皮卡車引擎蓋開啟支撐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及開發(fā)

皮卡車引擎蓋開啟支撐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及開發(fā)作者：鄭州日產(chǎn)汽車有限公司技術(shù)中心蘇秀榮來源：《智能制造》2018年第2期本文論述了某皮卡車型基于手動撐桿的引擎蓋支撐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計為雙氣動撐桿自動彈起形式而進行的氣動撐桿的選型、布置、安裝加強方案等的設(shè)計，對加裝氣動撐桿后容易使引擎蓋后端翹起而影響整車間隙、面差要求的問題，提前進行了CAE分析預(yù)案，并結(jié)合車輛試制驗證，確定了優(yōu)化方案，避免了整車VES評價的指摘，實現(xiàn)引擎蓋的平穩(wěn)開啟，幫助人手輕松完成開啟動作。一、刖言在汽車行業(yè)日新月異發(fā)展的今天，客戶改變了對皮卡車是“皮實耐用的貨車，注重載貨能力，可靠性和動力性”的看法，不斷地追求更加安全、舒適、環(huán)保及美觀。引擎蓋支撐桿作為引擎蓋開啟支撐的構(gòu)件，不僅要考慮它的功能、強度、耐久、可靠等多項要求，更注重客戶操作輕松、方便、快捷的要求。我司在日產(chǎn)NAVARA的平臺上設(shè)計開發(fā)了一款大皮卡，引擎蓋全新造型，本著以贏得用戶滿意為中心的設(shè)計理念，引擎蓋開啟支撐系統(tǒng)由手動支撐桿優(yōu)化設(shè)計為雙氣動彈簧自動彈起支撐，提升皮卡車的乘用化和客戶使用體驗。二、引擎蓋開啟支撐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計氣動撐桿的形式及規(guī)格選定用于汽車門蓋上的氣彈簧（以下稱氣動撐桿）一般為自由型氣動撐桿（圖1），其主要起支撐作用，只有最短、最長兩個位置，在行程中無法自行停止。安裝布置型式有兩種，一種是正裝型（推起型），門蓋開啟時，氣動撐桿繞車身固定點順時針轉(zhuǎn)動；另一種是反裝型（翻轉(zhuǎn)型），即門蓋開啟時，氣動撐桿繞車身固定點逆時針轉(zhuǎn)動。因反裝（翻轉(zhuǎn)型）所需的安裝尺寸B一般比正裝（推起型）的短，且有開啟力小、氣體壓力變化小、功能壽命長、氣動撐桿支撐力小，與車身和門蓋連接部位強度要求低、門蓋開啟時對鉸鏈的沖擊力小等優(yōu)點，在滿足門蓋開啟角度的前提下，優(yōu)先選用此形式。根據(jù)引擎蓋總成的重量、滿足人機工程要求的最大開啟高度（引擎蓋開啟角度）、鉸鏈軸心位置，初步確定氣動撐桿活動安裝點及氣動撐桿在車身上的安裝點位置，然后根據(jù)鉸鏈點①、重心②、開啟點③（手的位置）、關(guān)閉點④（手的位置）氣動撐桿活動安裝點⑤以及氣動撐桿在車身上的安裝點⑥的坐標（表1），進行氣動撐桿參數(shù)初選型，選型的主要要素為安裝尺寸、支撐力、工作行程等。將氣動撐桿與引擎蓋運動關(guān)系簡化為圖2所示的桿系，其中。為鉸接點；a、b分別為氣動撐桿上、下支撐點；a、b兩點連線為氣動撐桿的安裝尺寸B（即引擎蓋開啟時氣動撐桿的尺寸）°a、b兩點連線s為氣動撐桿的關(guān)閉尺寸（即引擎蓋閉止時氣動撐桿的尺寸），L為引擎蓋開啟時的理論重心仔到鉸接點。的距離（沿擎蓋開方向），P為上支撐點a到鉸接點。的距離（沿擎蓋開方向），M為氣動撐桿到鉸接點的有效力臂。

首先確定氣動撐桿的安裝尺寸，即a和b的位置。根據(jù)最大開啟角度及鉸鏈轉(zhuǎn)動點、重心的坐標可確定L,上支撐點a的位置通常為P=（2/3）L，（也可根據(jù)競品車或?qū)嶋H情況確定，P值若過小，對于相同引擎蓋所需要的氣動撐桿的支撐力就必須增加）確定后需要進行分析驗證，使引擎蓋具有合適的開啟與關(guān)閉力，根據(jù)日產(chǎn)的標準開啟力目標值40N?60N，關(guān)閉力目標值60N+15N確定撐桿最終的安裝位置；氣動撐桿伸展長度及行程確定遵循兩倍的行程+110mmV氣動撐桿的總長度的原則（供應(yīng)商提供）即可確定下支撐點b；根據(jù)氣動撐桿的支撐力與引擎蓋的重力關(guān)于鉸接點的力矩平衡2FM=GL，可以得出：F=1.1（1/2）GL/M（F為單根動撐桿支撐力，G為引擎蓋的重力1.1為安全系數(shù)），可算出支撐力F；目前氣動撐桿在專業(yè)生產(chǎn)廠家均按標準化和系列化設(shè)計生產(chǎn)，結(jié)合主機廠輸入的參數(shù)（表1），通常選擇廠家推薦的規(guī)格及尺寸，經(jīng)布置調(diào)整及驗證選定的主要參數(shù)及式樣如表2及圖1所示。