陳 濤

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804）

隨著汽車行業(yè)的競爭越來越激烈，客戶對感知和智能要求也越來越高，許多新技術(shù)、新功能也越來越多的應(yīng)用在汽車上。其中尾門翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)作為尾門開啟的重要零件，提供了打開尾門的一種新方式。同時(shí)還承擔(dān)尾門裝飾件的作用，給人高品質(zhì)、高科技的感覺。本文主要介紹尾門翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置。

1 尾門翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)系統(tǒng)簡介

尾門開啟機(jī)構(gòu)系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng) logo做尾門裝飾件的單一功能，通過按壓logo翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)打開尾門。該機(jī)構(gòu)成為整車的一大亮點(diǎn)，尾門開啟機(jī)構(gòu)原理圖，如圖1所示。

2 翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)基本定義

翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)在尾門開啟中實(shí)現(xiàn)的功能方式：

（1）尾門打開時(shí)，翻轉(zhuǎn)LOGO蓋板，觸發(fā)微動開關(guān)，微動開關(guān)給BCM一個(gè)信號，BCM將信號給尾門鎖電機(jī)，將鎖體打開。

圖1 尾門開啟機(jī)構(gòu)原理圖

（2）翻轉(zhuǎn)LOGO蓋板作為把手，可以開啟尾門總成。

3 翻轉(zhuǎn)LOGO開啟機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)翻轉(zhuǎn)LOGO開啟機(jī)構(gòu)的功能，可以簡化為相應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)：

（1）機(jī)構(gòu)的開啟觸發(fā)角度；

（2）機(jī)構(gòu)的開啟最大角度；

（3）機(jī)構(gòu)的開啟力值；

（4）接插件pin腳定義；

按設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)展開翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)基本尺寸確認(rèn)

在造型數(shù)據(jù)中，初定開啟機(jī)構(gòu)的中心平面和安裝面，建立基本坐標(biāo)。關(guān)鍵校核是否滿足突出物法規(guī)，在LOGO蓋板的對稱面內(nèi)，做出蓋板的基本特征。

3.2 斷面設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性分析，斷面布置中尤其需注意：

翻轉(zhuǎn)LOGO蓋板的旋轉(zhuǎn)中心確立。理論上旋轉(zhuǎn)中心離外板越遠(yuǎn)，位置越高，對扭彈簧的布置有利，但須留給曲軸和扭力彈簧布置空間。同時(shí)要考慮X向蓋板必要的料厚以及根部強(qiáng)度。斷面示意圖，如圖2。

圖2 斷面示意圖

3.3 固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)在定義裝配和定位方式時(shí)，須考慮鈑金成形性、裝配性、方便性、安裝固定結(jié)構(gòu)可靠性。將開啟機(jī)構(gòu)底座設(shè)置2個(gè)主定位銷，3個(gè)固定點(diǎn)。固定結(jié)構(gòu)及定位簡圖，如圖3。

圖3 固定結(jié)構(gòu)及定位簡圖

3.4 人機(jī)工程

翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)作為外拉手要滿足人機(jī)工程規(guī)定的尺寸和操作空間、操作方便性要求。根據(jù)用戶感知質(zhì)量的分析，開啟系統(tǒng)較為重要的用戶感知項(xiàng)如下：

1）翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的開啟高度H；

2）開啟解鎖角度；

3）開啟角度；

4）開啟操作力值（開啟的舒適性直接反映）。

除了以上感知，翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)還需帶有手指保護(hù)特征，扣手處的表面處理等感知。

3.4.1 開啟解鎖角度

開啟解鎖角度即按壓翻轉(zhuǎn)蓋板轉(zhuǎn)動一定角度觸發(fā)微動開關(guān)解鎖，根據(jù)人機(jī)開啟行程在翻轉(zhuǎn)角度為25°時(shí)是較舒適角度。該角度設(shè)置為開啟解鎖觸發(fā)角度。開啟解鎖角度圖示，如圖4。

圖4 開啟解鎖角度圖示

3.4.2 開啟角度

開啟角度即開啟機(jī)構(gòu)開啟一定角度時(shí)，手向上拉開尾門時(shí)的角度。根據(jù)人手模擬開啟狀態(tài)，開啟行程在翻轉(zhuǎn)角度為40°時(shí)是較舒適角度。人手模擬開啟狀態(tài)，見圖5。

圖5 人手模擬開啟狀態(tài)

3.4.3 開啟操作力

開啟操作力即按壓力，按壓力是向車內(nèi)施加的力值，這個(gè)過程是很直觀的感受。要滿足手感、操作力和聲音品質(zhì)要求。根據(jù)分析定義該處按壓力在10～15N。該力通過扭力彈簧來執(zhí)行。初始和最終位置的彈簧力必須有明確定義，彈簧在開啟機(jī)構(gòu)處于完全自由位置時(shí)彈簧要有預(yù)壓力。彈簧不能直接與金屬運(yùn)動接觸，防止產(chǎn)生異響，需在轉(zhuǎn)軸上增加塑料軸套。選定彈簧材料，根據(jù)扭簧公式可以算出扭簧參數(shù)。彈簧圖示，見圖6，7。

