汽車尾門預防過關干涉問題設計優化

劉靜 葛文杰 陸龍海 王溥灝 李錦 王聰

（1.上汽通用汽車有限公司武漢分公司；2.泛亞汽車技術中心有限公司）

為了滿足客戶更高的要求，在汽車造型上開始大量應用飾板，尾燈造型也逐漸夸張化，而客戶的主觀感受要求提升（零件之間匹配間隙小，階差平整，外觀好看），一定程度上增加了開閉件的設計難度。尾門總成是汽車的重要組成零件，在日常使用中開關頻次較高，客戶經常出現大力甚至暴力關門的現象，容易出現尾門和周邊零件刮擦、磕碰的干涉問題，導致零件損壞或生銹，客戶滿意度降低。通過總結此類問題的經驗教訓，提出定義合理的尾門關閉速度設計目標、平衡后端匹配間隙和階差，同時通過尾門系統阻力零件結構和布置位置優化以及充分考慮極端工況的過關運動校核方法，從設計前期預防過關干涉問題，經過驗證，達到預想的效果。

1 尾門總成及周邊零件

尾門總成主要由尾門鉸鏈、尾門鈑金總成、尾門附件、外飾件、內飾件和電器零件組成。其中尾門附件包括風擋玻璃、氣撐桿、緩沖塊、尾門鎖和鎖扣等零件；外飾件包括尾燈、尾門飾板、擾流板、雨刮、高位剎車燈、外把手、字牌等零件；內飾件包括內飾板、內把手；電器包括尾門線束、牌照燈、攝像頭等。尾門周邊零件，如圖1 所示。

圖1 尾門總成及周邊零件

2 尾門總成預防過關的結構設計優化

為了避免在產品試制、耐久試驗或生產階段出現干涉問題，導致尾門總成或周邊零件修改而造成成本增加，需要在設計前期準確定義過關要求，包括更加符合客戶使用習慣的設計輸入和足夠的制造容差；尾門在開關過程中，不允許出現和周邊零件干涉導致的掉漆、磨損痕跡等。

2.1 尾門關閉力

尾門關閉力是尾門設計的一個重要輸入指標和依據。關閉力的大小對過關量的大小有直接影響，關閉的位置也影響尾門的運動軌跡。為準確定義輸入要求，需要調研目標市場客戶群體的使用習慣，某機構調研中國市場客戶關閉尾門時的施力區域結果，如圖2 所示。尾門關閉力結果，如表1 所示。

圖2 關閉尾門的施力位置

表1 尾門關閉力市場調研結果 m/s

區域3 和區域4 在尾門側后方，頻次最低，但關閉尾門時，對尾門側傾趨勢和關閉瞬間振動變形量貢獻較大，尾門刮擦側圍風險最大。為避免潛在售后問題，在前期設計階段，考慮在尾門總成側后方關閉尾門的工況，同時在尾門總成開關耐久試驗中，模擬客戶施力位置進行耐久試驗認證。

2.2 尾門與周邊零件的間隙和階差

尾門和側圍、尾燈等周邊零件的間隙越小，階差越平整，客戶主觀感受外觀質量越高；間隙越大則尾門和周邊零件干涉風險就越高。為平衡外觀質量表現和尾門干涉風險，需要結合造型需求、競爭車型、行業制造水平、尺寸定位策略等因素，綜合制定合理的間隙和階差設計目標[1]。

