張有忱，劉迎林，秦 柳，虞華春，楊衛(wèi)民＊

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.寧波格林美孚新材料科技有限公司，浙江 寧波315300；3.汽車塑化裝備制造重點實驗室，北京100029）

0 前言

隨著汽車行業(yè)油耗、安全和環(huán)保三大問題的加劇，汽車輕量化越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視。目前國內(nèi)外汽車制造中輕量化主要采取3種途徑：一是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，二是通過材料替代或采用新材料來使汽車輕量化，三是采用先進(jìn)的制造工藝。新材料主要為鋁鎂合金、高強(qiáng)度鋼和高分子材料，用高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材用于成型汽車零件可減輕80%以上質(zhì)量，是汽車輕量化的重要途徑之一。本文主要介紹高分子材料成型的汽車后備箱蓋設(shè)計流程以及塑料成型后備箱蓋在成型工藝上需要注意的問題。

1 后備箱蓋設(shè)計流程

1.1 汽車后備箱蓋概述

汽車后備箱蓋位于汽車背部，與車身內(nèi)部地板組成后備箱系統(tǒng)，常用鈑金沖壓加工制成，是汽車背部面積最大的組成部分［1］。后備箱蓋常用材料為合金鋼，其密度為7800kg／m3，連接方式多采用焊接，是實現(xiàn)行李箱整體造型效果的基礎(chǔ)框架。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

改用塑料成型工藝加工后，主要選取材料為線形低密度聚乙烯（PE－LLD），密度約為930kg／m3，在選用同一套后備箱模型，且忽略其他零配件制質(zhì)量的前提下，相比鈑金金屬材料后備箱蓋減輕了87%的質(zhì)量。

圖1 后備箱蓋組成Fig.1 Composition of the trunk

汽車后備箱蓋主要組成為：后箱蓋本體、鉸鏈、氣撐桿（也稱支撐桿）、后擋風(fēng)玻璃、鎖扣、緩沖墊。

后備箱蓋的設(shè)計直接影響到整車的密封性、造型和視野等方面，其布置要求符合人機(jī)工程和法規(guī)要求，需要保證與整車外觀協(xié)調(diào)，并滿足本身的技術(shù)要求［2］。

1.2 后備箱蓋樣式選擇

后備箱蓋的樣式一般分為掀背式、雙段式、側(cè)開門式三種類型。掀背式一般特點為整個后備箱蓋和后車窗玻璃是一體的，能夠一起打開，車尾門幾乎垂直。這種后備箱蓋的方式能夠有效減少占用空間，增加汽車靈動性［3］。

本案例中采用的后備箱蓋為掀背式。掀背式后備箱蓋需要借助助力氣撐桿來開啟，當(dāng)開啟后備箱蓋時，撐桿內(nèi)部壓縮氣體膨脹，產(chǎn)生反作用力，繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生力矩來克服重力矩，從而使后備箱蓋開啟。

1.3 后備箱蓋參數(shù)布置

1.3.1 開口寬度

如圖2所示，開口寬度是后備箱蓋開啟時橫向?qū)挾瘸叽?，主要受后備箱造型以及車燈的影響。其波動范圍?yīng)為850～1100mm，開口越寬，后部可以通過的行李尺寸就越大，因此應(yīng)該在保證外觀以及車燈造型的前提下盡量增加開口寬度。

圖2 開口寬度Fig.2 Width of the trunk

1.3.2 門檻高度

如圖3所示，門檻高度是指后備箱蓋關(guān)閉的時候，其底端距離地面的高度，這個高度會影響取放行李的便攜程度。

圖3 門檻高度Fig.3 Height of the trunk

當(dāng)門檻高度過高時，用戶在存放行李的時候需要抬升較高的距離，影響便攜程度；當(dāng)門檻高度過低時，追尾撞擊時將會直接沖擊后箱蓋部分，會對乘客造成安全威脅。

一般設(shè)定門檻高度在550～700mm 之間。此時門檻高度可在用戶存放行李的范圍內(nèi)，同時保證追尾時不會受到?jīng)_擊，確保乘客的安全［4］。

1.3.3 開啟手柄高度

開啟手柄高度是指用戶開啟后備箱蓋的時候使用外力作用點的離地高度，這個尺寸主要受到人機(jī)工程影響。把手位置過高或者過低的時候都會影響用戶操作便攜程度，一般定開啟手柄的高度在600～800mm。