11fi辛+卻長射.據(jù)陽/切E實點壬季，瞌蛀此*C.;白營時■>.J-./5明-0.799毛TA乏成也心ta#打一匕J-f59.2?D.T32.E年.席義學皆0X*-.J-L-■72:7.7.?_M3*.2，.-JOB.1.BS53E.E7^2.0..67G.5?，■耳E步與*#國.占#虹僉Z-T-.jx_ST-Q2.7SS?.7:1.5.為比星魅LI&J72.5FfH/N105gE謝著履J./fr?是魚徑國/nmret3■刑宕?汁.?RSlJiS1W55氣動撐桿的布置氣動撐桿⑴在車體的布置形式為反裝形式（圖3），車體端通過氣動撐桿支架⑵及2個M6螺栓固定在引擎蓋上支撐⑸上的新增撐桿安裝加強板⑷上，（撐桿安裝加強板⑷焊接于引擎蓋上支撐⑸上），另一端（引擎蓋端）通過球頭螺栓連接到引擎蓋內(nèi)板⑹總成上，新增撐桿安裝螺母板⑶焊接于引擎蓋內(nèi)板⑹上。

新設(shè)零件4種：⑴氣動撐桿；⑵撐桿支架，材料為DC01料厚T1.4；⑶撐桿安裝螺母板，材料為SP781BQ料厚T1.4；⑷撐桿安裝加強板，材料為DC01料厚T1.4；設(shè)計變更零件2種:⑸引擎蓋上支撐和⑹引擎蓋內(nèi)板；周邊留用的相關(guān)零件有⑺鉸鏈臂加強板⑻鉸鏈支座加強板、⑼鉸鏈臂、⑽鉸鏈支座、（11）翼子板等。j序TA*典1朝迎同尊11>S0K；￡B.1由80K耳軒后福&罷亍祉.曜>60K尊奸.&柘與械帷河障./mn12』60K2fA-4/向開角A/"U15CK3點大開啟4■-N&3■iG-600KJUt曇閉。/52=<：■=T0K裝配間隙及運動校核氣動撐桿的布置要確保在其動作時與引擎蓋內(nèi)板、翼子板和鉸鏈等周邊零件無干涉，運用CADCATIA軟件中的DMU模塊對氣動撐桿與周邊的間隙及運動進行校核，均滿足標準要求，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

I_Jfc-三、氣動撐桿固定部位加強方案CAE分析1.引擎蓋氣動撐桿支架耐久性能CAE分析為防止與引擎蓋氣撐桿連接相關(guān)零件的耐久破壞，需在設(shè)計階段進行CAE仿真計算，設(shè)計標準規(guī)定引擎蓋開啟關(guān)閉5000個循環(huán)次數(shù)后車體零件不能發(fā)生開裂破壞。分析模型為引擎蓋沖擊模型，包括引擎蓋、前機艙部分骨架、車鎖等部件；具體為：鈑金件采用殼單元，緩沖塊、鎖閂眼和棘輪棘爪采用實體單元，氣動撐桿用彈簧單元模擬。邊界條件：約束連接點SPC=123456；在引擎蓋開啟角度38°，重力場Gz=-9.8m/s2，施加力F=55N的加載條件下，對引擎蓋開閉過程進行仿真模擬，通過開閉過程的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)計算得出相關(guān)件的耐久循環(huán)壽命。圖5?11為CAE分析過程的云圖，表4為分析結(jié)果統(tǒng)計表，仿真分析結(jié)果為相關(guān)的各個零件壽命高于目標值5000次，滿足設(shè)計要求。2.氣動撐桿安裝部位強度CAE分析引擎蓋由手動撐桿優(yōu)化設(shè)計為雙氣動撐桿支撐，引擎蓋閉合狀態(tài)下，連接于引擎蓋內(nèi)板及車體間的氣動撐桿對引擎蓋X向和Z向分別有一個分力存在，如果鈑金強度不足，那么這兩個方向的分力能會使引擎蓋或車體變形進而使其與側(cè)翼間縫隙和面差變大。為此需要計算與引擎蓋開啟關(guān)閉有固定安裝關(guān)系所有區(qū)域的應(yīng)力情況。通過CAE分析計算引擎蓋內(nèi)板、內(nèi)板加強板（撐桿安裝螺母板）、撐桿下支座加強板（撐桿安裝加強板）等部件在氣動撐桿特定角度下受力情況。