李玉虎

行李箱蓋開啟系統(tǒng)研究

李玉虎

（上汽大眾汽車有限公司 樣板中心，上海 201805）

文章針對某個車型行李箱蓋在常溫條件下開啟非常緩慢或者開啟不了的問題，通過對行李箱蓋開啟系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，基于Excel的行李箱蓋的拉力彈簧和氣彈簧的開發(fā)小程序，來構(gòu)建手上作用力與行李箱蓋開啟角度的關(guān)系，找到影響行李箱蓋開啟緩慢的主要因素為拉力彈簧力值以及彈簧力值的公差，拉力彈簧力值的衰減，行李箱蓋彎管鉸鏈稱套的摩擦力矩和行李箱蓋重量及重心，為后續(xù)三廂車型項目在前期的行李箱蓋設(shè)計開發(fā)中提供參考以及解決方法。

行李箱蓋；開啟系統(tǒng)；力學(xué)分析

前言

近年來，汽車行李箱蓋采用了舒適性的開啟方式，其優(yōu)點是通過車鑰匙或者開關(guān)使汽車行李箱蓋實現(xiàn)自動開啟。汽車行李箱蓋開啟系統(tǒng)是行李箱蓋能否順利開啟關(guān)閉的重要系統(tǒng)。開啟系統(tǒng)的設(shè)計以及合理的布置直接影響用戶在使用過程中的舒適性以及安全性[1]。目前汽車行李箱蓋開啟系統(tǒng)的形式有彎管鉸鏈與拉力彈簧、氣彈簧的組合，彎管鉸鏈與氣彈簧的組合，彎管鉸鏈與拉力彈簧的組合，彎管鉸鏈與扭桿彈簧的組合以及四連桿鉸鏈與氣彈簧的組合[2]。其中四連桿鉸鏈與氣彈簧的組合，由于四連桿鉸鏈經(jīng)常被布置在后蓋總成與落水槽之間的濕區(qū)，故當(dāng)四連桿鉸鏈的轉(zhuǎn)軸生銹時，開啟關(guān)閉后蓋非常困難，給消費者帶來極大的不便。本文提到的開啟系統(tǒng)是彎管鉸鏈與拉力彈簧、氣彈簧的組合，研究的問題是針對某個車型的行李箱蓋在開啟過程中行李箱蓋開啟非常緩慢或者開啟不了，造成用戶抱怨。

1 行李箱蓋開啟系統(tǒng)受力分析

1.1 開啟系統(tǒng)工作原理

本文介紹的行李箱蓋開啟系統(tǒng)主要包含如下幾個零部件：左右一側(cè)各一個彎管鉸鏈和各一根拉力彈簧，以及左側(cè)一根氣彈簧，來保證開啟關(guān)閉的舒適性。開啟系統(tǒng)詳細(xì)的布置結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示：

圖1 行李箱開啟系統(tǒng)

當(dāng)行李箱蓋處于關(guān)閉位置時，拉力彈簧為最大伸長狀態(tài)，氣彈簧為最短的壓縮狀態(tài)，當(dāng)用戶使用鑰匙或者開關(guān)解鎖行李箱蓋時，在拉力彈簧和氣彈簧的作用下行李箱蓋自動開啟，該開啟過程中氣彈簧提供推力同時一定的阻尼來保證開啟關(guān)閉的舒適與平穩(wěn)[3]。

用戶在開關(guān)行李箱蓋時，手上的作用力是用來克服行李箱蓋受到的各種力矩之和，包括行李箱蓋的重力矩，拉力彈簧的力矩，氣彈簧的力矩和鉸鏈稱套的摩擦力矩。如圖2所示。假設(shè)行李箱蓋開啟關(guān)閉為勻速運動，可以認(rèn)為在各個瞬時狀態(tài)系統(tǒng)力矩平衡。

圖2 作用力和作用力力臂示意圖

開啟狀態(tài)：

F xL+F xL?F xL?f=GxL（1）

關(guān)閉狀態(tài)：

F xL+F xL?F xL+f=GxL（2）

其中，F、L為拉力彈簧的拉力和拉力的力臂；F、L為氣彈簧的推力和推力的力臂；F、L為手上的作用力和作用力的力臂；為鉸鏈稱套的摩擦力矩；和L為行李箱蓋的重力和重力的力臂。

1.2 手的作用力——力臂

由于是彎管鉸鏈，鉸鏈軸不像四連桿鉸鏈?zhǔn)嵌噍S的，而是單軸的，手上作用力一直垂直于手上作用點和鉸鏈軸的連線，故手上作用力力臂在行李箱蓋開啟關(guān)閉過程中保持恒定不變的。故可以通過鉸鏈軸的坐標(biāo)值和手上作用點的坐標(biāo)值來獲得手上作用力的力臂：

