锈时，开启关闭后盖非常困难，给消费者带来极大的不便。本文提到的开启系统是弯管铰链与拉力弹簧、气弹簧的组合，研究的问题是针对某个车型的行李箱盖在开启过程中行李箱盖开启非常缓慢或者开启不了，造成用户抱怨。

1 行李箱盖开启系统受力分析

1.1 开启系统工作原理

本文介绍的行李箱盖开启系统主要包含如下几个零部件：左右一侧各一个弯管铰链和各一根拉力弹簧，以及左侧一根气弹簧，来保证开启关闭的舒适性。开启系统详细的布置结构图如下图1所示：

图1 行李箱开启系统

当行李箱盖处于关闭位置时，拉力弹簧为最大伸长状态，气弹簧为最短的压缩状态，当用户使用钥匙或者开关解锁行李箱盖时，在拉力弹簧和气弹簧的作用下行李箱盖自动开启，该开启过程中气弹簧提供推力同时一定的阻尼来保证开启关闭的舒适与平稳[3]。

用户在开关行李箱盖时，手上的作用力是用来克服行李箱盖受到的各种力矩之和，包括行李箱盖的重力矩，拉力弹簧的力矩，气弹簧的力矩和铰链称套的摩擦力矩。如图2所示。假设行李箱盖开启关闭为匀速运动，可以认为在各个瞬时状态系统力矩平衡。

图2 作用力和作用力力臂示意图

开启状态：

F xL+F xL−F xL−f=GxL（1）

关闭状态：

F xL+F xL−F xL+f=GxL（2）

其中，F、L为拉力弹簧的拉力和拉力的力臂；F、L为气弹簧的推力和推力的力臂；F、L为手上的作用力和作用力的力臂；为铰链称套的摩擦力矩；和L为行李箱盖的重力和重力的力臂。

1.2 手的作用力——力臂

由于是弯管铰链，铰链轴不像四连杆铰链是多轴的，而是单轴的，手上作用力一直垂直于手上作用点和铰链轴的连线，故手上作用力力臂在行李箱盖开启关闭过程中保持恒定不变的。故可以通过铰链轴的坐标值和手上作用点的坐标值来获得手上作用力的力臂：

其中，、为手上作用点的坐标值；、为铰链轴的坐标值。

1.3 重力的力臂

行李箱盖重力力臂是随着行李箱盖开启角度变化而变化的，如图3所示。行李箱盖在开启关闭过程中，铰链轴线与重心的距离保持不变。

图3 重力力臂

图中为行李箱开启角度，为行李箱关闭位置与地平线的夹角。

因此某个时刻的重力臂为：

1.4 拉力弹簧的力臂

拉力弹簧的力臂如下图4所示：

图4 拉力弹簧力臂

图中为行李箱的开启角度，为行李箱处于关闭位置时，铰链轴与拉簧车身侧挂点连线与铰链轴与拉簧铰链侧挂点连线的夹角，为铰链轴到拉簧车身侧挂点的距离，为铰链轴到拉簧铰链侧挂点距离。故在某个时刻，力弹簧长度，根据余弦定理可以得出：

某个时刻拉力弹簧的力臂为：L=sin=sin

同理，cos可以根据余弦定理在三角形'中求解出。

此时，拉力弹簧的拉力为F=（'0），其中是拉力弹簧的刚度系数，0为拉力弹簧的供应商供货状态，也就是拉力弹簧的自由状态。其中：

1.5 气弹簧的力臂

气弹簧的力臂如下图5所示：

图5 气弹簧力臂

图中为行李箱的开启角度，为行李箱处于关闭位置时，铰链轴与气弹簧车身侧挂点连线与铰链轴与气弹簧铰链侧挂点连线的夹角，为铰链轴到气弹簧车身侧挂点的距离；为铰链轴到气弹簧铰链侧挂点距离；为行李箱处于关闭位置时，气弹簧处于被压缩状态时的长度。故在某个时刻气弹簧的长度，根据余弦定理：

某个时刻气弹簧作用力的力臂：

L='sin=sin

由三角形的一个外角等于和它不相邻的两个内角之和，可以得出：=++。

为铰链轴与气弹簧车身侧挂点连，与某个时刻气弹簧车身侧挂点与气弹簧铰链侧挂点连线的叫夹角。由余弦定理可以得出：

2 行李箱开启的主要影响因素

基于上面章节对行李箱盖开启系统力学分析，从而构建手上作用力与行李箱盖开启角度的关系如下图6所示。

图6 开启关闭Excel表格

为了计算行李箱盖开启力（手上作用力），判断行李箱盖开启功能是否成功。开启系统Excel表格中需要输入如下参数：行李箱盖的重心（,）；行李箱盖的重量（包含弯管铰链的动臂）Gew, klappe；铰链的旋转轴心（,）；开启行李箱盖时行李箱盖的手上力的作用点（,）；拉力弹簧车身侧挂点（,）和拉力弹簧铰链侧挂点（,）；气弹簧车身侧挂点（,）和气弹簧铰链侧挂点（,）以及铰链称套的摩擦力矩。从上面输入的参数中，可以看出行李箱盖的重量重心，拉力弹簧力值，铰链称套的摩擦力矩和气弹簧力值直接影响行李箱盖的开启。

