大型MPV車尾門系統設計的研究

唐淳，李文璽

（安徽江淮汽車技術中心，安徽 合肥 230601）

大型MPV車尾門系統設計的研究

唐淳，李文璽

（安徽江淮汽車技術中心，安徽 合肥 230601）

某大型 MPV車在試制試驗過程中出現尾門下沉、氣撐桿球頭脫落等問題，本文針對這些問題進行調研、實物測量及原因分析，并做出了優化措施，經過實車可靠性驗證，有效地解決了問題。最后總結了大型MPV車尾門系統結構設計要點，對后續車型設計有較好的指導意義。

尾門下沉；氣撐桿；結構設計

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

引言

尾門系統是汽車車身結構中相對獨立的總成，是供乘員和貨物出入的必要通道。尾門總成系統由尾門鈑金焊接總成和尾門附件（ 開啟機構、鎖、密封條、限位機構等）總成組成。尾門系統的設計直接影響到整車的造型效果、密封性、視野及噪聲控制等諸方面。尾門結構設計與附件結構及布置需要考慮的因素也較多，既要保證尾門與整車的協調一致，還要保證尾門本身的功能要求。

本文主要針對某一大型 MPV車在尾門結構設計中出現的問題，通過結構設計優化和反復試制試驗，最終設計出了滿足要求的尾門系統結構，總結了尾門結構設計要點，并形成了大型 MPV類車型尾門系統結構的設計指南，為后續車型的設計提供指導。

1、尾門系統結構初始設計

尾門系統由尾門鈑金和附件組成，附件包括開啟機構、鎖、密封條、限位機構等，尾門鈑金是整個附件系統的載體，鈑金既要滿足整個尾門強度和剛度的要求，又要滿足重量目標的要求，還要滿足附件的安裝要求、工藝要求和美觀性要求，所以鈑金結構的設計優劣起著關鍵的作用。

1.1 尾門鈑金結構設計

尾門鈑金總成組成如圖1所示，主要由尾門內 外板、鉸鏈加強板、鎖加強板、氣撐桿加強板、雨刮安裝支架、尾翼安裝支架等組成。

通過此結構可以看出，尾門鉸鏈加強板和尾門氣撐桿都是單獨加強安裝在其上的鉸鏈和氣撐桿，尾門上框并未全部被加強，未考慮尾門上框整體受力。

尾門鈑金總成各個部件的材料及料厚選擇如表1所示。

表1 材料及料厚

通過此表可以看出尾門鈑金總成各個零部件的材料全部選擇價格便宜的普通鋼板，普通鋼板的屈服強度為 120MPa＜σs≤180MPa，未采用高強板材料，高強度鋼板的屈服強度為260MPa＜σs≤340MPa，未考慮尾門受力較大的局部的強度。

1.2 尾門氣撐桿的結構和布置

尾門氣撐桿又稱氣彈簧，在尾門開閉時起著助力且維持舉力不變的作用，又起著限位的作用。在尾門開閉過程中，通過密閉空腔內液氣混合體的相互轉化提供助力作用，同時保證舉力不變，使得背門停在某一位置。當尾門開到最大位置時，為了防止尾門外板與頂蓋發生干涉，同時限制尾門的最大開啟角度，使得尾門開啟到最大位置時停在原地，不自動關閉，此時氣撐桿起著限位的作用。尾門氣撐桿的結構和布置設計得合理才能保證它所承擔的作用。

1.2.1 尾門氣撐桿的結構

氣撐桿的結構有普通式和阻尼式，普通氣撐桿，其撐桿彈力隨著彈簧的運動有著非常大的變化，而阻尼氣撐桿在整個運動行程中力值變化相對較小，因此目前在各行各業中得到廣泛使用。阻尼式氣撐桿又分為固定阻尼式和變阻尼式。固定阻尼式采取在氣彈簧中注入少量液壓油，并在活塞上設置固定阻尼孔。變阻尼式由在缸筒內壁加工的阻尼槽替代阻尼孔，根據工作情況需要，沿氣彈簧伸展方向，該溝槽的橫截面面積逐漸減小，形成阻尼效果的逐漸增加。該車型采用價格便宜的固定阻尼式氣撐桿。氣撐桿的結構和特性曲線如圖2所示。

氣撐桿的球套的結構有三種形式，內卡簧絲式金屬球套、外卡簧絲式金屬球套和外卡簧片式塑料球套。該車型采用價格便宜的內卡簧絲式金屬球套。各種球套類型及優缺點如表2所示。