其中，、為手上作用點的坐標(biāo)值；、為鉸鏈軸的坐標(biāo)值。

1.3 重力的力臂

行李箱蓋重力力臂是隨著行李箱蓋開啟角度變化而變化的，如圖3所示。行李箱蓋在開啟關(guān)閉過程中，鉸鏈軸線與重心的距離保持不變。

圖3 重力力臂

圖中為行李箱開啟角度，為行李箱關(guān)閉位置與地平線的夾角。

因此某個時刻的重力臂為：

1.4 拉力彈簧的力臂

拉力彈簧的力臂如下圖4所示：

圖4 拉力彈簧力臂

圖中為行李箱的開啟角度，為行李箱處于關(guān)閉位置時，鉸鏈軸與拉簧車身側(cè)掛點連線與鉸鏈軸與拉簧鉸鏈側(cè)掛點連線的夾角，為鉸鏈軸到拉簧車身側(cè)掛點的距離，為鉸鏈軸到拉簧鉸鏈側(cè)掛點距離。故在某個時刻，力彈簧長度，根據(jù)余弦定理可以得出：

某個時刻拉力彈簧的力臂為：L=sin=sin

同理，cos可以根據(jù)余弦定理在三角形'中求解出。

此時，拉力彈簧的拉力為F=（'0），其中是拉力彈簧的剛度系數(shù)，0為拉力彈簧的供應(yīng)商供貨狀態(tài)，也就是拉力彈簧的自由狀態(tài)。其中：

1.5 氣彈簧的力臂

氣彈簧的力臂如下圖5所示：

圖5 氣彈簧力臂

圖中為行李箱的開啟角度，為行李箱處于關(guān)閉位置時，鉸鏈軸與氣彈簧車身側(cè)掛點連線與鉸鏈軸與氣彈簧鉸鏈側(cè)掛點連線的夾角，為鉸鏈軸到氣彈簧車身側(cè)掛點的距離；為鉸鏈軸到氣彈簧鉸鏈側(cè)掛點距離；為行李箱處于關(guān)閉位置時，氣彈簧處于被壓縮狀態(tài)時的長度。故在某個時刻氣彈簧的長度，根據(jù)余弦定理：

某個時刻氣彈簧作用力的力臂：

L='sin=sin

由三角形的一個外角等于和它不相鄰的兩個內(nèi)角之和，可以得出：=++。

為鉸鏈軸與氣彈簧車身側(cè)掛點連，與某個時刻氣彈簧車身側(cè)掛點與氣彈簧鉸鏈側(cè)掛點連線的叫夾角。由余弦定理可以得出：

2 行李箱開啟的主要影響因素

基于上面章節(jié)對行李箱蓋開啟系統(tǒng)力學(xué)分析，從而構(gòu)建手上作用力與行李箱蓋開啟角度的關(guān)系如下圖6所示。

圖6 開啟關(guān)閉Excel表格

為了計算行李箱蓋開啟力（手上作用力），判斷行李箱蓋開啟功能是否成功。開啟系統(tǒng)Excel表格中需要輸入如下參數(shù)：行李箱蓋的重心（,）；行李箱蓋的重量（包含彎管鉸鏈的動臂）Gew, klappe；鉸鏈的旋轉(zhuǎn)軸心（,）；開啟行李箱蓋時行李箱蓋的手上力的作用點（,）；拉力彈簧車身側(cè)掛點（,）和拉力彈簧鉸鏈側(cè)掛點（,）；氣彈簧車身側(cè)掛點（,）和氣彈簧鉸鏈側(cè)掛點（,）以及鉸鏈稱套的摩擦力矩。從上面輸入的參數(shù)中，可以看出行李箱蓋的重量重心，拉力彈簧力值，鉸鏈稱套的摩擦力矩和氣彈簧力值直接影響行李箱蓋的開啟。

2.1 行李箱蓋重量重心

其中行李箱蓋的重量和重心可以由以下公式計算得到：

11+22+33+?+Mx=M

11+22+33+?+M y=M Dy

11+22+33+?+M z=M Dz

其中1，2，3，…M為行李箱蓋上各部件的重量，1，2，3，x為各部件重心坐標(biāo)值，1，23…y為各部件重心坐標(biāo)值，1，2，3…z為各部件重心坐標(biāo)值，M為行李箱蓋重量（包含彎管鉸鏈的動臂），為行李箱蓋重心的坐標(biāo)值，為行李箱蓋重心的坐標(biāo)值，為行李箱蓋重心的坐標(biāo)值，根據(jù)上面的公式按照圖紙統(tǒng)計各個零部件的重量重心由下面的表1計算可以得出行李箱蓋重心。

