汽车下翻尾门的性能提升

库才旗

上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007

0 引言

目前汽车尾门有掀背门、侧开门、对开门及上掀下翻门等开启形式，其中对开门及上掀下翻门均是将尾门分成两部分，减少了尾门开启后的长度或高度，有利于提升货物取放便利性及尾门使用安全性。上掀下翻门的上掀部分与传统掀背门结构形式类似，下翻部分在打开后可以增加尾门额外的承重功能，如翻转后休憩及做置物台用等。市面上BMW X5、SMART两座、PSA 3008及Mini cooper等车型都设有下翻尾门，且具有承重功能，可承重为80～200 kg。

下翻开启的汽车尾门有两种结构类型：一种是复合材料尾门，尾门内外板均为复合材料，钣金加强件通过紧固件安装或嵌入到尾门内板上，尾门内外板通过周圈及局部黏胶连接；另一种是钣金尾门，加强件与尾门内板焊接后，再与尾门外板周圈通过包边连接。

1 下翻尾门的关键问题

下翻尾门的关键问题是开启速度不受控且关闭力大。下翻尾门开启时绕铰链向后下旋转，受其自身重力作用，势能不断转化为动能，开启速度越来越快。尾门关闭时，需要施加外力克服尾门重力，尾门越重，关闭力越大。下翻尾门的承载功能需要提高其整体强度,会导致尾门质量进一步增加,与提升下翻尾门操作舒适性相矛盾。

为解决上述问题，市场上有两种常见的技术路线,如图1所示。

图1 对标车下翻尾门

(1)以SMART为代表的采用复合材料尾门轻量化结构，钢丝绳柔性连接及限位方案，其尾门质量约6 kg，关闭力约53 N，可承重约100 kg。尾门开启过程中容易伤到用户，开启至末端时，受钢丝绳作用，尾门开启速度瞬间降到0，存在震颤现象。该方案通过轻量化技术解决了尾门关闭力大的问题，但存在成本高、技术难度大等问题，同时未能解决尾门开启速度不受控的问题。

(2)以BMW X5为代表的采用钣金尾门结构，电撑杆系统连接及限位方案，其下翻尾门可承重约200 kg。该方案解决了下翻尾门开启速度不受控且关闭力大的问题，但电撑杆系统存在布置空间大、成本高、开发周期长等问题。

宝骏新能源某款车型开发的下翻尾门，开辟了另一种低成本、高可靠性、短周期的技术路线，解决了下翻尾门的关键问题。

2 基于TRIZ的下翻尾门关键问题优化

2.1 问题描述及优化目标

为满足差异化的用户使用场景，结合前期市场调研结果，宝骏新能源某款车型尾门定义为下翻尾门，且满足100 kg的承重要求。下翻尾门采用钣金结构类型，为满足造型颜色需求，并基于成本及制造可行性分析，尾门外板外侧设计为包覆整个尾门的外装饰板，导致设计状态下的尾门关闭力约达99 N。由于受尾门造型尺寸及项目开发周期影响，无足够空间布置电动撑杆系统且开发周期无法满足项目要求，下翻尾门存在开启至末端的震颤及关闭费力问题。结合对标分析，将下翻尾门的优化目标定为开启至末端不出现震颤，即关闭力不大于60 N。

