乘用車尾門氣彈簧系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

周星棟， 張自強(qiáng)

(上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)車身研發(fā)部，上海 201805)

0 引言

隨著前沿技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車安全與舒適性要求越來越高。尾門作為車身關(guān)鍵零部件之一，使用頻率高，其操作舒適性對于整車性能評估至關(guān)重要。常見的尾門開閉方式有電動和手動兩種，尾門結(jié)構(gòu)類型又主要分為三廂車小尾門和兩廂車大尾門。通常情況下，手動開閉大尾門的整體質(zhì)量大多在30 kg左右[1]，而溜背式大尾門由于造型特征和豐富的尾燈功能常帶來巨大的質(zhì)量增加，這對氣彈簧支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。如何保證尾門在極端低溫有足夠的支撐力，并且在常溫和高溫環(huán)境的操作力盡可能舒適是急需解決的問題。

針對某溜背造型尾門的質(zhì)量太大、重力矩偏離鉸鏈軸太遠(yuǎn)等實(shí)際設(shè)計(jì)問題，采用常規(guī)氣彈簧設(shè)計(jì)已經(jīng)難以滿足尾門開閉的舒適性要求。為此，本文作者引入了溫度補(bǔ)償氣彈簧(Temperature Compensation Valve，TCV)和復(fù)合式氣彈簧，依據(jù)動力學(xué)平衡原理和不同形式氣彈簧的結(jié)構(gòu)特性，分別將其應(yīng)用于尾門設(shè)計(jì)，并通過設(shè)計(jì)效果的對比分析，總結(jié)了不同形式氣彈簧的使用范圍。最后，還利用封閉式環(huán)境溫度箱對尾門系統(tǒng)操作力進(jìn)行不同溫度下的實(shí)車測試，從而驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論的準(zhǔn)確性。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 尾門動力學(xué)平衡原理

氣彈簧支撐系統(tǒng)在乘用車尾門上的布置方式主要為翻轉(zhuǎn)式[2]。無論尾門造型千變?nèi)f化，其支撐系統(tǒng)的動力學(xué)簡化模型都是相同的。張建國等[3]對尾門受力進(jìn)行分析并建立力矩平衡方程如式(1)，當(dāng)尾門打開或關(guān)閉到任意角度時(shí)，其重力、氣彈簧支撐力、手臂操縱力對鉸鏈軸的力矩之和為零。

∑Maxis=MG+Ms+Mhand=0

(1)

式中:MG、Ms、Mhand分別表示重力矩、氣彈簧力矩、操作力矩。

假如促使尾門開啟的力矩方向?yàn)檎较颍瑒t尾門開啟力Fopen可以表示為：

(2)

式中:MG,1、Ms,1、Fs,1、Hs,1、Hhand,1分別表示尾門關(guān)閉狀態(tài)的重力矩、氣彈簧力矩、氣彈簧力值、氣彈簧力臂、操作力臂。

尾門關(guān)閉力Fclose表示為：

(3)

式中:MG,2、Ms,2、Fs,2、Hs,2、Hhand,2分別表示尾門完全開啟狀態(tài)的相關(guān)參數(shù);下角1代表尾門完全關(guān)閉狀態(tài)，下角2代表尾門完全開啟狀態(tài)。

由式(2)和式(3)可以看出，當(dāng)尾門重力矩、鉸鏈軸位置、開閉操作點(diǎn)確定以后，尾門操作力的設(shè)計(jì)變量只有氣彈簧力值和力臂。兩廂車尾門動力學(xué)簡圖如圖1所示。