表1 行李箱蓋重心計算表格

xyzGewicht/kg Innenteil3 609.640.13646.293.4912 604.850.442 256.84 Aussenteil Oben3 615.830.04748.353.8413 895.620.152 875.90 Aussenteil Unten3 772.790.11511.791.786 711.790.19910.47 ZSB.Schlossverstaerkung3 770.115.66456.320.461 722.942.59208.54 ZSB Scharnier verstaerkung3 532.04?514.64732.980.531 882.58?274.30390.68 ZSB Scharnier verstaerkung3 532.04514.64732.980.531 882.58274.30390.68 Eckverstaerkung3 701.40?171.82656.200.301 106.72?51.37196.20 Eckverstaerkung3 701.40171.82656.200.301 095.6250.86194.24 Scharnierbuegel.L3 226.63?546.61638.401.494 804.45?813.89950.57 Scharnierbuegel.R3 231.82545.71635.241.424 598.87776.55903.95 Emblem3 810.540.00695.860.03125.750.0022.96 Kennzeichnungleuchte,L3 788.92?111.85630.630.0257.97?1.719.65 Kennzeichnungleuchte,R3 788.61118.19630.590.0257.971.819.65 Grifftaster_Kamera3 774.819.84647.110.11430.331.1273.77 Puffer3 747.490.00415.900.03104.930.0011.65 Abdeckung3 787.41?2.20641.820.07272.69?0.1646.21 Schloss3 751.943.53415.820.521 932.251.82214.15 Zierleiste3 812.170.00389.420.10362.160.0036.99 Klein Verkleidung3 688.640.03575.730.983 607.490.02563.06 SBBR Links3 740.85?480.44600.930.712 656.00?341.11426.66 SBBR Rechts3 740.85480.44600.930.632 349.25301.72377.39 Leitung(Links，rechts)3 410.49?83.29671.830.431 466.51?35.81288.89 ZSB HKL3 589.01?6.01638.817.8

從上面的表格可以得知，如果繞著鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)的行李箱蓋重量在前期設(shè)計沒有準(zhǔn)確地考慮，會導(dǎo)致行李箱蓋的重量重心不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致拉力彈簧力值和氣彈簧力值設(shè)計的不準(zhǔn)，最后導(dǎo)致后蓋開啟失效。經(jīng)常容易疏忽的彎管鉸鏈動臂重量2.91 kg如下圖7所示沒有考慮，在行李箱蓋關(guān)閉位置折算成手上作用力為2.6 N如表2所示，安裝在行李箱蓋上的牌照板重量折算到手上作用力也有3.44 N，如表3所示。

表2 行李箱蓋關(guān)閉位置彎管鉸鏈動臂折算成手上作用力

左右彎管鉸鏈動臂手上作用力 力臂/mm53.76592.66 力/N2.9×9.8=28.5182.6

表3 行李箱蓋關(guān)閉位置牌照板折算成手上作用力

牌照板手上作用力 力臂/mm600.172592.66 力/N0.347×9.8=3.43.44

圖7 左右彎管鉸鏈的動臂

表4 行李箱蓋關(guān)閉位置理論重量重心折算成手上作用力

理論重量重心手上作用力 力臂/mm414.151592.66 力/N16.8×9.8=164.64115.1

表5 行李箱蓋關(guān)閉位置實際重量重心折算成手上作用力

實際重量重心手上作用力 力臂/mm414.151592.66 力/N17.8×9.8=174.44121.9

圖8 行李箱蓋理論重量重力矩與實際重量重力矩對比圖

理論的重量重心可以通過重量重心表格1計算得出，實際的重量重心可以通過稱重和通過懸掛法得出，通過表4與表5的對比，實際重量重心與理論重量重心的差距在行李箱關(guān)閉位置會影響手上作用力有121.9?115.1=6.8 N的變化，在行李箱蓋關(guān)閉位置理論與實際重力矩的差值為4 058 Nmm如圖8所示，故重量重心輸入的偏差直接影響行李箱蓋的開啟功能。