1.3.4 開啟力與關(guān)閉力

開啟力與關(guān)閉力是指用戶在開啟關(guān)閉后備箱蓋時的操作力，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)以及機(jī)械設(shè)計的科學(xué)性方向考慮，開關(guān)門推薦的操作力范圍在50～80N。

1.3.5 開關(guān)運動

背門的開關(guān)運動要由鉸鏈來實現(xiàn)，鉸鏈布置是重點。兩側(cè)鉸鏈軸線應(yīng)共線并平行于水平面，左右鉸鏈安裝位應(yīng)盡量往兩側(cè)靠，不容易變形；鉸鏈應(yīng)該盡量往車身前方布置（盡量靠近頂蓋），增加背門上邊緣與頂蓋的間隙，也有利于頂蓋后部翻遍設(shè)計。

圖4 背門開啟高度Fig.4 Height of the trunk when opened

如圖4所示，背門開啟高度要保證滿足人機(jī)工程要求，開啟后的最低點要高于大多數(shù)人的頭頂，不易傷人。最高點要保證大多數(shù)人的手臂能夠到，據(jù)此決定了后背門的開啟角度。此外，運動過程中的最小間隙3mm以上。

1.3.6 打開狀態(tài)

后背門打開后一般有液壓彈簧撐桿支撐。由于撐桿在白車身上的安裝位置一般是流水槽，而且背門關(guān)閉后撐桿要放置在流水槽中，因此撐桿的布置要結(jié)合車身后流水線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

1.3.7 關(guān)閉狀態(tài)

首先要保證背門密封性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)主斷面反應(yīng)的設(shè)計思想選擇密封條形式，確定背門密封面與車身流水槽邊的距離，從而定義背門的密封面。密封面和流水槽面理論上要求90°，這樣有利于密封。

1.3.8 其他

保證背門正確鎖止的機(jī)構(gòu)是背門鎖，門鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計布置是重點，必須在內(nèi)板設(shè)計的初期考慮鎖和鎖扣的安裝面，以及與密封條安裝面的關(guān)系等。

2 塑料制品成型工藝

2.1 基本參數(shù)

本后備箱蓋材料為PE－LLD，采用旋塑成型工藝制作，具體參數(shù)見表1。

表1 旋塑成型基本參數(shù)Tab.1 The basic parameter of rotary molding

本后備箱蓋外觀參考原有鈑金模型外觀，改用旋塑工藝一次成型［5］。設(shè)定單層壁厚5mm，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，可安裝零件和金屬嵌件。

旋塑制品應(yīng)該在保證其性能要求的基礎(chǔ)上盡量增加厚度，以保證物料充足。以PE－LLD 為例，成型前粉料密度約為成型后材料的1／3，即310kg／m3，要保證成型后沿著模具壁腔形成內(nèi)外雙層制品，即內(nèi)外兩側(cè)都形成5mm 結(jié)構(gòu)的型腔的話，至少需要單層厚度的6倍，即平均30mm 以上的空隙用來存放粉料，考慮到制品有一些較窄區(qū)域，因此應(yīng)在保證后備箱蓋性能的基礎(chǔ)上盡量增加中間空隙距離以保證存放物料能夠滿足成型要求，本制品中中間間隙最厚區(qū)域達(dá)100 mm，能基本保證物料成型要求。

2.2 后擋板形式

如圖5所示，后箱蓋擋板單獨成型，后備箱蓋采用旋塑工藝成型后將擋板部分切割后，進(jìn)行零件裝配，然后與后蓋擋板采用卡槽形式連接。

圖5 后擋板Fig.5 The back baffle

2.3 嵌件形式

將金屬材料裝配到塑件制品中，在達(dá)到溫度臨界值時，線性熱膨脹系數(shù)的差別將導(dǎo)致連接處產(chǎn)生過大的應(yīng)力。減少這些應(yīng)力的方法之一是采用金屬嵌件，在制品成型之前將嵌件預(yù)埋在模具中，使嵌件隨制品一起成型。

在鉸鏈安裝、鎖扣安裝等位置，為了增加安裝的強(qiáng)度，應(yīng)設(shè)計加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在保證自身強(qiáng)度的同時可以使安裝零件的應(yīng)力可以有效的傳遞吸收。同時應(yīng)保證加強(qiáng)件與內(nèi)板的焊接位置不應(yīng)出現(xiàn)在密封面上。