判斷標準為各個部件所受應(yīng)力小于材料屈服極限。計算引擎蓋全開和全閉兩種狀態(tài)下氣動撐桿固定部位加強件及相關(guān)零部件的應(yīng)力情況，其應(yīng)力狀態(tài)計算云圖如圖12和圖13所示，其物理特性分析及結(jié)果匯總?cè)绫?所示。由CAE分析結(jié)果可知引擎蓋內(nèi)板和引擎蓋后支撐上部應(yīng)力大于屈服極限（NG）但小于抗拉強度，如表6所示，結(jié)合引擎蓋開閉疲勞壽命次數(shù)及經(jīng)驗分析判斷，在該應(yīng)力水平下，若滿足使用次數(shù)要求，則可判斷為ok。四、開發(fā)驗證公司的車型中首次設(shè)計氣動撐桿的引擎蓋支撐系統(tǒng)，缺乏經(jīng)驗，所以雖然設(shè)計方案經(jīng)CAE分析均判定OK但還是聯(lián)合供應(yīng)商及制造、評價部門，對設(shè)計方案同步進行了QuickDR（Designreview）設(shè)計檢討，對可能在開發(fā)過程或生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)的問題進行了預(yù)判，并提前制定對策。其中最擔心的問題是引擎蓋關(guān)閉狀態(tài)下受到氣動撐桿的支撐力，在撐桿安裝點強度不足時，會引起引擎蓋的向前和向上位移，使引擎蓋與翼子板的間隙面差惡化。因此針對氣動撐桿的安裝加強結(jié)構(gòu)設(shè)計了4種優(yōu)化加強方案（圖15）。經(jīng)過CAE分析和樣車試制，選出一個最優(yōu)方案作為備選預(yù)案。主要目的是原設(shè)計方案在S-LOT裝車驗證間隙面差效果不良時，啟動該最優(yōu)方案改善引擎蓋與翼子板的間隙和面差。方案1為將氣動撐桿安裝支架與鉸鏈下支座設(shè)計成為一個一體的零件，材質(zhì)SAPH440料厚3.2mm，從而增強其安裝點的強度和剛度；方案2為在設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，鉸鏈加強板與氣動撐桿安裝支架加強板一體設(shè)計，材質(zhì)DCO1料厚1.6mm；方案3是在方案1加方案2；方案4為在方案1的基礎(chǔ)上將氣動撐桿安裝支架的安裝孔位置向上（Z向）抬高10mm。1.各方案間隙面差貢獻量的CAE分析利用CAE分析軟件HyperWorks軟件中的OptiStruct，對引擎蓋總成分析模型，約束前艙截斷處，模擬引擎蓋關(guān)閉狀態(tài)，施加撐桿力F和重力G的載荷進行X、Z兩個方向的位移分析，X向向前位移為負值，Z向向上位移為正值向下位移為負值。分析過程和結(jié)果如圖15和表6所示。ftltw波捻-他4I9E由表6可知，原設(shè)計方案向前和向上的位移較大，優(yōu)化方案1?2有改善但改善量不大，方案34對間隙面差的改善較大，方案4對面差的貢獻量最大。2.實車方案驗證原設(shè)計方案ET前半段35臺份裝車時，部分車輛發(fā)生了引擎蓋與翼子板間隙和面差的略微超差現(xiàn)象，但VES評價未指摘或指摘為V3（我司標準規(guī)定此缺陷為非專業(yè)人士發(fā)現(xiàn)不了的缺陷，可以不對策），考慮到ET為冬季裝車，因氣支撐的支撐力有隨溫度的增高而增大的特性，所以需進行高低溫驗證，經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)，高溫時引擎蓋后端面差超差較大，為確保產(chǎn)品外觀精致，決定采用優(yōu)化方案4對應(yīng)。方案4的5臺份RP樣件在ET后半段分別進行了裝車和高低溫試驗驗證，間隙、面差得到了很大的改善，室溫下裝車間隙值較原設(shè)計方案的1.7mm，改善了1.1mm；面差值較設(shè)計方案的1.9mm，改善了1.2mm改善效果明顯。同時進行高低溫試驗驗證，測量結(jié)果為：氣動撐桿高溫50°C與20°C相比，間隙增大0.45面差增大0.32，由此看來間隙和面差的變化不算太大，焊裝車間裝調(diào)面差走下差的方法可以補償