2.2 拉力彈簧

由于拉力彈簧力值供應(yīng)過來存在波動范圍，為了測試的方便，故實際測試行李箱蓋開啟時采用名義狀態(tài)下的拉力彈簧力值2=380 N，1=120 N時，如圖9所示，行李箱蓋在整個開啟過程中拉力彈簧力矩都是大于重力力矩，故行李箱蓋能正常開啟。但是拉簧比較容易受到高溫影響，它的力值會衰減，如圖10所示是對拉力彈簧測試的衰減值，故彈簧的衰減值會影響行李箱蓋的開啟，如圖11所示當(dāng)拉簧有熱衰減的時候拉力彈簧的力矩不足以打開行李箱蓋。

圖9 行李箱蓋拉力彈簧力矩與實際重力矩對比圖

圖10 拉力彈簧的熱衰減

圖11 拉力彈簧帶熱衰減力矩

表6 行李箱蓋關(guān)閉位置拉力彈簧衰減15 N折算成手上作用力

一根拉力彈簧衰減15 N手上作用力 力臂/mm95.82592.66 力/N152.5

故控制好拉力彈簧的熱衰減值是使行李箱蓋開啟的關(guān)鍵因素之一，如表6所示，拉力彈簧衰減15 N反映在行李箱蓋上的手上作用力為2.5 N×2=5 N，因此在拉力彈簧生產(chǎn)工藝中保證彈簧的熱衰減值盡量穩(wěn)定盡量小，故在圖紙中定義拉力彈簧在拉伸到2時，拉力彈簧在80攝氏度烘房中熱存放16 h，以此來保證拉力彈簧力值的穩(wěn)定。

拉力彈簧不僅受到熱衰減值的影響，并且還受到拉力彈簧的制造公差的影響，根據(jù)國標(biāo)GB/T 1239.1，彈簧力值制造公差為力值的4%左右[4]，本文彈簧圖紙中拉力彈簧力值范圍為380到13 N，為了抵消彈簧力值公差對行李箱蓋開啟產(chǎn)生影響，在車身上掛彈簧的支架上多開孔來補償彈簧力值的衰減，如下圖12所示，車身上孔位間距為14 mm，拉力彈簧的剛度系數(shù)為1.23，故兩孔之間彈簧的力值為17 N。

圖12 掛彈簧的車身結(jié)構(gòu)圖

2.3 鉸鏈稱套摩擦力矩

由于彎管鉸鏈?zhǔn)窃谲嚿碥囬g已經(jīng)安裝到白車身，然而檢測開啟關(guān)閉行李箱蓋是在總裝車間，因此需要考慮彎管鉸鏈從車身車間經(jīng)過油漆車間到達(dá)總裝車間的鉸鏈稱套摩擦力矩的變化，如表7所示，對彎管鉸鏈進(jìn)行的實驗，通過表7可知，經(jīng)過油漆車間后鉸鏈摩擦力矩變小，把彎管鉸鏈轉(zhuǎn)動的5個位置的力矩求解平均值為1 000 Nmm。如圖13，單個彎管鉸鏈從行李箱關(guān)閉位置轉(zhuǎn)動到開啟位置過程中操作力矩2 000 Nmm。這個彎管鉸鏈的摩擦力矩值在行李箱蓋開啟過程中阻礙行李箱蓋的開啟，在行李箱蓋關(guān)閉過程中，鉸鏈摩擦力矩阻礙行李箱蓋的關(guān)閉。左右鉸鏈稱套摩擦力矩折算到行李箱蓋關(guān)閉位置手上作用力為2×1.7 N=3.4 N。

表7 鉸鏈稱套摩擦力矩變化

Messung車身車間總裝車間 Kraft/NMoment/NmmKraft/NMoment/Nmm 004.751 9002.25900 2505.762 3002.751 100 5005.052 0102.501 000 7505.172 0602.13850 10005.582 2202.8751 150

圖13 鉸鏈摩擦力矩

表8 行李箱蓋關(guān)閉位置鉸鏈摩擦力矩折算成手上作用力

單個鉸鏈摩擦力矩1 000 Nmm手上作用力 力臂/mm 592.66 力/N 1.7

2.4 氣彈簧

為了測試問題行李箱蓋的開啟力屬性，挑選一組名義值下的氣彈簧1=110 N，2=130 N，根據(jù)手上作用力和行李箱蓋開啟角度關(guān)系，做出拉力彈簧力矩，重力矩和氣彈簧力矩，如圖14，得知氣彈簧提供給行李箱蓋的力矩比較穩(wěn)定，保證行李箱蓋開啟過程的平緩，圖15是氣彈簧開啟過程和關(guān)閉過程的力值變化曲線[5-7]，但是氣彈簧受溫度的影響，氣彈簧的工作溫度為?30 ℃到+60 ℃，溫度每變化10 ℃，力值變化3.3%，圖16是行李箱蓋在開啟過程中氣彈簧在?30 ℃、室溫、+60 ℃高溫下的力矩曲線。如表9所示是行李箱蓋關(guān)閉位置氣彈簧力公差15 N折算成手上作用力為1.1 N。