旋塑制品內(nèi)部金屬嵌件多為非標(biāo)五金件，呈乙型結(jié)構(gòu)，其理論尺寸不超過80mm×40mm×4mm，結(jié)構(gòu)形式見圖6。

圖6 乙型五金嵌件Fig.6 Metal insert

后備箱蓋鉸鏈部位采用乙型五金件嵌件形式，如圖7所示。

由于氣撐桿所在側(cè)端部位較窄，乙型五金嵌件會影響物料流動性，因此改用螺栓通孔嵌件形式。

如圖8所示，金屬嵌件剛性螺栓在干涉的條件下被強(qiáng)制裝入塑料制品中，由內(nèi)部擠壓應(yīng)力將其夾住。作用在螺栓外側(cè)的周向拉伸應(yīng)力產(chǎn)生了一個自內(nèi)向外的壓力，稱其為環(huán)應(yīng)力。內(nèi)部嵌件干涉會產(chǎn)生這種應(yīng)力，因此在選定合適的螺栓后，根據(jù)最大干涉量可計算出與螺栓配合的內(nèi)徑尺寸。

圖7 鉸鏈嵌件Fig.7 Metal insert of the hinge

圖8 氣撐桿嵌件Fig.8 Metal insert of the pneumatic spring

最大干涉量為：

式中 Im——最大干涉量，mm

Ds——軸直徑，mm

vb——塑料制品泊松比

vs——嵌件泊松比

Es——嵌件彈性模量，Pa

選定Ds＝12mm；vb＝0.38；vs＝0.31；Es＝206800MPa。幾何因子（G）用來降低計算復(fù)雜程度：

D0——塑料件與嵌件配合的直徑，mm

I——塑料與嵌件配合外徑內(nèi)徑差值，mm

σ——嵌件的最大許用應(yīng)力，MPa

其中，I＝2.54m；Im＝1mm。

根據(jù)公式算得G＝12.89，從而D0＝13.71 mm，σ＝Ds／G［（G＋vb）／G＋（1－vs）／Es］＝17.24kPa，后備箱蓋在開啟關(guān)閉過程中受到氣撐桿最大環(huán)向應(yīng)力為17.24kPa。

3 結(jié)論

（1）利用旋塑成型工藝成型汽車后備箱蓋相比較鈑金件成型方式，質(zhì)量降低了87%；

（2）在汽車后備箱蓋旋塑成型過程中，嵌件形式需要考慮物料流動性、塑料干涉量要求；

（3）本案例中嵌件最大許用應(yīng)力為17.24kPa，即后備箱蓋在開啟關(guān)閉過程中受到氣撐桿最大環(huán)向應(yīng)力為1724kPa。

［1］ 譚能堃，王治杰.SUV 掀背門氣撐桿布置與優(yōu)化［J］.科技傳播，2013，（7）：94－95.Tan Nengkun，Wang Zhijie.Arrangement and Optimization of SUV Hatchback Pneumatic Spring ［J］.Public communication of science technology，2013，7：94－95.

［2］ 安 康，毛春升，盛勇生，等.CATIA 的汽車后背門氣動撐桿參數(shù)設(shè)計［J］.汽車工程師，2010，（6）：30－32.An Kang，Mao Chunsheng，Sheng Yongsheng，et al.Parameter Design of Back Door Pneumatic Lifting Bar Based on CATIA［J］.Auto Engineer，2010，6：30－32.

［3］ 孫宏圖，申國哲，胡 平，等.汽車鎂合金車身設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2009，（7）：4－6.Sun Hongtu，Shen Guozhe，Hu Ping，et al.Design on the Magnesium Alloy Car Body［J］.Mechanical Manufacturing and Automation，2009，（7）：4－6.

［4］ 杜子學(xué)，郭慶祥.微型轎車后備箱人機(jī)工程評價［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，（1）：152－156，165.Du Zixue，Guo Qingxiang.Ergonomic Evalauation of Car Luggage Compartment［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2011，（1）：152－156，165.

［5］ 王守峰.汽車行李箱門成形工藝數(shù)值模擬的應(yīng)用和研究［D］.成都：西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2007.