2.2 问题分析

2.2.1 系统分析

2.2.1.1 开门过程

对开门过程进行系统分析，发现了两个问题：①过度作用：开门时，受重力作用持续加速，末端动能过大；②不足作用：拉绳刚度不足。开门过程系统分析如图2所示。

图2 开门过程系统分析

2.2.1.2 关门过程

对关门过程进行系统分析，找出了一个不足作用，即用户施加关门力不足。关门过程系统分析如图3所示。

图3 关门过程系统分析

2.2.2 因果分析

2.2.2.1 开门过程

对开门过程进行因果分析，找出了关键问题1，即开门时末端动能大。开门过程因果分析如图4所示。

图4 开门过程因果分析

2.2.2.2 关门过程

对关门过程进行因果分析，找出关键问题2，即用户施加关门力不足。关门过程因果分析如图5所示。

图5 关门过程因果分析

文中结合因果分析提炼解决问题入手点为以下3个方面：①解决尾门质量过大；②解决尾门重力臂过大；③解决尾门关门力臂不足。

2.3 问题解决

表1 技术矛盾分析结果

对第三个入手点进行物理矛盾分析，结果见表2。

表2 物理矛盾分析结果

对重力过度及拉绳刚度不足进行物场模型分析,结果如图6所示。

图6 物场模型分析

综上分析可知，重力过度的概念方案为一种阻尼器、一种限位器、伸缩式拉绳及一种扭杆4个方案;拉绳刚度不足的概念方案为在车门与车身之间增加电磁铁。

2.4 方案评价及实施

各概念方案评价结果见表3。表中对每个方案进行成本、周期、可行性及风险4个维度的评价，最终选定方案7及方案10的组合方案进行下翻尾门关键问题的优化。

表3 各概念方案评价结果

3 扭杆机构及阻尼器在下翻尾门系统的运用

3.1 扭杆机构在下翻尾门系统的运用

3.1.1 扭杆与周边零件匹配结构设计

尾门铰链(车身侧)内侧安装面的翻边台阶用于扭杆固定，尾门铰链(尾门侧)的翻边与扭杆U形固定块固定在一起。扭杆尾门端为L形，通过螺栓固定在尾门铰链(尾门侧)端的U形固定块内；扭杆车身端设计为U形，固定在尾门铰链(车身侧)的翻边台阶及翻边上的孔内，在其运动包络区域进行结构避让，如图7所示。

图7 尾门扭杆及与尾门铰链匹配

3.1.2 扭杆材料选择、线径及工作角度设计

用于制造扭杆的材料有65Mn、60Si2Mn、55SiCr及55SiCrA等弹簧钢，基于车型量产取材、质量、使用寿命及成本因素，材料选定为中疲劳级55SiCr，其属性值见表4。

⑥⑪⑫㉑㉙㉜马 克 思: 《资 本 论 》第 1 卷，人 民 出 版 社 2004 年版，第 587、209、587、229、97、104 页。

表4 55SiCr属性值

尾门质量为19.5 kg，重心坐标=2 782.27，=0，=511.65，尾门简化模型如图8所示，尾门重心到铰链轴线的距离=270.9 mm，尾门重心与铰链轴线连线和水平线夹角=11.8°，尾门关闭位置到铰链轴线的距离=508.4 mm，尾门关闭位置与铰链轴线连线和水平线夹角=5.2°。其关系式为：

·=·

(1)

=·cos

(2)

图8 尾门简化模型

根据力平衡原理，运用式(1)和式(2)，代入相应数值，计算得出设计状态下尾门关闭力=98.7 N。引入扭杆机构以降低尾门关闭力达到优化目标的关闭力要求(不大于60 N)，故单根扭杆需提供约20 N的关闭助力。

尾门设计开启角度为89°，为确保尾门关闭时的安全性，在尾门关闭至0°时，扭杆应有适当的扭力保证尾门继续有关闭趋势，确保尾门不会突然回落。考虑扭杆制造误差等，扭杆的工作扭转角应大于尾门的最小开启角为8°左右。

根据材料力学，对圆形截面的扭杆有：

(3)

式中：为扭杆扭矩(N·mm);为扭杆直径(mm);为扭杆有效长度(mm)，=510.5 mm;为材料剪切模量(Pa);为扭杆工作角度(°)，取97°。

由式(3)计算出扭杆的线径并取整，扭杆数量为两根，取线径为5.5 mm。

3.1.3 扭杆CAE应力分析

运用Abaqus软件对扭杆进行应力分析，计算模型如图9所示，扭杆CAE应力图如图10所示。分析结果见表5，其分析工况为：车身侧固定支架约束自由度为1～6;尾门最大开启角度89°，即铰链侧固定头扭转角度=89°。

图9 尾门扭杆CAE分析模型

图10 扭杆CAE应力图

表5 扭杆CAE应力分析结果 单位:MPa

由表4中扭杆的属性值可知，55SiCr的屈服强度为1 300 MPa。CAE分析结果显示最大应力区域在扭杆2的车身侧U形端，应力约920 MPa，满足材料要求。

3.2 阻尼器在下翻尾门系统的运用

阻尼器为一个密闭缸筒和可以在钢筒内滑动的活塞及活塞杆组件组成的以油液将动能转化为内能的弹性元件，阻尼器的阻尼力由内部油液的流动阻力产生，活塞运动的速度决定阻尼力的大小。

阻尼器门端与尾门铰链(门侧)通过支架连接，阻尼器车身端与后地板横梁通过支架连接，阻尼器布置如图11所示。

图11 阻尼器布置

3.3 效果验证

经过实车装车验证，尾门关闭力由优化前的99 N降低至46 N，达到了前期设定的优化目标，且优于对标车SMART两座关闭力水平。在标定阻尼器参数后，尾门开启速度平稳且开启到末端时无震颤现象，所选方案解决了下翻尾门的关键问题。

4 结束语

文中阐述了下翻尾门系统开发中遇到的开启速度不受控且关闭力大等问题，运用TRIZ对其进行优化，引入了扭杆机构及阻尼器在下翻尾门系统上的应用，成功解决了下翻尾门的关键问题，大幅提升下翻尾门操作舒适性及安全性。