圖6 彈簧圖示

其中：d=線徑；D=中徑；P=負(fù)載；n=有效圈數(shù)；L力臂長度；E=材料彈性模量；α=負(fù)載作用時(shí)的角度量

圖7 彈簧圖示

其中T1：初始狀態(tài)的力矩（預(yù)壓縮20°）；T2：開啟25°時(shí)的力矩，T3：開啟40°時(shí)的力矩。

3.5 接插件定義及微動開關(guān)布置

根據(jù)接插件信息要求(外形尺寸、電器要求、環(huán)境條件、工作使用壽命等)選定接插件為 2pin的標(biāo)準(zhǔn)接插件和微動開關(guān)。其中微動開關(guān)盡量布置在與軸線垂直處，便于制造公差的精度控制。微動開關(guān)布置及開關(guān)參數(shù)圖示，見圖8。

圖8 微動開關(guān)布置及開關(guān)參數(shù)圖示

3.6 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖9 尺寸鏈分析圖示

F1：基準(zhǔn)面到開關(guān)總成安裝面距離；

F2：開關(guān)總成安裝面到開關(guān)觸點(diǎn)距離；

F3：基準(zhǔn)面到基座孔中心距離公差；

G：轉(zhuǎn)軸和翻轉(zhuǎn)蓋板凸輪中心的間隙公差；

F4：翻轉(zhuǎn)蓋板凸輪中心至凸輪表面的距離公差。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，25°觸發(fā)開關(guān)位置，40°的極限開關(guān)位置，確定凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形狀。同時(shí)在機(jī)構(gòu)開啟過程中，凸輪觸發(fā)的角度，都需要合理公差來保證。對影響尺寸鏈的相關(guān)因素進(jìn)行考慮。尺寸鏈分析圖示，見圖9。

（圖中箭頭方向只用于表示尺寸鏈累積路徑，并無方向性）

尺寸鏈的計(jì)算按照封閉環(huán)公差計(jì)算，采用統(tǒng)計(jì)公差的方式：

計(jì)算結(jié)果分布累積接近正態(tài)分布，其中取k0=1，1維尺寸鏈傳遞系數(shù)ζ均為1(無杠桿放大縮小效應(yīng))；當(dāng)ki取1.73，遵循6σ原則。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)定零件關(guān)鍵部位的公差。

3.7 密封防水設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)密封防水是非常重要考慮因素，不能有漏水漏氣的狀況，翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)和鈑金固定處須有密封件以防止空氣和水的進(jìn)入。并在微動開關(guān)處進(jìn)行灌膠工藝密封，達(dá)到IP5K3防水等級。密封結(jié)構(gòu)視圖，見圖10。

圖10 密封結(jié)構(gòu)視圖

3.8 開啟濫用力

手握翻轉(zhuǎn)蓋板向上開啟尾門，在尾門鎖未解鎖時(shí)誤操作，此時(shí)力大于正常開啟力。須定義安全強(qiáng)度，避免受力過大會造成零部件的破壞。

表1為20-30歲青年男女身體主要部位肌肉所產(chǎn)生的力。

表1 男女肢體力范圍

根據(jù)表選定青年男性右手手臂力390N，考慮安全的設(shè)計(jì)余量，取安全系數(shù)Z = 1.3，得出開啟濫用力為約為500N。

3.9 緩沖及限位設(shè)計(jì)

為了避免翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回位或按壓時(shí)產(chǎn)生主觀的異響，翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上必須設(shè)計(jì)緩沖塊結(jié)構(gòu)，緩沖塊的材料一般為橡膠或者等效材料，邵氏硬度 50±5，緩沖塊與底座應(yīng)設(shè)計(jì)為平面接觸，緩沖塊不僅起到緩沖降噪作用，而且還有正向和反向限位作用，用于回位和按壓到極限狀態(tài)的限位。緩沖結(jié)構(gòu)視圖，見圖11。

圖11 緩沖結(jié)構(gòu)視圖

4 CAE仿真分析

翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)塑料件較多，為了驗(yàn)證其可靠性，需要進(jìn)行CAE分析各個(gè)零部件的強(qiáng)度，以滿足設(shè)計(jì)的需求。主要考察翻蓋、底座、翻轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度。

4.1 防盜強(qiáng)度分析

圖12 正、反向力施力示意圖

正、反向力F=1000N的力值，針對防盜設(shè)值的力值，防止偷車者借助工具，從車的外側(cè)直接破壞機(jī)構(gòu)，應(yīng)保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。模擬1000N力的工況下，保證各個(gè)功能件在這種情況下，依然能夠保持完好。正、反向力施力示意圖，見圖12。

根據(jù)上述工況CAE結(jié)果可以分析出結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，在薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。CAE分析結(jié)果，見圖13。

圖13 CAE分析結(jié)果

4.2 開啟濫用力分析

開啟濫用力主要是在翻轉(zhuǎn)40°時(shí)的工況（施加500N的力），進(jìn)行CAE分析，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文主要討論翻轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，通過對系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的指標(biāo)，尺寸鏈的計(jì)算，密封工藝的設(shè)計(jì)、CAE強(qiáng)度分析等一系列的開發(fā)工作，對零部件設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在設(shè)計(jì)開發(fā)中，采用上述方法可以更科學(xué)系統(tǒng)地進(jìn)行零部件的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 田樹濤.人體工程學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2012:37-126.

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[3] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員.GB/T 5847-2004尺寸鏈計(jì)算方法.