2.1 行李箱盖重量重心

其中行李箱盖的重量和重心可以由以下公式计算得到：

11+22+33+⋯+Mx=M

11+22+33+⋯+M y=M Dy

11+22+33+⋯+M z=M Dz

其中1，2，3，…M为行李箱盖上各部件的重量，1，2，3，x为各部件重心坐标值，1，23…y为各部件重心坐标值，1，2，3…z为各部件重心坐标值，M为行李箱盖重量（包含弯管铰链的动臂），为行李箱盖重心的坐标值，为行李箱盖重心的坐标值，为行李箱盖重心的坐标值，根据上面的公式按照图纸统计各个零部件的重量重心由下面的表1计算可以得出行李箱盖重心。

表1 行李箱盖重心计算表格

xyzGewicht/kg Innenteil3 609.640.13646.293.4912 604.850.442 256.84 Aussenteil Oben3 615.830.04748.353.8413 895.620.152 875.90 Aussenteil Unten3 772.790.11511.791.786 711.790.19910.47 ZSB.Schlossverstaerkung3 770.115.66456.320.461 722.942.59208.54 ZSB Scharnier verstaerkung3 532.04−514.64732.980.531 882.58−274.30390.68 ZSB Scharnier verstaerkung3 532.04514.64732.980.531 882.58274.30390.68 Eckverstaerkung3 701.40−171.82656.200.301 106.72−51.37196.20 Eckverstaerkung3 701.40171.82656.200.301 095.6250.86194.24 Scharnierbuegel.L3 226.63−546.61638.401.494 804.45−813.89950.57 Scharnierbuegel.R3 231.82545.71635.241.424 598.87776.55903.95 Emblem3 810.540.00695.860.03125.750.0022.96 Kennzeichnungleuchte,L3 788.92−111.85630.630.0257.97−1.719.65 Kennzeichnungleuchte,R3 788.61118.19630.590.0257.971.819.65 Grifftaster_Kamera3 774.819.84647.110.11430.331.1273.77 Puffer3 747.490.00415.900.03104.930.0011.65 Abdeckung3 787.41−2.20641.820.07272.69−0.1646.21 Schloss3 751.943.53415.820.521 932.251.82214.15 Zierleiste3 812.170.00389.420.10362.160.0036.99 Klein Verkleidung3 688.640.03575.730.983 607.490.02563.06 SBBR Links3 740.85−480.44600.930.712 656.00−341.11426.66 SBBR Rechts3 740.85480.44600.930.632 349.25301.72377.39 Leitung(Links，rechts)3 410.49−83.29671.830.431 466.51−35.81288.89 ZSB HKL3 589.01−6.01638.817.8

从上面的表格可以得知，如果绕着铰链轴线旋转的行李箱盖重量在前期设计没有准确地考虑，会导致行李箱盖的重量重心不准确，从而导致拉力弹簧力值和气弹簧力值设计的不准，最后导致后盖开启失效。经常容易疏忽的弯管铰链动臂重量2.91 kg如下图7所示没有考虑，在行李箱盖关闭位置折算成手上作用力为2.6 N如表2所示，安装在行李箱盖上的牌照板重量折算到手上作用力也有3.44 N，如表3所示。

表2 行李箱盖关闭位置弯管铰链动臂折算成手上作用力

左右弯管铰链动臂手上作用力 力臂/mm53.76592.66 力/N2.9×9.8=28.5182.6

表3 行李箱盖关闭位置牌照板折算成手上作用力

牌照板手上作用力 力臂/mm600.172592.66 力/N0.347×9.8=3.43.44

图7 左右弯管铰链的动臂

表4 行李箱盖关闭位置理论重量重心折算成手上作用力

理论重量重心手上作用力 力臂/mm414.151592.66 力/N16.8×9.8=164.64115.1

表5 行李箱盖关闭位置实际重量重心折算成手上作用力

实际重量重心手上作用力 力臂/mm414.151592.66 力/N17.8×9.8=174.44121.9

图8 行李箱盖理论重量重力矩与实际重量重力矩对比图

理论的重量重心可以通过重量重心表格1计算得出，实际的重量重心可以通过称重和通过悬挂法得出，通过表4与表5的对比，实际重量重心与理论重量重心的差距在行李箱关闭位置会影响手上作用力有121.9−115.1=6.8 N的变化，在行李箱盖关闭位置理论与实际重力矩的差值为4 058 Nmm如图8所示，故重量重心输入的偏差直接影响行李箱盖的开启功能。