某車型尾燈A 和尾燈B，如圖3 所示。以2 個尾燈為例，匹配目標值的設定，需要考慮的因素，如表2 所示。尾燈A 和尾燈B 間隙和階差應經尺寸分析后設定目標值。

圖3 某車型尾燈A 和尾燈B 示意圖

表2 汽車尾燈間隙階差名義值和公差制定

2.3 系統阻力的優化

尾門總成關閉時會產生系統阻力，一般由緩沖塊（可調式和固定式）、尾門密封條來吸收尾門鎖結構緩沖的大部分能量；氣撐桿阻力、鉸鏈摩擦等吸收少部分能量。

2.3.1 緩沖塊布置及結構優化

緩沖塊占用空間小，設計布置自由度高，設計性能要求，如表3 所示。可調緩沖塊與固定緩沖塊性能要求相同。

表3 汽車尾門緩沖塊性能要求

1）為減少尾門過關時尾門邊界振動變形量，保護周邊零件，緩沖塊布置位置應盡量靠近尾門邊界。根據經驗，建議緩沖塊中心到邊界距離L≤100 mm[2]，如圖4所示。

圖4 汽車尾門緩沖塊布置位置示意圖

2）一般將可調式緩沖塊布置于中部，固定式緩沖塊布置到尾門下部拐角。

某車型造型尾燈全部布置在尾門上，尾門鈑金需要提供較大安裝區域，可調緩沖塊按照傳統經驗布置在密封面外側斜面上，其中心距尾門邊界189 mm，CAE 分析時發現尾門邊界過關量較大，尾門與側圍存在干涉風險。將可調緩沖塊布置位置進行優化，將其布置到靠近邊界區域，如圖5 所示。如果受到大尾燈安裝空間限制，可以將可調緩沖塊改為固定緩沖塊，尾門下部用可調緩沖塊替代。

圖5 某車型尾門緩沖塊布置位置優化

3）根據經驗初步設定：尾門可調緩沖塊與對手件接觸干涉1 mm，固定緩沖塊與對手件間隙2 mm。通過CAE 模態分析發現，尾門下部模態為28 Hz，未達標。將下部緩沖塊和對手件間隙2 mm 設計優化為接觸0 mm，尾門模態提升到31 Hz。

4）緩沖塊材料一般選擇三元乙丙橡膠，按照經驗選擇合適的壓縮負荷曲線。尾門中部緩沖塊需要抵消的關閉能量較大，所以壓縮負荷選用相對較大的量值。

CAE 模態分析中，出現尾門扭轉剛度較差的情況時，尾門下部固定緩沖塊可適當選用壓縮負荷大的零件，其壓縮負荷曲線，如圖6 所示；出現尾門橫向剛度較差的情況時，尾門中部可調緩沖塊可適當選用壓縮負荷大的零件[3]，其壓縮負荷曲線，如圖7 所示。

圖6 固定緩沖塊壓縮負荷曲線

圖7 可調緩沖塊壓縮負荷曲線

5）尺寸穩健性考慮：制造應優先保證尾門外部匹配，上下2 組緩沖塊與對手件不能同時兼顧，存在潛在風險，如表4 所示。

表4 汽車尾門緩沖塊與對手件尺寸匹配經驗教訓 mm

為提升設計容差性，避免制造波動的影響，對緩沖塊頭部進行結構優化，增加1.5 mm 高度凸點，如圖8所示。經CAE 分析和樣件實車驗證發現，緩沖塊頭部可以增加1.5 mm 的容差。當制造尺寸波動導致緩沖塊與對手件干涉增大時，對尾門關閉力的影響可以忽略；緩沖塊與對手件出現間隙時，凸點和對手件仍可保持接觸，可防止整車過壞路時緩沖塊與對手件碰撞產生異響。

圖8 汽車尾門緩沖件頭部結構優化示意圖

2.3.2 尾門密封條布置及結構優化

密封條的主要作用是隔開外界與行李廂，同時還能起到緩沖吸能的作用。調整密封條阻力的關鍵參數（如壓縮負荷、斷面尺寸、車身密封空間尺寸等）會直接影響整圈密封性能和關閉速度，優化操作空間不大，因此，考慮對密封條局部進行優化[4]。

將緩沖塊布置位置和結構進行優化后，CAE 模態分析發現，尾門和尾燈B 仍然存在過關干涉的潛在風險。尾燈B 附近密封條局部增加塞芯，提升此區域的系統阻力。經CAE 分析計算發現，在尾燈B 附近增加10 mm 塞芯，可以消除過關干涉的風險，同時也不會造成關閉速度變大。

