汽車尾門電撐桿－車身安裝點(diǎn)變形過大的分析

于顯峰 趙兵 喬鑫 劉瑩 陳龍

（1.華晨汽車集團(tuán)控股有限公司；2.華晨汽車工程研究院）

隨著人們生活質(zhì)量的提高和汽車的廣泛使用，人們對汽車使用性能的要求也日益提高。近些年“智能化”技術(shù)在汽車上的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，比如電動(dòng)座椅、電動(dòng)車窗和電動(dòng)尾門等[1]。電動(dòng)尾門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中是否能做到開關(guān)自如，是否滿足不同工況要求，以及能否和主車身協(xié)調(diào)匹配且不會(huì)對車身性能造成影響是比較突出的技術(shù)難題。文章結(jié)合設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際案例，分析了電動(dòng)尾門電撐桿在關(guān)閉過程中對車身安裝位置的影響，通過CAE仿真分析找出了電動(dòng)尾門關(guān)閉過程中，電撐桿－車身安裝點(diǎn)處變形過大的因素，并提出了改善該問題的優(yōu)化方案，為后續(xù)車型的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了參考。

1 汽車電動(dòng)尾門工作原理

汽車電動(dòng)尾門是通過駕駛員操作儀表板上的按鈕、遙控車鑰匙或操作尾門上的開關(guān)按鈕等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)后背箱門系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、電動(dòng)鎖模塊和防夾功能模塊，可實(shí)現(xiàn)手自一體、緊急停止、智能防夾及高度記憶等功能[2]。其中，驅(qū)動(dòng)模塊主要由電撐桿組成，如圖1所示。其一端連接在尾門上，另一端連接在車身上，撐桿通過內(nèi)部的電機(jī)和齒輪驅(qū)動(dòng)螺母螺桿實(shí)現(xiàn)尾門的開閉。

圖1 汽車尾門電撐桿實(shí)物圖

2 電撐桿-車身安裝點(diǎn)變形CAE仿真分析及優(yōu)化

2.1 電撐桿-車身安裝點(diǎn)變形

某車型汽車尾門開啟到最大行程狀態(tài)后，在向下關(guān)閉過程中，發(fā)現(xiàn)電撐桿傳遞到車身安裝點(diǎn)處的壓力較大，造成電撐桿－車身安裝點(diǎn)處部件變形過大，如圖2所示。若長期反復(fù)執(zhí)行此操作，會(huì)存在相關(guān)零件疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響汽車的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖2 汽車尾門電撐桿-車身安裝點(diǎn)

2.2 CAE仿真模型分析

為了分析發(fā)生變形的影響因素以及量化電動(dòng)尾門關(guān)閉過程中車身安裝點(diǎn)處的變形量，需測量問題車型尾門關(guān)閉過程中人對尾門施加的力值。具體測量方法為：將測力計(jì)安裝在汽車尾門鎖鉤處，沿與地面垂直方向向下關(guān)閉尾門，同時(shí)觀察車身安裝點(diǎn)處變形情況，讀出當(dāng)車身安裝點(diǎn)處發(fā)生明顯變形時(shí)的力值并記錄。按此方法，測量出車身安裝點(diǎn)處發(fā)生明顯變形時(shí)人手施加的力為170 N。

采用CAE仿真分析方法，不僅能節(jié)省時(shí)間、降低成本，并且能優(yōu)化建模方法，達(dá)到簡化分析的效果。現(xiàn)根據(jù)實(shí)際狀態(tài)建立仿真初版模型：1）截取部分車身并約束切割邊界全部自由度；2）尾門處于安裝狀態(tài)，并按實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行配重；3）對各零件賦予相應(yīng)的材料信息，使用ABAQUS軟件進(jìn)行分析；4）采用聯(lián)接單元模擬電撐桿；5）對尾門施加荷載，即在尾門鎖鉤中心位置施加-z向170 N荷載，初版模型，如圖3所示。

圖3 某車型部分車身CAE仿真分析初版模型

由于模型帶車身且尾門處于安裝狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，按照以上建模方法，無法直接得出電撐桿－車身安裝點(diǎn)處沿電撐桿方向的位移大小，因此將模型進(jìn)行簡化：1）截取部分車身并約束切割邊界全部自由度；2）正確賦予各零部件相關(guān)材料信息，使用ABAQUS軟件進(jìn)行分析；3）在電撐桿車身側(cè)球頭位置建立局部坐標(biāo)系，在沿尾門開啟到最大行程位置時(shí)的電撐桿方向施加荷載，荷載大小可由尾門的荷載值通過換算得到，數(shù)值為1 065.6 N。簡化模型，如圖4所示。

圖4 某車型部分車身CAE仿真分析簡化模型

2.3 CAE仿真模型優(yōu)化

按上述方法分析，電撐桿車身安裝側(cè)球頭沿電撐桿方向的位移為1.942 mm，如圖5所示。為了更好地說明其變形過大的程度以及進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化，文章對其它現(xiàn)有已上市的車型按上述方法進(jìn)行了計(jì)算，得到電撐桿（或氣彈簧）車身安裝側(cè)球頭位移均為0.6 mm左右，并觀察實(shí)車，發(fā)現(xiàn)在尾門開啟最大角度狀態(tài)下，尾門關(guān)閉過程中，在車身-電撐桿（或氣彈簧）支架安裝位置的車身相關(guān)零件無明顯變形，因此設(shè)定以位移0.6 mm為優(yōu)化目標(biāo)。

圖5 某車型尾門電撐桿-車身安裝點(diǎn)CAE模型分析位移云圖

通過該車型與其它車型的結(jié)構(gòu)和CAE分析結(jié)果對比，可以看出，該車電撐桿支架安裝位置變形過大，主要原因有：1）電動(dòng)尾門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尾門關(guān)閉過程中，電撐桿對車身安裝點(diǎn)處施加力較大；2）車身安裝點(diǎn)處相關(guān)零件結(jié)構(gòu)、聯(lián)接較弱。因此，主要通過更改車身安裝點(diǎn)處零件結(jié)構(gòu)及增加聯(lián)接來優(yōu)化出現(xiàn)的問題。主要更改方案，如圖6所示。

圖6 某車型尾門電撐桿-車身安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

修改電撐桿－車身安裝點(diǎn)處背板結(jié)構(gòu)，并增加背板與側(cè)圍的焊點(diǎn)，如圖6a所示；修改側(cè)圍及流水槽結(jié)構(gòu)，增加側(cè)圍與流水槽之間的焊點(diǎn)，如圖6b所示；修改電撐桿安裝支架結(jié)構(gòu)，如圖6c所示。從按以上優(yōu)化方案進(jìn)行的CAE分析結(jié)果可以得出，電撐桿車身安裝側(cè)球頭位移為0.54 mm，小于0.6 mm，滿足優(yōu)化目標(biāo)要求，即在以上優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，電撐桿－車身安裝點(diǎn)變形在合理范圍內(nèi)，達(dá)到了優(yōu)化目的。

3 結(jié)論

汽車尾門作為車身結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其外部造型，內(nèi)在零部件的剛強(qiáng)度以及匹配度等必須滿足整車性能的要求。設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在保證電動(dòng)尾門自身結(jié)構(gòu)性能和不影響車身整體性能的前提下，實(shí)現(xiàn)尾門的智能化[3]。經(jīng)過CAE仿真模型分析，提出了在背板與側(cè)圍、側(cè)圍與水槽間增加焊點(diǎn)及修改安裝支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，方案可行，使該車型在上市之前解決了電撐桿－車身安裝點(diǎn)變形過大問題，為后續(xù)車型的設(shè)計(jì)提供了參考。