2.2 拉力弹簧

由于拉力弹簧力值供应过来存在波动范围，为了测试的方便，故实际测试行李箱盖开启时采用名义状态下的拉力弹簧力值2=380 N，1=120 N时，如图9所示，行李箱盖在整个开启过程中拉力弹簧力矩都是大于重力力矩，故行李箱盖能正常开启。但是拉簧比较容易受到高温影响，它的力值会衰减，如图10所示是对拉力弹簧测试的衰减值，故弹簧的衰减值会影响行李箱盖的开启，如图11所示当拉簧有热衰减的时候拉力弹簧的力矩不足以打开行李箱盖。

图9 行李箱盖拉力弹簧力矩与实际重力矩对比图

图10 拉力弹簧的热衰减

图11 拉力弹簧带热衰减力矩

表6 行李箱盖关闭位置拉力弹簧衰减15 N折算成手上作用力

一根拉力弹簧衰减15 N手上作用力 力臂/mm95.82592.66 力/N152.5

故控制好拉力弹簧的热衰减值是使行李箱盖开启的关键因素之一，如表6所示，拉力弹簧衰减15 N反映在行李箱盖上的手上作用力为2.5 N×2=5 N，因此在拉力弹簧生产工艺中保证弹簧的热衰减值尽量稳定尽量小，故在图纸中定义拉力弹簧在拉伸到2时，拉力弹簧在80摄氏度烘房中热存放16 h，以此来保证拉力弹簧力值的稳定。

拉力弹簧不仅受到热衰减值的影响，并且还受到拉力弹簧的制造公差的影响，根据国标GB/T 1239.1，弹簧力值制造公差为力值的4%左右[4]，本文弹簧图纸中拉力弹簧力值范围为380到13 N，为了抵消弹簧力值公差对行李箱盖开启产生影响，在车身上挂弹簧的支架上多开孔来补偿弹簧力值的衰减，如下图12所示，车身上孔位间距为14 mm，拉力弹簧的刚度系数为1.23，故两孔之间弹簧的力值为17 N。

图12 挂弹簧的车身结构图

2.3 铰链称套摩擦力矩

由于弯管铰链是在车身车间已经安装到白车身，然而检测开启关闭行李箱盖是在总装车间，因此需要考虑弯管铰链从车身车间经过油漆车间到达总装车间的铰链称套摩擦力矩的变化，如表7所示，对弯管铰链进行的实验，通过表7可知，经过油漆车间后铰链摩擦力矩变小，把弯管铰链转动的5个位置的力矩求解平均值为1 000 Nmm。如图13，单个弯管铰链从行李箱关闭位置转动到开启位置过程中操作力矩2 000 Nmm。这个弯管铰链的摩擦力矩值在行李箱盖开启过程中阻碍行李箱盖的开启，在行李箱盖关闭过程中，铰链摩擦力矩阻碍行李箱盖的关闭。左右铰链称套摩擦力矩折算到行李箱盖关闭位置手上作用力为2×1.7 N=3.4 N。

表7 铰链称套摩擦力矩变化

Messung车身车间总装车间 Kraft/NMoment/NmmKraft/NMoment/Nmm 004.751 9002.25900 2505.762 3002.751 100 5005.052 0102.501 000 7505.172 0602.13850 10005.582 2202.8751 150

图13 铰链摩擦力矩

表8 行李箱盖关闭位置铰链摩擦力矩折算成手上作用力

单个铰链摩擦力矩1 000 Nmm手上作用力 力臂/mm 592.66 力/N 1.7

2.4 气弹簧

为了测试问题行李箱盖的开启力属性，挑选一组名义值下的气弹簧1=110 N，2=130 N，根据手上作用力和行李箱盖开启角度关系，做出拉力弹簧力矩，重力矩和气弹簧力矩，如图14，得知气弹簧提供给行李箱盖的力矩比较稳定，保证行李箱盖开启过程的平缓，图15是气弹簧开启过程和关闭过程的力值变化曲线[5-7]，但是气弹簧受温度的影响，气弹簧的工作温度为−30 ℃到+60 ℃，温度每变化10 ℃，力值变化3.3%，图16是行李箱盖在开启过程中气弹簧在−30 ℃、室温、+60 ℃高温下的力矩曲线。如表9所示是行李箱盖关闭位置气弹簧力公差15 N折算成手上作用力为1.1 N。