表2 各種球套型式及優缺點

1.2.2 尾門氣撐桿的布置

尾門氣撐桿在汽車布置中一般分為挺舉式布置和翻轉式布置兩種型式，其中挺舉式布置為氣撐桿上安裝點位于車門側，下安裝點位于側圍側，車門開啟過程中撐桿缸筒始終位于上端，氣撐桿對車門產生壓縮的力，而翻轉式布置為氣撐桿上安裝點位于側圍側，下安裝點位于車門側，氣撐桿對車門產生拉伸的力。由于挺舉式布置對空間要求較大，基于造型和布置空間限制，該車型氣撐桿采用翻轉式布置型式。

在設計極限狀態下，氣撐桿球頭與氣撐桿軸線之間允許偏角為7.5°，如圖3所示。即允許夾角為82.5°至97.5°之間，車門側球頭與撐桿軸線夾角為84°至97.2°之間，單邊余量分別只有1.5°和0.3°，而側圍側球頭與撐桿軸線夾角為90.1°和95°，單邊余量分別為7.6°和2.5°。

1.3 尾門和周邊件的分縫面差設計

1．尾翼和側圍分縫：5，面差：0

2．尾門和保險杠下分縫：6

2、此種結構和布置產生的問題及原因分析

上述結構和布置是初始不合理的設計，樣車經過試制后，通過幾輪試制試驗驗證，出現了一系列質量問題。現對這些質量問題進行詳細的描述，針對這些問題進行了實物測量，原因分析，標桿車對比等方式方法，去尋找解決問題的思路和措施。

2.1 問題描述

1．尾門總成在安裝氣撐桿后，尾門和保險桿之間的間隙小于設計狀態6mm，甚至出現尾門和保險杠干涉的現象；為保證尾門和保險杠之間的間隙符合設計狀態，將鉸鏈處增加墊片，尾門總體抬高，但是從側面看，造成了尾翼高于側圍的外觀缺陷；

2．頻繁出現尾門氣撐桿球頭脫落的嚴重故障，易造成生產一線員工及用戶受傷的嚴重安全事故，必須進行整改,問題如圖5所示。

2.2 原因分析

2.2.1 尾門和保險桿干涉的原因分析

尾門在安裝氣撐桿前，僅受自身的重力（G=400N）作用，無變形；尾門安裝氣撐桿后，由于氣撐桿為翻轉式布置，還要受到氣撐桿安裝方向的力（F=1700N）的作用，兩個力累加作用在尾門上，作用力很大，加上尾門上框處的剛度較弱，則尾門就會產生變形，導致尾門被拉長3mm，造成尾門和保險杠之間的間隙變小，由于累積誤差，甚至會出現干涉的現象。經過多輪的打點檢測，找出了變形發生的位置，位于尾門上框處。由此可見尾門上框剛度較弱及尾門和保險杠之間的分縫設計過小是造成尾門和保險桿干涉的主要原因。圖 6為打點檢測的數據，圖7為尾門受力示意圖。

2.2.2 氣撐桿球頭脫落原因分析

1）球頭安裝方向設計不合理：車門側球頭與氣撐桿軸線夾角最小處為84°，最大處為97.2°，單邊偏角分別為6°和7.2°（理想狀態下球頭與氣撐桿軸線應為90°）；側圍側球頭與氣撐桿軸線夾角最小處為90.1°和95°，單邊偏角為0.1°和5°。如圖8所示為球頭隨車門開啟變化曲線圖8。

2）球頭最大允許轉動偏角設計過小：在設計極限狀態下，氣撐桿球頭與氣撐桿軸線之間允許偏角為7.5°，即允許夾角為81.5°至97.5°之間，而車門側球頭與撐桿軸線夾角為84 °至97.2°之間，單邊余量分別只有2.5°和0.3°，而側圍側球頭與撐桿軸線夾角為 90.1°，單邊余量分別為 7.4°和2.5°；由于安裝精度和氣撐桿本身制造精度誤差累積，單邊余量較小的部位極易發生球頭頸部與球套干涉，干涉后球頭會逐漸磨損，直至造成球頭脫落。

3）球套類型選擇不合理：目前該車型采用內卡簧絲式金屬球套，其加工工藝性復雜，精度控制及檢測都具有一定的難度，生產一致性較差，故存在球頭脫落的安全風險。

由上述分析可見，氣撐桿球頭安裝方向不合理以及氣撐桿球頭（套）允許偏角范圍過小是造成球頭脫落的主要原因；球套類型選擇不合理是次要原因。

3、尾門問題整改及結構設計要點

通過以上實物測量和原因分析，明確了尾門問題的整改方向，制定了整改措施，通過制作手工樣件裝車，反復的試制試驗驗證，確定了整改措施的合理性，在該車型上市之前有效地解決了質量問題，提升了該車型的品質，并總結了尾門結構設計要點，有效地指導后續車型的設計。

