汽車側開尾門系統開發關鍵技術研究

施華灘 李秋娟 韋逢義

摘 要：汽車側開尾門系統由于其具備懸掛備胎及其它物品（如自行車等）特殊功能及能滿足不同身高人群對尾門開門高度要求的特性，被越野型SUV廣泛采用。但其懸掛備胎的功能使尾門總成負重更重，對側開尾門系統的垂直剛度是個很大的挑戰。本文介紹了側開尾門系統的特點及主要設計特征，闡述側開尾門的總體開發思路及設計策略，并對側開尾門系統開發的關鍵技術進行研究。

關鍵詞：側開尾門 鉸鏈布置 垂直剛度

Abstract：The side tailgate system of automobiles is widely used by off-road SUVs because of its special functions of suspension spare wheel and other items （such as bicycles， etc.） and can meet the requirements of people of different heights for the height of the tailgate opening. However， the function of the suspension spare wheel makes the tailgate assembly heavier， and the vertical stiffness of the side opening tailgate system is a big challenge. This paper introduces the characteristics and main design features of the side opening tailgate system， explains the overall development ideas and design strategies of the side opening tailgate， and studies the key technologies of the side opening tailgate system development.

Key words：side opening tailgate， hinge arrangement， vertical stiffness

1 引言

汽車側開尾門系統因其獨特的開啟方式相比傳統上翻尾門有很多優點，如外部可以懸掛備胎等物品，內部飾板可以懸掛應急工具包等；側向開啟不受開啟高度限制更適合不同身高人群使用，特別適用于中大型越野型SUV，在細分市場上取得了不俗的銷量。

側開尾門系統因其具備懸掛重物的特性，相對傳統的上翻尾門、鉸鏈側門有更惡劣的使用工況，技術難度也更大，主要技術難點為：（1）具有更高的垂直剛度；（2）側開尾門系統接近90度的大開度；（3）整個尾門總成的重量（含額外負重）50kg以上，開關門限位方式及能量的計算是個新挑戰。本文主要介紹側開尾門系統的特點及主要設計特征，提出了側開尾門系統的總體開發思路及設計關鍵策略，實現了全新側開尾門系統的創新開發。

2 系統主要構成

側開尾門系統主要包括以下子系統，如圖1所示：（1）鈑金系統（包括內外板及各類加強板）；（2）側開尾門約束系統（包括鉸鏈、鎖、緩沖膠塞、Z向限位器、開度限位器等）；（3）備胎系統（包含備胎、備胎安裝支架、備胎鎖等）；（4）密封系統（包含擋風玻璃、密封條）；（5）裝飾件（包含擾流板、外飾板、內飾板）；（6）電子系統（包含線束、高位制動燈燈等）。

3 系統開發關鍵技術

3.1 系統集成設計

（1）滿足整車內外飾造型、尾門開度、門洞大小等要求的總體布置，主要包括：約束系統的布局；密封面走勢；分縫走勢；備胎安裝位置；尾門開度及其運動包絡；功能件的布置，如外開把手、尾門鎖執行器、Z向限位器、開度限位器等。

（2）側開尾門關鍵性能參數確定：如關門能量、最大開啟角度等；

（3）側開尾門的關鍵剛度性能確定：如垂直剛度、扭轉剛度、窗框剛度等。

（4）建立側開尾門靜態約束模型。相對側門，側開尾門因其承受更大的重量（備胎）及汽車尾部更大的重力加速度，需要在鎖側設立Z向限位器，以避免鎖扣被過度磨損而斷裂失效。

3.2 開啟方向設計

關于側開尾門的開啟方向，目前市場上往左、往右兩種都有，從調查數據來看，往右開啟更主流，結合如圖2使用場景看，向右開啟的尾門在取物品時能更好觀察到旁邊車道的后方來車，安全性更好。基于對標數據及使用場景分析，建議選用向右開啟的方式。

3.3 鉸鏈布置設計

側開尾門開啟運動包絡分內旋和外旋兩種，內旋即在開啟過程中，門的分縫線往內旋轉；外旋即在開啟過程中，門的分縫線往外旋轉。

鉸鏈布置選擇主要根據尾門造型A面來做選擇，如圖3，造型A面上下鼓中間凹的情況適合布置內旋鉸鏈；如圖4，中間位置相對上下位置鼓出的情況，用局部外露式外旋鉸鏈可以大大減小周邊零件的避讓尺寸；如圖5，造型A面很平整，可以布置內旋鉸鏈也可以布置大部分外露式的造型平整的外旋鉸鏈，這種情況可以根據造型的需求來做布置，但鉸鏈外露量要滿足國標GB11566《乘用車外部凸出物》的中5.6.1要求。公司某車型尾門造型A面中間位置相對上下位置鼓出，如圖4所示，故選用鉸鏈局部外露式外旋鉸鏈。

3.4 開度限位設計

3.4.1 限位器類型選用：

尾門是放置行李、物品的重要通道，開度接角于90度，且在放置物品過程中尾門不能自關，因此需要開度限位器。目前市面上主要有三種開度限位方式。根據成本、尾門重量、車子定位等要求進行選用，公司某車型的側開尾門尺寸較小，整個尾門總成小于40kg，故選用了成本較低的側門式限位器。

3.4.2 限位角度設計

通過設定三種使用場景進行人機模擬分析及實車體驗感受最終確定了三個擋位的設計，圖6所示是三種不同使用場景不同開度尺寸的人機模擬。

3.5 關門能量設計

關門能量的影響因素與側門相似[1]，受整車氣阻、密封件耗能、車門重力自關助能等因素影響。關門能量的分析方法參考側門的分析方法進行，其中整車氣阻、密封件耗能、鉸鏈耗能、門鎖耗能、限位器助能等與側門一致，本文主要對門的重力自關助能進行設計分析。

