某SUV車(chē)型尾門(mén)開(kāi)啟感受較重的原因分析及改進(jìn)

史富強(qiáng)，孫敏，俞燕

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

汽車(chē)尾門(mén)氣彈簧（也稱(chēng)氣撐桿）系統(tǒng)是保證尾門(mén)順利開(kāi)啟、關(guān)閉的關(guān)鍵部件之一，一般市場(chǎng)客戶(hù)對(duì)尾門(mén)品質(zhì)的主觀感受也主要體現(xiàn)在氣彈簧的使用效果上，因此尾門(mén)氣彈簧設(shè)計(jì)布置的合理性，對(duì)尾門(mén)的開(kāi)關(guān)舒適性和便利性有著至關(guān)重要的影響。本文以某SUV車(chē)型尾門(mén)開(kāi)啟感受較重的問(wèn)題為切入點(diǎn)，通過(guò)對(duì)該問(wèn)題的整改優(yōu)化，深度整理了尾門(mén)氣彈簧布置中影響開(kāi)關(guān)舒適性和方便性的關(guān)鍵因素，為尾門(mén)氣彈簧系統(tǒng)在后續(xù)車(chē)型上的布置設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 氣彈簧工作原理

1.1 氣彈簧的定義

氣彈簧是指由一個(gè)密閉缸筒和可以在缸筒內(nèi)滑動(dòng)的活塞組件及活塞桿組成的以氣體壓強(qiáng)為貯能介質(zhì)的機(jī)構(gòu)[1]。

1.2 氣彈簧的結(jié)構(gòu)

圖1 氣彈簧組成簡(jiǎn)圖

氣彈簧一般由接頭、活塞桿、導(dǎo)向件、活塞系統(tǒng)、缸筒等組成，如圖1所示。在密閉的活塞筒內(nèi)充入高壓氣體（一般為氮?dú)猓瑑蛇厷怏w壓強(qiáng)作用在活塞面，由于兩邊壓強(qiáng)的不同以及有桿腔和無(wú)桿腔的截面積差，形成活塞桿的輸出推力[2]。氣彈簧在車(chē)身上布置完成后通過(guò)伸展及壓縮的運(yùn)動(dòng)過(guò)程向外輸出力，從而為尾門(mén)的開(kāi)關(guān)門(mén)操作提供便利。

1.3 氣彈簧布置原理

尾門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣彈簧輸出力 FStay與尾門(mén)的重力 G、開(kāi)啟力FOpen、關(guān)閉力FClose環(huán)繞鉸鏈軸線(xiàn)組成力矩關(guān)系，如圖2所示。根據(jù)幾何受力關(guān)系可知，當(dāng)尾門(mén)氣彈簧輸出力與尾門(mén)開(kāi)關(guān)力的力矩之和大于尾門(mén)重力力矩時(shí)尾門(mén)打開(kāi)，反之關(guān)閉。當(dāng)尾門(mén)氣彈簧輸出力的力矩與尾門(mén)重力力矩相等時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。這時(shí)的尾門(mén)開(kāi)啟角度叫平衡角，尾門(mén)最下邊緣處的離地高度叫平衡高度，二者體現(xiàn)的是同一個(gè)狀態(tài)。

圖2 氣彈簧布置幾何受力示意圖

2 尾門(mén)開(kāi)啟主觀評(píng)價(jià)感受較重問(wèn)題分析

2.1 問(wèn)題描述

某SUV車(chē)型市場(chǎng)反饋：尾門(mén)開(kāi)啟主觀感受較重，尤其低溫條件下，尾門(mén)打開(kāi)過(guò)程較為困難，開(kāi)啟感受較差。

2.2 問(wèn)題分析

通過(guò)整改前的氣彈簧布置分析報(bào)告及實(shí)車(chē)情況，重新對(duì)氣彈簧F1力值、平衡點(diǎn)、最大開(kāi)啟力、最大關(guān)閉力等布置要素進(jìn)行分析排查。

2.2.1 尾門(mén)開(kāi)啟位置人機(jī)工程分析

（1）整改前，氣彈簧設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如表1所示，原方案氣彈簧布置狀態(tài)的氣彈簧F1值為690N，尾門(mén)重量為35.5Kg。

表1 整改前的氣彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)輸入表

通過(guò)表1的坐標(biāo)信息，對(duì)整車(chē)狀態(tài)下的尾門(mén)開(kāi)啟位置進(jìn)行距離轉(zhuǎn)換，得到該車(chē)尾門(mén)開(kāi)啟點(diǎn)離地高度A達(dá)到1140mm（見(jiàn)圖3）。由于開(kāi)啟點(diǎn)位置較高，不但會(huì)導(dǎo)致氣彈簧布置中尾門(mén)開(kāi)啟力臂較短，開(kāi)啟力變大，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的人機(jī)工程問(wèn)題。該車(chē)尾門(mén)開(kāi)啟點(diǎn)高度超過(guò)50%男性和95%的女性假人肘關(guān)節(jié)高度B（見(jiàn)表2），同樣開(kāi)啟力條件下會(huì)感覺(jué)用不上力，人機(jī)匹配較差。