图14 重力矩，拉力弹簧力矩和气弹簧力矩

图15 气弹簧力值曲线

图16 气弹簧力矩

表9 行李箱盖关闭位置气弹簧力公差15 N折算成手上作用力

气弹簧公差15 N手上作用力 力臂/mm45.03592.66 力/N151.1

3 总结

通过上文得到的行李箱盖重力矩，拉力弹簧力矩，铰链摩擦力矩和气弹簧力矩最终可以得出行李箱盖开启力的曲线，如图17所示是在室温下，拉力弹簧热损失之后，拉力弹簧力值上下偏差状态下，行李箱盖的开启力，图表显示在拉力弹簧力值在下偏差的时候，行李箱盖自动开启不了，用户可以考虑将拉力弹簧挂到车身支架的第三孔，两孔之间的拉力弹簧力值差足以抵消拉力弹簧的下偏差力值，可以解决这个问题。图18所示是拉力弹簧在热损失之前，拉力弹簧力值上下偏差状态下，行李箱盖的开启力，图表显示行李箱盖开启力都在零线以上，表示行李箱盖可以自动开启。

图17 热损失后，拉力弹簧上下偏差开启力曲线

图18 热损失之前，拉力弹簧上下偏差开启力曲线

图19 气弹簧在不同温度下开启力曲线

如图19所示，拉力弹簧在热衰减之后，气弹簧在不同的温度下行李箱盖的开启力曲线，图表显示行李箱盖的开启力都在零线以上，行李箱盖可以自动开启，并且开启力的最大值没有超过30 N，也说明整个开启过程或者关闭过程比较舒适，不费力。

根据手上作用力与行李箱盖开启角度的关系并结合上文的分析，影响行李箱盖开启的因素如下：

（1）前期开发部门设计之初预估的行李箱盖重量过轻，设计的拉力弹簧和气弹簧的力值可能过小，导致行李箱盖开启不了，理论重量与实际重量相差1 kg时，折算到行李箱盖的开启力相差6.8 N。由于力臂比较长，347 g牌照板重量相当于行李箱盖处于关闭位置的开启力为3.4 N。

（2）由于拉力弹簧易受到高温影响，一根拉力弹簧热衰减15 N时，相当于行李箱盖处于关闭位置的开启力为5 N。拉力弹簧由于受到制造公差的影响，当处于下公差时容易导致行李箱盖开启不了。

（3）左右铰链称套会产生2 000 Nmm的力矩，这个力矩折算到行李箱盖上的开启力为3.4 N。

（4）−30 ℃到+60 ℃工作范围内，气弹簧在整个行李箱盖的开启过程中贡献5 000 Nmm到10 000 Nmm的力矩，气弹簧力值公差15 N折算到行李箱盖关闭位置手上作用力为1.1 N。

本文通过对弯管铰链开启系统的受力分析，分析了重力重心的偏差，拉力弹簧热衰减及上下公差值，铰链摩擦力矩和不同温度下气弹簧的力值对行李箱盖的开启影响，为以后的后续三厢车项目提供参考以及解决方法。

[1] 周利民,班正逸,刘少峰.后背门气弹簧设计探析[J].汽车实用技术,2013(11):70-75.

[2] 陈卓.行李箱盖带阻尼自动开启系统的设计[J].上海汽车,2010 (06):12-13.

[3] 王天利,李明杰,孙晓帮,等.车用气弹簧力学性能仿真研究[J].农业装备与车辆工程,2009(02):3-5+20.

[4] 全国弹簧标准化技术委员会.冷卷圆柱螺旋弹簧技术条件第1部分:拉伸弹簧:[S].GB/T 1239.1—2009.北京:中国国家标准化管理委员会,2009.

[5] 全国汽车标准化技术委员会.汽车用普通气弹簧:QC/T 207- 1996[S].北京:机械工业部汽车工业司,1996.

[6] 全国弹簧标委会.气弹簧设计计算:JB/T 10418-2004[S].北京:中华人民共和国国家发展和改革委员会2004.

[7] 刘影.轿车用引擎盖气弹簧的结构及力学分析[J].潍坊学院学报,2006(04):56-59.

Research for Trunk Lid Opening System

LI Yuhu

（Pilot Hall Center, SAIC-Volkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805）

In order to solve sedan trunk lid opening slowly problem at room temperature.Through the mechanical analysis of the trunk cover opening system, based on Excel Programm, build the relationship between the hand force and the trunk lid opening angle, find the main factors affecting the slow spring force value and the tolerance of the spring force, the attenuation of the spring force value, the friction moment of the hinge cover and the rear cover weight and center of gravity, to provide reference for the subsequent three-box car project and solutions.

Trunk lid; Opening system; Mechanical analysis

U463.85+9

B

1671-7988(2021)24-57-07

U463.85+9

B

1671-7988(2021)24-57-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.013

李玉虎，就职于上汽大众汽车有限公司样板中心。