圖14 重力矩，拉力彈簧力矩和氣彈簧力矩

圖15 氣彈簧力值曲線

圖16 氣彈簧力矩

表9 行李箱蓋關(guān)閉位置氣彈簧力公差15 N折算成手上作用力

氣彈簧公差15 N手上作用力 力臂/mm45.03592.66 力/N151.1

3 總結(jié)

通過上文得到的行李箱蓋重力矩，拉力彈簧力矩，鉸鏈摩擦力矩和氣彈簧力矩最終可以得出行李箱蓋開啟力的曲線，如圖17所示是在室溫下，拉力彈簧熱損失之后，拉力彈簧力值上下偏差狀態(tài)下，行李箱蓋的開啟力，圖表顯示在拉力彈簧力值在下偏差的時候，行李箱蓋自動開啟不了，用戶可以考慮將拉力彈簧掛到車身支架的第三孔，兩孔之間的拉力彈簧力值差足以抵消拉力彈簧的下偏差力值，可以解決這個問題。圖18所示是拉力彈簧在熱損失之前，拉力彈簧力值上下偏差狀態(tài)下，行李箱蓋的開啟力，圖表顯示行李箱蓋開啟力都在零線以上，表示行李箱蓋可以自動開啟。

圖17 熱損失后，拉力彈簧上下偏差開啟力曲線

圖18 熱損失之前，拉力彈簧上下偏差開啟力曲線

圖19 氣彈簧在不同溫度下開啟力曲線

如圖19所示，拉力彈簧在熱衰減之后，氣彈簧在不同的溫度下行李箱蓋的開啟力曲線，圖表顯示行李箱蓋的開啟力都在零線以上，行李箱蓋可以自動開啟，并且開啟力的最大值沒有超過30 N，也說明整個開啟過程或者關(guān)閉過程比較舒適，不費力。

根據(jù)手上作用力與行李箱蓋開啟角度的關(guān)系并結(jié)合上文的分析，影響行李箱蓋開啟的因素如下：

（1）前期開發(fā)部門設(shè)計之初預(yù)估的行李箱蓋重量過輕，設(shè)計的拉力彈簧和氣彈簧的力值可能過小，導(dǎo)致行李箱蓋開啟不了，理論重量與實際重量相差1 kg時，折算到行李箱蓋的開啟力相差6.8 N。由于力臂比較長，347 g牌照板重量相當(dāng)于行李箱蓋處于關(guān)閉位置的開啟力為3.4 N。

（2）由于拉力彈簧易受到高溫影響，一根拉力彈簧熱衰減15 N時，相當(dāng)于行李箱蓋處于關(guān)閉位置的開啟力為5 N。拉力彈簧由于受到制造公差的影響，當(dāng)處于下公差時容易導(dǎo)致行李箱蓋開啟不了。

（3）左右鉸鏈稱套會產(chǎn)生2 000 Nmm的力矩，這個力矩折算到行李箱蓋上的開啟力為3.4 N。

（4）?30 ℃到+60 ℃工作范圍內(nèi)，氣彈簧在整個行李箱蓋的開啟過程中貢獻(xiàn)5 000 Nmm到10 000 Nmm的力矩，氣彈簧力值公差15 N折算到行李箱蓋關(guān)閉位置手上作用力為1.1 N。

本文通過對彎管鉸鏈開啟系統(tǒng)的受力分析，分析了重力重心的偏差，拉力彈簧熱衰減及上下公差值，鉸鏈摩擦力矩和不同溫度下氣彈簧的力值對行李箱蓋的開啟影響，為以后的后續(xù)三廂車項目提供參考以及解決方法。

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Research for Trunk Lid Opening System

LI Yuhu

（Pilot Hall Center, SAIC-Volkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805）

In order to solve sedan trunk lid opening slowly problem at room temperature.Through the mechanical analysis of the trunk cover opening system, based on Excel Programm, build the relationship between the hand force and the trunk lid opening angle, find the main factors affecting the slow spring force value and the tolerance of the spring force, the attenuation of the spring force value, the friction moment of the hinge cover and the rear cover weight and center of gravity, to provide reference for the subsequent three-box car project and solutions.

Trunk lid; Opening system; Mechanical analysis

U463.85+9

B

1671-7988(2021)24-57-07

U463.85+9

B

1671-7988(2021)24-57-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.013

李玉虎，就職于上汽大眾汽車有限公司樣板中心。