圖1 兩廂車尾門動力學(xué)簡圖

1.2 氣彈簧的工作原理

文獻(xiàn)[4]詳細(xì)介紹了普通氣彈簧的工作原理，如圖2所示，在氣彈簧密閉的腔體內(nèi)注入高壓惰性氣體，活塞左右兩側(cè)連通。氣彈簧輸出力表示為：F=F1-F2=pS1-pS2，S1和S2表示活塞左右側(cè)受壓面積，p表示惰性氣體的壓力。隨著中心頂桿受壓力向外延伸，惰性氣體總量不變而體積增大，氣壓p和輸出力值也隨之減小；反之，氣壓p和輸出力值增大。圖3描述了普通氣彈簧力值特性曲線，從A到B為壓縮行程，氣彈簧力值逐漸增加，對應(yīng)于尾門關(guān)閉過程；從C到D為延伸行程，氣彈簧力值逐漸減小，對應(yīng)于尾門打開過程[5]。圖中F1、F2、F3、F4分別為靠近延伸和壓縮行程頂端的4個(gè)力值，常用于氣彈簧的標(biāo)定。定義k=F4/F1為氣彈簧的力值比，其大小主要取決于延伸前后氣彈簧腔體體積的變化量，與氣彈簧內(nèi)部空間尺寸相關(guān)。方向相反的摩擦力導(dǎo)致了延伸和壓縮行程之間的力值差。另外，氣彈簧內(nèi)部壓力受理想氣體狀態(tài)方程的約束，不同溫度下氣彈簧輸出的力值差別較大。為了簡化計(jì)算，忽略了彈簧摩擦力。

圖2 普通氣彈簧工作原理

圖3 氣彈簧輸出力曲線

1.3 氣彈簧設(shè)計(jì)流程

確定了尾門的重力矩、開閉操作點(diǎn)，并根據(jù)空間布置初步選定掛點(diǎn)以后，接下來介紹氣彈簧設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)流程為：

(1)根據(jù)低溫關(guān)閉力-30 ℃確定F3值

(4)

(2)計(jì)算常溫和高溫關(guān)閉力

(5)

(6)

(7)

(8)

(3)初步選定氣彈簧輸出力k值

由于氣彈簧k值屬于氣彈簧的固有特性，與氣彈簧內(nèi)部空間尺寸相關(guān)，而氣彈簧內(nèi)部尺寸又主要取決于尾門開閉過程的頂桿行程和掛點(diǎn)間距大小。因此，當(dāng)掛點(diǎn)位置和尾門最大開啟角度選定后，k值也是基本確定的。

(4)計(jì)算開啟力

(5)微調(diào)掛點(diǎn)優(yōu)化開啟力

因?yàn)闅鈴椈闪χ凳歉鶕?jù)關(guān)閉力初步選定的，初步算下來的開啟力并不一定是最好的，這時(shí)候就需要調(diào)整掛點(diǎn)來提高或者降低開啟力了。如圖1所示，當(dāng)車身側(cè)掛點(diǎn)沿著Spring-2上下移動時(shí)，即可在不改變Hhand,2的情況下增加或減小Hhand,1，從而在不影響關(guān)閉力的情況下整體提升或降低開啟力。另外，尾門上的掛點(diǎn)由于距離鉸鏈軸遠(yuǎn)且調(diào)整空間有限，一般不用于掛點(diǎn)優(yōu)化。

2 某溜背尾門支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題

2.1 問題描述

文中尾門設(shè)計(jì)質(zhì)量為40.4 kg，尾門在完全關(guān)閉和完全打開狀態(tài)的重力矩為290.4 N·m和273.9 N·m。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)選取兩根普通氣彈簧按照翻轉(zhuǎn)式布置形式對尾門操作力進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)流程可得最優(yōu)操作力曲線如圖4所示。

圖4 普通氣彈簧尾門操作力曲線

圖中橫軸表示尾門打開角度，縱軸表示手臂需要施加的操作力，開啟過程曲線從左向右，關(guān)閉過程曲線從右向左。當(dāng)操作力為負(fù)值說明在該角度不需要手臂施力即可自動開啟或關(guān)閉，通常操作力為零的角度稱為死點(diǎn)。

文中是以-30 ℃下20 N的保持力為基礎(chǔ)開始設(shè)計(jì)的，這樣可以保證即使在寒冷的北方，車子處于斜坡上，并考慮一定使用年限的氣彈簧力值衰減，開啟狀態(tài)的尾門也不會自動關(guān)閉而砸到顧客，保證了安全性。但是20 ℃下關(guān)閉力達(dá)到了100 N，高溫80 ℃甚至達(dá)到了188 N，這對于大部分顧客，尤其是女性顧客來說是毫無舒適性可言；80 ℃下開啟力25 N，保證了即使在夏季陽光暴曬下，尾門也不會在解鎖后自動彈開，但20 ℃下74 N和-30 ℃下118 N的開啟力也不能滿足人機(jī)工程學(xué)要求。常用于評價(jià)尾門開閉安全和舒適性的人機(jī)工程學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 尾門開閉人機(jī)工程學(xué)評價(jià)指標(biāo)

