汽車尾門質心測量試驗方法研究

摘 要：為解決設計時，尾門鈑金減薄率、尾門附件重量誤差等使得尾門設計質心與實際尾門質心不符，尾門氣彈簧安裝點布置無法達到最佳布置點，從而導致尾門開關門力與設計狀態存在較大偏差的問題，文章對汽車尾門零件的實際質心的測量方法進行研究，得出使用臺架輔助測量、利用臺架或工具測量整車、解決部分角度測量儀角度測試限制問題三種方法。

關鍵詞：汽車 尾門質心 測量

隨著時代的發展，越來越多人開上了汽車，大家對汽車使用的需求也越來越高，人們對汽車的要求從原來的汽車耐用、實用慢慢升級到汽車需要像手機一樣多功能、智能化、自動化。而汽車的感知也從最初的外造型好看提升至現在的整車零件都需要滿足五感體驗，即形、聲、色、味、觸都需要滿足客戶日益提升的需求。自SUV生產以來，尾門的大空間進出性，存放貨物或行李的便利性一直為SUV的優勢所在。但同樣的，尾門的大小、重量增加了，帶來的尾門開關門力過大也是人們對SUV的詬病所在。文章通過解決尾門質心測量問題改善尾門開關門力與設計狀態存在較大偏差的問題。

1 背景

隨著汽車用戶對汽車使用體驗的要求越來越高，汽車各部位的感知問題都亟須改善，尾門的開關門力一直是汽車用戶抱怨的一個點。

文章設定尾門質心處的力為G，用戶開關門操作力為F1，氣彈簧提供的力為F2，不考慮夾角與摩擦力的情況下，G=F1+F2。當我們需求F1處于一個開關門力舒適區時，必須要求F2能滿足一定的力值。而氣彈簧的F2力值受限于氣彈簧前后布置點，氣彈簧布置點又受限于尾門質心的位置。

在前期設計時，文章統計尾門各個部位的零件進行統計質心、鉸鏈軸線、開關門施力點等用于布置尾門氣彈簧安裝點。但是由于鈑金類零件減薄率等原因，尾門附件實際密度、大小，尾門涂膠等，造成尾門理論質心與尾門實際質心差異較大，從而使得氣彈簧布置點不是最佳布置點，無法達到設計開關門力的要求。因此，我們需要一些方法去測量尾門實際質心，以下三種方法是通過多次驗證得到的結論，僅供大家參考。

2 汽車尾門質心測量方法

2.1 方法1：使用臺架輔助測量

方法1為使用臺架進行輔助測量的一種方法。臺架如下圖1所示。

臺架要求：臺架前端需要有2個測量點，測量點上帶有連接繩或其他固定裝置用于固定尾門鉸鏈，后端至少需要1個測量點，測量點上帶有連接繩或其他固定裝置用于固定尾門鎖或鈑金。測量點上帶有力值傳感器，用于檢測受力情況。各個測量點的繩子或固定裝置要求保證垂直，長度相同，使得尾門相對水平。

尾門要求：尾門要求零件裝配齊全，包括其上的玻璃、鉸鏈、鎖、線束等。

接下來是測量方法。第一步，利用臺秤或其他稱重設備，測量尾門系統的質量m。

第二步，測量尾門質心在測量系統中的X、Y、Z坐標。如圖2示意圖，首先，測量尾門質心Y坐標。兩個人把尾門懸掛在同一水平橫梁的兩個力傳感器的連接繩上，尾門保持不動，使用傳感器測量尾門，根據公式（1），我們推出公式（2）。

式中：G為尾門重力，m為尾門質量，Fa1和Fa2為傳感器F1和F2測量尾門重量時力值的數據，b為兩個傳感器間的距離，y為定義的尾門中心Y軸坐標。

再者，測量尾門質心的X坐標。如圖3所示，將尾門的鉸鏈側懸掛在同一水平的橫梁的兩個力傳感器F1和F2的連接繩上，再把后端測量點的連接繩固定住尾門的尾部固定點，使得尾門位置處于一個水平狀態。

根據海倫公式（3）（4）（5），推出得到公式（6）。我們設此水平狀態下質心的位置為（X，Y，0），根據力矩在X軸上的平衡得公式（7），再根據公式（1），推出公式（8）得出x軸坐標。

式中：S為ABC三角形面積，P為ABC三角形半周長，a、b、c為ABC三角形中邊BC、邊AC、邊AB間的長度，h為點B到邊AC間的直線距離，F1 、F2 、F3分別為A、C、B點傳感器測量的拉力值，G為尾門重力，x為尾門重心X軸坐標。