尾門總成的重力自關助能主要由尾門總成的重量M，尾門門總成的質心位置及尾門總成的質心抬升量h決定。本文只對門總成的質心抬升量h進行設計分析。尾門總成質心抬升量h由鉸鏈軸線傾角決定，鉸鏈軸線向正X向（下文定義為前傾）或負Y向傾斜（下文左傾），開門過程中尾門總成的質心是向上抬起的。尾門總成質心抬升效率：前傾＞左傾，設計時優先考慮前傾。不管是前傾還是左傾，角度一般都要控制在3度以內。

在滿足最小關門速度在xx m/s及人手施加的能量小于xx J的條件下，經過關門耗能分析，尾門總成的重力自關助能（Wg）要達到xx J，其計算公式為：Wg=Mgh，其中M為尾門總成的重量，h為尾門總成重心抬升量，如圖7所示，其計算公式為△h=cosθ0-cosθ，其中θ由限位器關門一擋位置所確定。然后再根據圖8中的公式[2]計算出鉸鏈軸線傾角。式中的α1為左傾角，β1為前傾角?；谠煨图百|心抬升效率考慮，α1設為0°，根據公式算出β1至少為2.93度，最終設計采用前傾，β1=3°。

3.6 靜態剛度性能設計

3.6.1 確定性能目標

跟側門相似，側開尾門剛度性能方面主要考察垂直剛度、扭轉剛度、窗框剛度、模態等。側開尾門因其使用頻率和受到的重力加速度與側門有所不同，其性能要求應結合側門及上翻尾門的工況進行設定。

3.6.2 結構設計

側開尾門的本體鈑金系統一般由尾門外板、尾門內板及多個加強板通過焊接及包邊工藝組合而成。其主要性能指標主要有垂直剛度等。其中垂直剛度是所有性能指標的基礎。在側開尾門結構設計中，尾門外板受造型影響大設計空間小對性能也起不到決定性影響。而尾門內板、尾門鉸鏈加強板及尾門窗框加強板的結構對垂直剛度影響最為顯著。拓撲優化[3]方法可輸出滿足性能的受力云圖，根據受力云圖確定尾門內板加強筋的走向及加強板的布置。在滿足造型要求、儲物空間要求、密封面及功能件（尾門鉸鏈、緩沖膠塞、后擋風玻璃及鎖總成）安裝要求后，建立內板的3D模型。在此基礎上，運用拓撲優化方法，以垂直剛度為目標，以體積為約束，使用OptiStruct 軟件，快速找出對垂直剛度最優的的尾門內板結構。拓撲優化結果如圖9所示，其中紅色代表高應力區域，需要做強化處理；藍色區域代表低應力區域，對尾門性能的影響極小，可做挖空減重處理，實現輕量化要求。

根據應力云圖可知，尾門內板應力集中區域主要位于鉸鏈安裝區域、鎖安裝區域及窗臺位置。在鈑金結構設計過程中，參考受力云圖及滿足其它區域的設計輸入，最終設計的結構如圖10所示。

3.6.3 剛度性能分析

側開尾門總成需進行剛度分析[4]，分析方法按照傳統側門的分析方法進行。其中主要性能垂直剛度分析方法及工況如圖11所示。在完成有限元網格劃分后，將上下鉸鏈作為約束點，在鎖嚙合點處設定一定的加載力，得出彈性及塑性最大位移量以及最大應力區域，將結果與設定的目標值對比，不滿足項需對材料、結構設計優化。

4 系統驗證

側開尾門系統的耐久性試驗通過外開把手解鎖，在常溫、高溫、高濕以及低溫環境下，分別以中、高、低及濫用工況（較大速度開關門）四種關門速度進行開關門試驗，試驗過程中除對系統耐久性進行考核外，一定數量循環后，限位器的檔位力、膠條的密封性能等應包括在內。經過上述試驗驗證，全新開發的側開尾門系統滿足了可靠性及穩定性使用要求，實現了側開尾門開發從0到1的突破。

5 結語

側開尾門系統開發的核心是鉸鏈布置、開度設計、開啟限位方式設計、垂直剛度等剛度性能設計、疲勞耐久設計等。通過對側開尾門理論研究和多種虛擬工具運用到全新側開尾門系統構架的前期開發中，實現了造型、運動空間、力學性能、輕量化的綜合優化。針對側開尾門系統運動干涉、耐久下垂、跑壞路限位器異響、焊點開裂等問題，前期可通過力學模型以及仿真分析探測和預防。

參考文獻：

[1]張孟俊等.轎車側門系統關門能量研究與測試裝置開發，汽車技術，2014，第11期（P11-P16）.

[2]陳緩等.車門開閉感評價與優化，汽車技術，2014，第8期（P13-P19）.

[3]周克民.結構拓撲優化的一些基本概念和研究方法[J]. 力學與實踐，2018，第40 卷

[4]韓旭.基于剛度和模態性能的轎車車身輕量化研究[J]. 汽車工程.2007（29）.

作者簡介

施華灘：（1986.07—），本科，中級。研究方向：汽車開閉件系統開發、鈑金結構設計。

李秋娟：（1987.10—），本科，初級。研究方向：汽車車燈等零部件電子系統設計。

韋逢義：（1988.08—），本科，初級。研究方向：汽車開閉件系統開發、鈑金結構設計。