從整個(gè)過程來分析圖中曲線，尾門全部開啟角度為54.5°，在-30 ℃顧客需要一直施力到尾門打開50°，假如顧客在50°之前不小心松手，尾門會在重力作用下加速下砸，這是很危險(xiǎn)的。為此引入關(guān)閉能量和關(guān)閉速度來評估尾門自動關(guān)閉的危險(xiǎn)性。

關(guān)閉能量是指尾門從死點(diǎn)自由下落到完全關(guān)閉重力勢能向動能的轉(zhuǎn)化量，其計(jì)算公式為：

另外，旅游產(chǎn)品和服務(wù)的提供者也積極融入“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，通過自建網(wǎng)站或與在線旅游服務(wù)平臺合作的方式，主動發(fā)布旅游產(chǎn)品和服務(wù)信息，隨時(shí)隨地的為潛在旅游者提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)旅游信息的在線化、移動化。

ΔEk=GΔh-ΔEp

式中：ΔEp表示氣彈簧吸收的能量，通過圖3中力值對壓縮行程積分獲得;Δh表示從死點(diǎn)到完全關(guān)閉位置尾門重心在豎直方向的下落高度。

關(guān)閉速度是指在即將落鎖的最后時(shí)刻，尾門外邊緣的轉(zhuǎn)動線速度。根據(jù)動能定理，關(guān)閉速度可以表示為:

(9)

式中:R為尾門外邊緣繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)半徑;r為重心繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)半徑。

可以看出，低溫下的關(guān)閉速度將會是最苛刻的，將相關(guān)參數(shù)代入式(9)，得到設(shè)計(jì)的自由關(guān)閉速度為1.43 m/s，如果考慮顧客額外的關(guān)閉力加載，關(guān)閉能量遠(yuǎn)大于以往車型，對顧客使用安全性和尾門系統(tǒng)耐久性能都是極為不利的。

綜上所述，設(shè)計(jì)的問題點(diǎn)在于常溫、高溫關(guān)閉力和常溫、低溫開啟力都太高，低溫關(guān)閉速度太大，不能滿足家用轎車的舒適性要求。

2.2 問題分析

前一章節(jié)總結(jié)問題是由于普通氣彈簧的原理局限性所決定的。普通氣彈簧腔體內(nèi)惰性氣體壓力受理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT約束，其不同溫度下的輸出力與溫度正相關(guān)。當(dāng)尾門需要?dú)鈴椈芍蜗到y(tǒng)滿足低溫-30 ℃下26 N保持力(包含制造公差影響6 N)的安全性要求后，其常溫和高溫環(huán)境下的關(guān)閉力也就基本確定了。如圖5所示，完全打開狀態(tài)尾門的重力矩為MG,2，其低溫下平衡方程可以描述為：

圖5 尾門完全打開時(shí)受力分析圖

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

同理對開啟力進(jìn)行分析，如圖6所示，當(dāng)高溫開啟力為25 N時(shí)(包含制造公差影響5 N)，得到平衡方程如式(15)，代入理想氣體狀態(tài)方程，常溫和低溫開啟力為式(16)、(17)，其結(jié)論與關(guān)閉力類似，選用普通氣彈簧方案的常低溫開啟力只與重力矩相關(guān)，在保證20 N高溫開啟力的前提下，重力矩越大，常溫和低溫開啟力也越大。

圖6 尾門完全關(guān)閉時(shí)受力分析圖

(15)

(16)

(17)