圖3 尾門(mén)開(kāi)啟示意圖

表2 整改前的氣彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)輸入表

2.2.2 尾門(mén)氣彈簧布置匹配分析

（1）常溫 20℃條件下，尾門(mén)最大開(kāi)啟力的推薦值需要滿(mǎn)足F開(kāi)≤70N，通過(guò)表3分析可知，尾門(mén)氣彈簧在常溫20℃條件下開(kāi)啟力為 71.4N，尾門(mén)開(kāi)啟力偏大，導(dǎo)致尾門(mén)開(kāi)啟主觀感受較重；

（2）常溫20℃條件下，尾門(mén)開(kāi)啟平衡點(diǎn)角度為18°，開(kāi)啟高度約980mm，低溫-30℃條件下，平衡點(diǎn)角度增加到40°，平衡點(diǎn)更高，而且最大開(kāi)啟力會(huì)增加到 86.7N，人機(jī)匹配較差，尤其會(huì)導(dǎo)致低溫狀態(tài)尾門(mén)開(kāi)啟過(guò)程較長(zhǎng)，開(kāi)啟感受較重的問(wèn)題。

表3 整改前的氣彈簧布置分析報(bào)告表

理論分析后，進(jìn)行實(shí)車(chē)分析確認(rèn)。在不同溫度狀態(tài)下，對(duì)尾門(mén)開(kāi)啟高度、最大開(kāi)啟力、最大關(guān)閉力、平衡角度（或平衡高度）等布置要素進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)量，最終測(cè)量結(jié)果與氣彈簧布置理論分析報(bào)告的結(jié)果比較吻合，理論分析結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)狀的表現(xiàn)一致。

因此，綜合以上分析可知，可以確認(rèn)導(dǎo)致該車(chē)開(kāi)啟感受較重問(wèn)題的原因按照主次順序可歸結(jié)為三點(diǎn)：1）尾門(mén)開(kāi)啟位置較高，2）尾門(mén)最大開(kāi)啟力較大，3）尾門(mén)平衡點(diǎn)位置較高。

2.3 整改方案與實(shí)施

通過(guò)對(duì)該車(chē)問(wèn)題三大原因的確認(rèn)，根據(jù)車(chē)輛實(shí)際情況及氣彈簧布置特性，分析并制定相應(yīng)整改措施。

2.3.1 對(duì)尾門(mén)開(kāi)啟位置較高的分析整改

尾門(mén)開(kāi)啟位置一般由早期造型決定，實(shí)車(chē)階段要將尾門(mén)開(kāi)啟位置下調(diào)，一般只能通過(guò)增加尾門(mén)下把手的形式，具體可見(jiàn)圖 4。通過(guò)該方案制作手工樣件驗(yàn)證，尾門(mén)開(kāi)啟位置降到了約 890mm，不但使尾門(mén)開(kāi)啟的人機(jī)感受得到大大優(yōu)化，而且通過(guò)力矩?fù)Q算，還使尾門(mén)最大開(kāi)啟力降低了10N左右。但是，該方案的缺點(diǎn)是對(duì)造型影響較大，設(shè)變量大，整改周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。

圖4 尾門(mén)開(kāi)啟位置對(duì)比示意圖

2.3.2 對(duì)尾門(mén)最大開(kāi)啟力較大及平衡點(diǎn)較高的分析整改

實(shí)車(chē)階段對(duì)尾門(mén)開(kāi)啟力較大整改的最簡(jiǎn)單方法是先適當(dāng)增加氣彈簧F1力值。當(dāng)把氣彈簧F1力值從690N調(diào)整到720N時(shí)，常溫條件下尾門(mén)最大開(kāi)啟力僅優(yōu)化了5N左右，尾門(mén)最大開(kāi)啟力并沒(méi)有得到有效改善，而且該方法還導(dǎo)致了常溫及高溫狀態(tài)下尾門(mén)最大關(guān)閉力明顯增加，不能滿(mǎn)足使用要求，所以該方法不可取。

