史富強，孫敏，俞燕

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

汽車尾門氣彈簧（也稱氣撐桿）系統(tǒng)是保證尾門順利開啟、關閉的關鍵部件之一，一般市場客戶對尾門品質的主觀感受也主要體現(xiàn)在氣彈簧的使用效果上，因此尾門氣彈簧設計布置的合理性，對尾門的開關舒適性和便利性有著至關重要的影響。本文以某SUV車型尾門開啟感受較重的問題為切入點，通過對該問題的整改優(yōu)化，深度整理了尾門氣彈簧布置中影響開關舒適性和方便性的關鍵因素，為尾門氣彈簧系統(tǒng)在后續(xù)車型上的布置設計提供了參考依據(jù)。

1 氣彈簧工作原理

1.1 氣彈簧的定義

氣彈簧是指由一個密閉缸筒和可以在缸筒內滑動的活塞組件及活塞桿組成的以氣體壓強為貯能介質的機構[1]。

1.2 氣彈簧的結構

圖1 氣彈簧組成簡圖

氣彈簧一般由接頭、活塞桿、導向件、活塞系統(tǒng)、缸筒等組成，如圖1所示。在密閉的活塞筒內充入高壓氣體（一般為氮氣），兩邊氣體壓強作用在活塞面，由于兩邊壓強的不同以及有桿腔和無桿腔的截面積差，形成活塞桿的輸出推力[2]。氣彈簧在車身上布置完成后通過伸展及壓縮的運動過程向外輸出力，從而為尾門的開關門操作提供便利。

1.3 氣彈簧布置原理

尾門運動過程中，氣彈簧輸出力 FStay與尾門的重力 G、開啟力FOpen、關閉力FClose環(huán)繞鉸鏈軸線組成力矩關系，如圖2所示。根據(jù)幾何受力關系可知，當尾門氣彈簧輸出力與尾門開關力的力矩之和大于尾門重力力矩時尾門打開，反之關閉。當尾門氣彈簧輸出力的力矩與尾門重力力矩相等時達到平衡狀態(tài)。這時的尾門開啟角度叫平衡角，尾門最下邊緣處的離地高度叫平衡高度，二者體現(xiàn)的是同一個狀態(tài)。

圖2 氣彈簧布置幾何受力示意圖

2 尾門開啟主觀評價感受較重問題分析

2.1 問題描述

某SUV車型市場反饋：尾門開啟主觀感受較重，尤其低溫條件下，尾門打開過程較為困難，開啟感受較差。

2.2 問題分析

通過整改前的氣彈簧布置分析報告及實車情況，重新對氣彈簧F1力值、平衡點、最大開啟力、最大關閉力等布置要素進行分析排查。

2.2.1 尾門開啟位置人機工程分析

（1）整改前，氣彈簧設計輸入?yún)?shù)如表1所示，原方案氣彈簧布置狀態(tài)的氣彈簧F1值為690N，尾門重量為35.5Kg。

表1 整改前的氣彈簧設計參數(shù)輸入表

通過表1的坐標信息，對整車狀態(tài)下的尾門開啟位置進行距離轉換，得到該車尾門開啟點離地高度A達到1140mm（見圖3）。由于開啟點位置較高，不但會導致氣彈簧布置中尾門開啟力臂較短，開啟力變大，同時也會導致比較嚴重的人機工程問題。該車尾門開啟點高度超過50%男性和95%的女性假人肘關節(jié)高度B（見表2），同樣開啟力條件下會感覺用不上力，人機匹配較差。

圖3 尾門開啟示意圖

表2 整改前的氣彈簧設計參數(shù)輸入表

2.2.2 尾門氣彈簧布置匹配分析

（1）常溫 20℃條件下，尾門最大開啟力的推薦值需要滿足F開≤70N，通過表3分析可知，尾門氣彈簧在常溫20℃條件下開啟力為 71.4N，尾門開啟力偏大，導致尾門開啟主觀感受較重；

（2）常溫20℃條件下，尾門開啟平衡點角度為18°，開啟高度約980mm，低溫-30℃條件下，平衡點角度增加到40°，平衡點更高，而且最大開啟力會增加到 86.7N，人機匹配較差，尤其會導致低溫狀態(tài)尾門開啟過程較長，開啟感受較重的問題。

表3 整改前的氣彈簧布置分析報告表

理論分析后，進行實車分析確認。在不同溫度狀態(tài)下，對尾門開啟高度、最大開啟力、最大關閉力、平衡角度（或平衡高度）等布置要素進行實車測量，最終測量結果與氣彈簧布置理論分析報告的結果比較吻合，理論分析結果與實際現(xiàn)狀的表現(xiàn)一致。