根據(jù)所列公式可以得到，當(dāng)選用普通氣彈簧時(shí)，尾門開啟力或者關(guān)閉力在不同溫度下的離散程度，只和尾門重力矩、操作力矩相關(guān)，與氣彈簧力值和掛點(diǎn)無關(guān)。另外，進(jìn)一步對比式(10)、(13)、(14)和式(15)、(16)、(17)可以發(fā)現(xiàn)，開啟力的離散程度要小于關(guān)閉力的離散程度，與圖5所示設(shè)計(jì)效果一致。

3 解決措施

3.1 TCV氣彈簧

如圖7所示，TCV氣彈簧比普通氣彈簧增加了一個(gè)溫度補(bǔ)償閥，其目的是讓氣彈簧在高溫和低溫環(huán)境中有兩個(gè)不同的k值。低溫時(shí)補(bǔ)償閥打開，惰性氣體可以在控制閥兩側(cè)自由移動，頂桿向外延伸過程中惰性氣體壓力變化較小，彈簧表現(xiàn)出較小的k值，在延伸位置具有相對較大的輸出力；常溫和高溫時(shí)，補(bǔ)償閥關(guān)閉，惰性氣體只能從閥左側(cè)向右側(cè)移動，頂桿向外延伸過程中惰性氣體壓力變化較大，彈簧表現(xiàn)出較大的k值，頂桿在延伸位置具有相對較小的輸出力。從平衡高、低溫關(guān)閉力的角度，低溫k值與常溫k值之比越小越好，但受TCV氣彈簧內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一般最小可以做到0.9。補(bǔ)償閥開閉的臨界溫度為2 ℃左右，但任意溫度下補(bǔ)償閥左側(cè)氣體均可以向右側(cè)移動，因而在壓縮位置氣彈簧的輸出力不受控制閥影響，其特性和普通氣彈簧是相同的。

圖7 TCV氣彈簧

圖8為選用TCV氣彈簧方案的操作力曲線。由圖可知，低溫時(shí)補(bǔ)償閥打開，k值較小，氣彈簧在延伸位置輸出力較大，有利于保證20 N的低溫保持力；常溫和高溫時(shí)補(bǔ)償閥關(guān)閉，k值較大，氣彈簧在延伸位置輸出力較小，有利于降低關(guān)閉力。因此，TCV氣彈簧可以很好兼顧尾門關(guān)閉的低溫安全性和高溫舒適性。但是，由于壓縮位置氣彈簧的輸出力不受補(bǔ)償閥影響，所以選用TCV氣彈簧方案的開啟力特性與選用普通氣彈簧基本相同。另外，低溫死點(diǎn)優(yōu)化不明顯，TCV氣彈簧方案還是不能完全滿足安全和舒適性設(shè)計(jì)要求。

圖8 選用TCV氣彈簧尾門操作力曲線

3.2 復(fù)合式氣彈簧

復(fù)合式氣彈簧由機(jī)械彈簧和普通氣彈簧并聯(lián)布置而成，如圖9所示。復(fù)合式氣彈簧的輸出力主要由機(jī)械彈簧提供，氣彈簧輔助起到調(diào)整開閉速度的作用。復(fù)合式氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)在于力值輸出受溫度影響較小，很適合于重力矩大的尾門支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以很好地兼顧高低溫下操作力的安全和舒適性要求。其缺點(diǎn)是成本相對于TCV氣彈簧和普通氣彈簧較高，單件質(zhì)量較大。圖10為采用復(fù)合式氣彈簧方案的操作力曲線，3個(gè)溫度下開啟力和關(guān)閉力的離散都很小，而且低溫開啟死點(diǎn)只有25°，關(guān)閉能量和關(guān)閉速度較小，計(jì)算值僅有0.66 m/s，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 復(fù)合式氣彈簧

圖10 選用復(fù)合式氣彈簧尾門操作力曲線

3.3 3種形式氣彈簧研究

表2總結(jié)了3種支撐方案的理論設(shè)計(jì)狀態(tài)，其中高溫、低溫操作力分別考慮了極限苛刻情況下彈簧的制造公差。相比于普通氣彈簧，TCV氣彈簧僅可以優(yōu)化關(guān)閉力，復(fù)合式氣彈簧可以同時(shí)優(yōu)化關(guān)閉力和開啟力。