圖5 氣彈簧上支架布置位置示意圖

圖6 氣彈簧上支架球心 點(diǎn)優(yōu)化前后對(duì)比圖

表4 整改后的氣彈簧布置分析報(bào)告表

因此，改善尾門(mén)最大開(kāi)啟力的問(wèn)題只能通過(guò)優(yōu)化氣彈簧布置點(diǎn)的方法，通過(guò)重新選點(diǎn)布置，在使尾門(mén)最大關(guān)閉力不明顯增加的前提下，盡量?jī)?yōu)化開(kāi)啟力和平衡點(diǎn)位置。最終該方案通過(guò)新開(kāi)發(fā)氣彈簧上支架來(lái)優(yōu)化氣彈簧上球心點(diǎn)位置，同時(shí)氣彈簧長(zhǎng)度配合更改，縮短約6.5mm（詳見(jiàn)圖5，圖6）。優(yōu)化后的氣彈簧布置報(bào)告如表 4，常溫條件下最大開(kāi)啟力優(yōu)化到52.2N，平衡點(diǎn)角度優(yōu)化到11°，同時(shí)高溫與低溫狀態(tài)的開(kāi)啟力與平衡點(diǎn)都得到明顯改善。該方案設(shè)變量相對(duì)較小，設(shè)變周期短，費(fèi)用較低，比較容易實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 方案實(shí)施與驗(yàn)證

綜合以上方案分析，最終采取了通過(guò)新開(kāi)發(fā)氣彈簧上支架的方案來(lái)實(shí)施整改。同時(shí)制作氣彈簧新支架的手工樣件進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，最終測(cè)得常溫狀態(tài)下，尾門(mén)最大開(kāi)啟力約48N，平衡點(diǎn)約10°（離地高度860mm），使尾門(mén)開(kāi)啟感受較重的問(wèn)題得到較大改善。

另外增加尾門(mén)下把手的方案雖然優(yōu)化效果顯著，也是造成該車(chē)尾門(mén)開(kāi)啟較重的主因之一，但是由于對(duì)造型影響較大、設(shè)變量大、費(fèi)用高的緣故，該車(chē)并未實(shí)施，而是將其作為了后備方案，在換代車(chē)型上實(shí)施。

3 總結(jié)

尾門(mén)氣彈簧的匹配要想取得理想的效果，設(shè)計(jì)之初首先要確認(rèn)好尾門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉位置是否合理，否則實(shí)車(chē)階段很難整改。同時(shí)要反復(fù)確認(rèn)氣彈簧布置報(bào)告中不同溫度狀態(tài)下的尾門(mén)最大開(kāi)啟力、關(guān)閉力、平衡點(diǎn)等關(guān)鍵要素是否合理，要保證各個(gè)要素的平衡統(tǒng)一才能使尾門(mén)系統(tǒng)有良好的開(kāi)關(guān)舒適性和方便性。因此經(jīng)過(guò)筆者多個(gè)車(chē)型的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在氣彈簧布置設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意以下幾點(diǎn)：

（1）當(dāng)尾門(mén)重量G≥30Kg時(shí)，要求尾門(mén)開(kāi)啟點(diǎn)高度680mm≤H≤900mm，推薦700mm～850mm；

（2）當(dāng)尾門(mén)重量G＜30Kg時(shí)，要求尾門(mén)開(kāi)啟點(diǎn)高度680mm≤H≤1050mm，推薦700mm～900mm；

（3）當(dāng)尾門(mén)開(kāi)啟點(diǎn)高度H≥1000mm時(shí)，要求尾門(mén)最大開(kāi)啟力F≤50N，如尾門(mén)開(kāi)啟點(diǎn)高度不滿(mǎn)足以上要求，可考慮增加尾門(mén)下開(kāi)啟把手（常溫20℃狀態(tài)）。

（4）當(dāng)尾門(mén)重量G≥30kg時(shí)，要求尾門(mén)最大開(kāi)啟力F≤70N，關(guān)閉力F≤85N（常溫20℃狀態(tài)）；

（5）當(dāng)尾門(mén)重量G＜30Kg時(shí)，要求尾門(mén)最大開(kāi)啟力F≤60N，關(guān)閉力F≤75N （常溫20℃狀態(tài)）；

（6）當(dāng)尾門(mén)重量G≥30kg時(shí)，要求尾門(mén)最大關(guān)閉力F≤100N，當(dāng)尾門(mén)重量G＜30kg時(shí)，要求尾門(mén)最大關(guān)閉力F≤90N（高溫50℃狀態(tài)）；

（7）當(dāng)?shù)蜏?30℃狀態(tài)時(shí)，要求尾門(mén)最大關(guān)閉力F≥20N；

（8）平衡點(diǎn)位置一般小于總開(kāi)度的 1/4,同時(shí)需要盡量滿(mǎn)足平衡點(diǎn)離地高度H≤900mm。

參考文獻(xiàn)

[1] QC/T 207.汽車(chē)用普通氣彈簧.

[2] 楊邦安,丁盛,周利民. 汽車(chē)實(shí)用技術(shù)[J], 2016（7）.118～120.