最后，測量尾門質心的Z坐標。如圖4所示，將尾門的鉸鏈側懸掛在同一水平的橫梁的兩個力傳感器F1和F2的連接繩上，保持尾門靜止狀態下，用激光筆投影測量出e。首先得到公式（9），由相似三角形定理得到公式（10），從公式（10）可以推出公式（11），最后由公式（12）得到Z坐標值j。

式中：f為鉸鏈軸線至尾門下部點的垂直高度，h為尾門鉸鏈軸線至尾門下部點的長度，e為尾門下部點至激光筆投影位置的水平距離，j為鉸鏈軸線至尾門重心的距離，即Z坐標，z為尾門重心至尾門的法向距離，x為尾門鉸鏈軸線與重心到尾門的法向線的距離，F3為圖3中B點傳感器測量的拉力值。

第三步，將測量系統中的尾門質心坐標轉換成整車理論狀態下的尾門質心坐標，即將坐標系中的A、B、C點坐標移動至整車對應點的坐標即可得到真實的尾門質心坐標。

2.2 方法2：利用臺架或工具測量整車

方法2所使用的臺架與尾門要求與方法1一致。方法2是利用臺架或工具測量整車狀態下，不同開啟角度的尾門、不同狀態時的拉力以及角度來計算尾門質心。其原理為在無氣彈簧、尾門密封條、緩沖膠塞、限位器、尾門鎖等作用力影響的狀態下，尾門系統靜止在任意開度狀態時，尾門系統重力力矩與作用在尾門系統上的拉力力矩平衡。

步驟主要分為六步，測量示意如圖5所示。第一步，利用臺秤或其他稱重設備，測量尾門系統的質量m。第二步，利用拉力計分別測量尾門系統2個不同開啟角度α，β時的Z向拉力F1、F2。α與β的角度可用角度測量儀記錄，并且α與β差值盡可能大，減小誤差。第三步，利用UG測量2個不同開啟角度α，β時的F1與F2 對應的力臂S1與S2。第四步，利用前3步的數據可直接計算得出2個不同開啟角度α，β時的尾門系統質心所在的Z向直線1與直線2，綜上及平衡定理可以推出公式（13）與公式（14）。第五步，在UG上將直線1旋轉α與β的角度差，直線1與直線2的交點1即為尾門系統在開啟角度β時的質心位置。最后，在UG上將交點1反轉β角度至尾門系統關閉狀態時即可得到整車狀態下的實際質心位置。

式中：L1/L2為重心到軸線的水平距離，F1/F2為兩個位置拉力計測量的力值，S1/S2為尾門底部到軸線的水平距離，G為尾門重力。

2.3 方法3：解決部分角度測量儀角度測試限制問題

方法3所使用的臺架與尾門要求與方法1一致，原理與方法2一致，相對于方法2的差別是可以解決部分角度測量儀角度測試限制問題。

步驟主要分為六步，測量示意如圖5及圖6所示。第一步，利用臺秤或其他稱重設備，測量尾門系統的質量m。第二步，利用拉力計分別測量尾門系統2個不同開啟角度α，β時的Z向拉力F1、F2。α與β的角度可用角度測量儀記錄，并且α與β差值盡可能大，減小誤差。第三步，利用UG測量2個不同開啟角度α，β時的F1與F2 對應的力臂S1與S2，同時計算β角度下的θ2。第四步，利用前3步的數據可直接計算得出2個不同開啟角度α，β時的尾門系統質心所在的Z向直線1與直線2，參考公式（13）（14）。第五步，在UG上將直線1旋轉α與β的角度差，直線1與直線2的交點1即為尾門系統在開啟角度β時的質心位置。第六步，設θ0為整車狀態下尾門關閉的原始角度，在UG上將交點1反轉（θ2-θ0）角度至尾門系統關閉狀態時即可得到整車狀態下的實際質心位置。需要注意的是，由于正弦函數半波范圍呈現對稱性，θ2存在兩個值，所以測量過程中夾緊測量點不得高于鉸鏈軸線。

式中：θ為鉸鏈軸線與垂直線的夾角，r為鉸鏈軸線至夾緊測量點的距離，S為夾緊測量點至鉸鏈軸線垂直線的距離，θ0為整車狀態下尾門關閉的原始角度。

尾門質心的三種測量方法均可以測量出尾門實際質心位置，如表1所示，我們對比了三種方法與理論狀態下測量的質心，還是有著較大的差異，而我們使用尾門實際質心布置出來的氣彈簧，將能提供更優質的開關門力感知。

3 總結

隨著汽車用戶對感知要求越來越高，汽車尾門開關門力感知也成了我們的一項提升項。為了改善尾門開關門力感知問題，筆者開發了三種測量尾門系統實際質心的方法，每種方法都有自身的優點、不足處、受限點。如推拉力時的穩定性，推拉力時的垂直性，臺架的限制性等。以期在未來能研究出更好的解決方法。

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