3 尾門過關運動校核

在尾門過關校核的方法中，最常見的是利用有限元建立模型，分析尾門邊界的過關量，在三維數模中進行尾門運動包絡校核[5]。

3.1 有限元分析尾門過關量

整車開發虛擬評估階段，建立尾門過關CAE 仿真模型，計算尾門過關時各個區域的過關量（X，Y，Z 向值）。由于過關的過程復雜，涉及多個零件之間的接觸和相互關系，還需要緩沖塊部件的剛度特性等數據，需要在每個開發階段逐漸精確參數信息，提升建模準確性，如表5 所示。

表5 建立有限元模型參數輸入

通過表5 信息輸入，計算尾門邊界過關量，如圖9和表6 所示。

圖9 尾門邊界過關量示意圖

表6 尾門邊界CAE 仿真計算過關量 mm

3.2 運動包絡校核

在三維數模中，將尾門繞鉸鏈旋轉中心旋轉到CAE 分析的過關位置，檢查尾門和周邊零件間隙。在早期識別到制造波動的影響，對校核方法進行優化。

3.2.1 尋找對尾門過關最不利的匹配工況

穩健的運動校核，需要充分考慮制造尺寸的波動，以尾燈A 和尾燈B 干涉風險運動包絡檢查為例，匹配過關最不利的情況，如表7 所示。2 個尾燈的斷面，如圖10 所示。確認其間隙和階差在公差范圍內對應尾門過關最不利的位置。將尾燈B 向尾燈A 在間隙方向調整為最小，在階差方向尾燈B 向車前調整到公差極限，并在運動包絡檢查時考慮尾燈A 內部的公差。

表7 尾燈A 和尾燈B 匹配對過關最不利情況

圖10 尾燈A 和尾燈B 外部匹配斷面示意圖

3.2.2 每段分縫單獨調整尾門

尾門和周邊零件匹配的每條分縫、間隙和階差的理論值、方向不同，因此需要將尾門總成每條分縫調整到尾門過關最不利的位置，模擬制造該區域最大尺寸波動，避免誤差產生。

3.2.3 運動包絡

將尾門每段分縫分別繞鉸鏈旋轉中心，旋轉到過關位置（X 向和Z 向過關量值不同，選擇尾門旋轉的更大角度）。1 號點尾門繞鉸鏈旋轉0.41°到達Z 向過關位置，旋轉0.38°到達X 向過關位置角度，如圖11 所示，選擇將尾門旋轉到Z 向過關位置。所有分縫區域重復此操作，得到尾門總成運動包絡圖。

圖11 1 號點旋轉到過關位置示意圖

3.2.4 數模校核

尾門周邊零件內部表面存在和尾門過關配合的、需要考慮其配合面的制造公差，確保尾門過開位置和內部表面的間隙值大于其制造公差波動量，檢查整個包絡與周邊零件間隙值，并與對手件開發工程師、尺寸工程師確認結果。尾燈A 和尾燈B 內部匹配斷面，如圖12所示。尾燈B 過關后位置和尾燈A 內部結構間隙的h值要大于尾燈A 內部結構表面在整車上的尺寸波動。

圖12 尾燈A 和尾燈B 內部匹配斷面示意圖

4 物理驗證

通過尾門總成的開關耐久試驗和整車路試耐久試驗對優化方法進行考核。1）開關耐久試驗：在常溫常濕、高溫高濕、低溫常濕環境下進行共2.2 倍生命周期開關循環，考察尾門總成強度以及開啟和關閉過程的干涉。試驗結果均滿足設定的目標要求，未出現尾門關閉和周邊零件干涉的失效。2）整車路試耐久：包括一般路試耐久和高、低溫路試耐久，模擬客戶使用全生命周期，共10 萬km，未發現尾門總成和周邊零件干涉、磨損等失效問題。

5 結論

文章通過總結尾門的過關設計、研究尾門關閉力輸入、設定尾門與周邊零件間隙和階差目標以及設計尾門系統阻力，對運動包絡校核方法進行優化。優化結果表明：尾門系統阻力設計是尾門過關量的主要因素，在優化過程中可以找到對過關量改善但對尾門性能無影響的優化變量作為最終的設計變量；尾門過關運動校核方法，需要考慮制造波動極限，充分識別每個區域最極限工況，能有效防止過關問題發生；該優化方法同樣可以推廣運用到其它開閉件的設計中。