3.1 問題整改措施

1．為了保證從側面看尾翼低于側圍，考慮尾門變形對尾翼的影響，降低尾翼和側圍搭接處的型面，有原來的0面差調整為使尾翼最大處低于側圍3mm。如圖9所示。

2．增大尾門下部和保險桿的間隙，使設計間隙為10mm。以免尾門下沉后造成和保險杠干涉。經過調查，幾種大型MPV類車型的該處間隙均大于10mm，以防止尾門下沉。如圖10所示。

3. 增大尾門上框的剛度，盡可能地減小尾門上框的變形量。將原來的尾門鉸鏈加強板和氣撐桿加強板連接成一塊鈑金，將尾門上框處全部加強，加強板材料全部由普通鋼板變為高強鋼板。如圖11所示。

4. 將車門側氣撐桿球頭安裝型面調整，減小氣撐桿球頭與撐桿軸線之間的偏角。在車門一側，將氣撐桿球頭軸線與撐桿軸線夾角調整為最小處86.6°，偏角3.4°，夾角最大處為93.5°，偏角3.5°，整改效果明顯；如圖12所示為修改后的氣撐桿球頭與撐桿轉角變化示意圖。

5．修改球頭尺寸，增大球頭最大允許轉動偏角。將球頭頸部尺寸由φ8和φ10修改為φ6和φ8，修改后球頭允許轉角可達17°，相比整改前的 7.5°有很大改觀，可有效增大球頭允許轉角。如圖13所示。

6. 將內卡簧絲式金屬球套調整為外卡簧絲式金屬球套，由于外卡簧絲式金屬球套繼承了內卡簧絲式球套物理干涉而形成限位功能的優點，同時避免了因生產一致性問題導致的球頭精度不合格造成的脫落問題，有效實現了雙保險，極大地提高了產品安全性。如圖14所示。

3.2 整改效果

經過整改后的樣件已經試制裝車，并經過50000次耐久性試驗和30000km可靠性道路試驗（15000km強化路試驗），將過三輪測試，全面驗證了尾門下沉、氣撐桿可靠性、安全性、耐久性等方面的性能指標，該車型通過試驗，未出現問題，整改效果良好。目前該車型已經上市，未反饋尾門方面的質量問題。

3.3 結構設計要點

經過調查發現，凡是大型MPV的尾門，由于尾門較大，氣撐桿的支撐力會相應增大，兩者累積的作用力一定會使尾門發生變形。所以在進行大型 MPV車尾門結構設計時要充分考慮尾門變形對各部件的影響，包括外觀、功能、安全性等問題。目前也對幾款大型車尾門進行了實物測量，并總結了大型MPV車尾門結構設計要點：

1．尾門和保險杠的分縫：通過幾款標桿車的測量,尾門和保險杠的分縫都在 10mm以上,以免尾門變形引起和保險桿的干涉問題。

2．尾門上部和側圍的面差：通過幾款標桿車的面差測量,側圍都要高于尾門 3mm以上，以免尾門變形引起的外觀缺陷。

3．尾門總成上框加強板要做成一體式，不能為了材料利用率變成分體式，大型車尾門較大，要保證尾門上框良好的剛度。

4．尾門氣撐桿球頭和軸線之間偏角的設計要盡可能有較大的容差能力，以免車身精度不好時球頭產生磨損。

5．大型車尾門氣撐桿球套形式要采用安全性較好的外卡簧式。

4、結論

尾門作為汽車的組成部分，是車身尾部最富變化和最受人關注的對象。一方面，尾門作為車身結構中的重要組成部分，其造型風格、強度、剛度、可靠性及工藝性等必需滿足車身整體性能的要求；另一方面，尾門結構自身的視野性、安全性、密封等性能，既對整個車身結構性能影響較大，也是尾門功能要求的重要部分。本文主要針對某一大型 MPV車的尾門結構設計中出現的試制試驗問題，經過問題調研、原因分析及實物測量，做出了可行的優化措施，經過試制試驗驗證，在該車型上市之前有效地解決了問題；并形成了大型 MPV車尾門結構設計指南，為后續車型的設計提供了指導。

[1] 宋小寧.尾門氣彈簧設計方法研究[N]. 安徽省科協年會機械工程分年會論文集, 2008.

[2] 韋學軍等.微型客車尾門結構設計與試驗簡介[J].企業科技與發展, 2009.

[3] 杜明艷.大微客尾門鉸鏈加強板設計探討[J].企業科技與發展, 2011.

[3] 王興華.淺談兩廂車背門氣彈簧設計[N]. 第六屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集, 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，安徽江淮汽車技術中心車體設計專家，碩士，主要從事開閉件的設計和研發工作。