表2 3種方案操作力對比

為了進(jìn)一步研究3種形式氣彈簧在尾門開閉中的應(yīng)用潛力，考慮氣彈簧生產(chǎn)公差的影響FT=6 N，當(dāng)采用普通氣彈簧并且要滿足表1的舒適性評價(jià)指標(biāo)，可以得到對尾門的前提條件如式(18)：

(18)

同理，當(dāng)采用TCV氣彈簧時(shí)，取低溫k值與常溫k值之比為0.9，滿足舒適性評價(jià)指標(biāo)的前提條件如式(19)：

(19)

復(fù)合式氣彈簧因?yàn)橹饕芰Σ考闄C(jī)械彈簧，可以適用于所有尾門，但成本相對于普通氣彈簧和TCV氣彈簧較高。綜上所述，3種形式氣彈簧的選用原則如圖11所示。

圖11 選用復(fù)合式氣彈簧尾門操作力曲線

4 實(shí)車驗(yàn)證

為了驗(yàn)證TCV氣彈簧方案和復(fù)合式氣彈簧方案理論設(shè)計(jì)的可靠性，并進(jìn)一步從主觀層面評價(jià)兩種方案的舒適性，在封閉式溫度環(huán)境箱內(nèi)對實(shí)車尾門進(jìn)行了操作力測試，結(jié)果如表3所示。其中，系統(tǒng)誤差影響來源主要包括實(shí)際尾門重力矩誤差、彈簧力值誤差、溫度誤差等。由于測試條件影響，高溫80 ℃開啟力無法測量，而高溫關(guān)閉力設(shè)計(jì)和實(shí)測誤差偏差較大，可能原因是環(huán)境溫度達(dá)到80 ℃而氣彈簧內(nèi)惰性氣體溫度尚未達(dá)到80 ℃。常溫和低溫操作力實(shí)測值與設(shè)計(jì)值基本一致，低溫開啟力太大，死點(diǎn)太高。實(shí)測低溫關(guān)閉速度為1.47 m/s，與計(jì)算值1.43 m/s比較接近。通過現(xiàn)場用戶調(diào)研結(jié)果來看，TCV氣彈簧在低溫下的開啟力和關(guān)閉速度是無法接受的。

表3 TCV氣彈簧方案實(shí)測操作力與設(shè)計(jì)對比

由于復(fù)合式氣彈簧的成本較高，只定制了一套中值復(fù)合式氣彈簧進(jìn)行試驗(yàn)，沒有像理論設(shè)計(jì)一樣考慮極端制造公差，其實(shí)測結(jié)果如表4所示，實(shí)測低溫關(guān)閉速度為0.66 m/s。從實(shí)測結(jié)果來看，復(fù)合式氣彈簧方案的各項(xiàng)操作力都是比較舒適的，其主觀感受高于TCV氣彈簧。

表4 復(fù)合式氣彈簧方案實(shí)測操作力

5 結(jié)論

文中從某溜背SUV車型實(shí)際問題出發(fā)，揭示了3種形式氣彈簧在解決尾門開閉舒適性問題時(shí)的選用原理。以表1為尾門開閉人機(jī)工程學(xué)舒適性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，歸納結(jié)論如下：

(1)氣彈簧形式的選取主要和尾門重力矩相關(guān)，與掛點(diǎn)優(yōu)化無關(guān)；

(2)當(dāng)打開狀態(tài)尾門的重力矩與關(guān)閉力臂比值小于226.9 N，關(guān)閉狀態(tài)下尾門重力矩與開啟力矩比值小于233.7 N時(shí)，采用普通氣彈簧即可；

(3)當(dāng)打開狀態(tài)尾門的重力矩與關(guān)閉力臂比值大于226.9 N但不大于390.7 N，關(guān)閉狀態(tài)下尾門重力矩與開啟力矩比值小于263.9 N時(shí)，采用TCV氣彈簧即可；

(4)當(dāng)關(guān)閉狀態(tài)下尾門重力矩與開啟力矩比值超過263.9 N或打開狀態(tài)尾門的重力矩與關(guān)閉力臂比值大于390.7 N時(shí)，需要采用復(fù)合式氣彈簧。