因此，綜合以上分析可知，可以確認導致該車開啟感受較重問題的原因按照主次順序可歸結為三點：1）尾門開啟位置較高，2）尾門最大開啟力較大，3）尾門平衡點位置較高。

2.3 整改方案與實施

通過對該車問題三大原因的確認，根據(jù)車輛實際情況及氣彈簧布置特性，分析并制定相應整改措施。

2.3.1 對尾門開啟位置較高的分析整改

尾門開啟位置一般由早期造型決定，實車階段要將尾門開啟位置下調，一般只能通過增加尾門下把手的形式，具體可見圖 4。通過該方案制作手工樣件驗證，尾門開啟位置降到了約 890mm，不但使尾門開啟的人機感受得到大大優(yōu)化，而且通過力矩換算，還使尾門最大開啟力降低了10N左右。但是，該方案的缺點是對造型影響較大，設變量大，整改周期長，費用高。

圖4 尾門開啟位置對比示意圖

2.3.2 對尾門最大開啟力較大及平衡點較高的分析整改

實車階段對尾門開啟力較大整改的最簡單方法是先適當增加氣彈簧F1力值。當把氣彈簧F1力值從690N調整到720N時，常溫條件下尾門最大開啟力僅優(yōu)化了5N左右，尾門最大開啟力并沒有得到有效改善，而且該方法還導致了常溫及高溫狀態(tài)下尾門最大關閉力明顯增加，不能滿足使用要求，所以該方法不可取。

圖5 氣彈簧上支架布置位置示意圖

圖6 氣彈簧上支架球心 點優(yōu)化前后對比圖

表4 整改后的氣彈簧布置分析報告表

因此，改善尾門最大開啟力的問題只能通過優(yōu)化氣彈簧布置點的方法，通過重新選點布置，在使尾門最大關閉力不明顯增加的前提下，盡量優(yōu)化開啟力和平衡點位置。最終該方案通過新開發(fā)氣彈簧上支架來優(yōu)化氣彈簧上球心點位置，同時氣彈簧長度配合更改，縮短約6.5mm（詳見圖5，圖6）。優(yōu)化后的氣彈簧布置報告如表 4，常溫條件下最大開啟力優(yōu)化到52.2N，平衡點角度優(yōu)化到11°，同時高溫與低溫狀態(tài)的開啟力與平衡點都得到明顯改善。該方案設變量相對較小，設變周期短，費用較低，比較容易實現(xiàn)。

2.3.3 方案實施與驗證

綜合以上方案分析，最終采取了通過新開發(fā)氣彈簧上支架的方案來實施整改。同時制作氣彈簧新支架的手工樣件進行實車驗證，最終測得常溫狀態(tài)下，尾門最大開啟力約48N，平衡點約10°（離地高度860mm），使尾門開啟感受較重的問題得到較大改善。

另外增加尾門下把手的方案雖然優(yōu)化效果顯著，也是造成該車尾門開啟較重的主因之一，但是由于對造型影響較大、設變量大、費用高的緣故，該車并未實施，而是將其作為了后備方案，在換代車型上實施。

3 總結

尾門氣彈簧的匹配要想取得理想的效果，設計之初首先要確認好尾門的開啟和關閉位置是否合理，否則實車階段很難整改。同時要反復確認氣彈簧布置報告中不同溫度狀態(tài)下的尾門最大開啟力、關閉力、平衡點等關鍵要素是否合理，要保證各個要素的平衡統(tǒng)一才能使尾門系統(tǒng)有良好的開關舒適性和方便性。因此經(jīng)過筆者多個車型的經(jīng)驗總結，在氣彈簧布置設計時一定要注意以下幾點：

（1）當尾門重量G≥30Kg時，要求尾門開啟點高度680mm≤H≤900mm，推薦700mm～850mm；

（2）當尾門重量G＜30Kg時，要求尾門開啟點高度680mm≤H≤1050mm，推薦700mm～900mm；

（3）當尾門開啟點高度H≥1000mm時，要求尾門最大開啟力F≤50N，如尾門開啟點高度不滿足以上要求，可考慮增加尾門下開啟把手（常溫20℃狀態(tài)）。

（4）當尾門重量G≥30kg時，要求尾門最大開啟力F≤70N，關閉力F≤85N（常溫20℃狀態(tài)）；

（5）當尾門重量G＜30Kg時，要求尾門最大開啟力F≤60N，關閉力F≤75N （常溫20℃狀態(tài)）；

（6）當尾門重量G≥30kg時，要求尾門最大關閉力F≤100N，當尾門重量G＜30kg時，要求尾門最大關閉力F≤90N（高溫50℃狀態(tài)）；

（7）當?shù)蜏?30℃狀態(tài)時，要求尾門最大關閉力F≥20N；

（8）平衡點位置一般小于總開度的 1/4,同時需要盡量滿足平衡點離地高度H≤900mm。

參考文獻

[1] QC/T 207.汽車用普通氣彈簧.

[2] 楊邦安,丁盛,周利民. 汽車實用技術[J], 2016（7）.118～120.