張建國，朱煒昱，袁航

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

目前市場上主流車型的尾門按大小分為三廂車尾門和兩廂車尾門；按照開啟方案分為自動開啟和手動開啟?？紤]到成本、銷量以及尾門啟閉設計的復雜性，本文作者論述對象定義為兩廂車手動開啟尾門。這種車型的尾門在開啟和關(guān)閉過程中通常需要使用氣彈簧助力，布置方案也更加復雜，涉及到后部車身結(jié)構(gòu)、各功能模塊位置、安裝空間、后部人機尺寸等諸多方面。這些因素相互影響、密不可分，涉及到零件眾多?；谌藱C工程對汽車尾門進行總布置方案設計，可以有效避免產(chǎn)品后續(xù)出現(xiàn)尾門開啟力或者關(guān)閉力過大、開啟行程過高或者過低、后風窗玻璃黑邊寬度過大等問題。

1 汽車尾門啟閉力的人機要求

1.1 汽車尾門布置方案運動學簡化模型

汽車產(chǎn)品豐富多樣，尾門大小形狀也都不盡相同。首先為闡述尾門啟閉操作便利的人機要求，對兩廂車尾門進行運動學模型簡化，如圖1所示。

在簡化模型中，引入了顧客關(guān)心的開啟力和關(guān)閉力的概念，開啟力和關(guān)閉力不是同時存在的。在尾門緩慢打開和關(guān)閉的過程中，建立的力矩矢量平衡方程[1]如下：

∑Maxis=0=FG×hG+FSping×hSping+FHand×hHand

式中：FG為汽車尾門重力；hG為汽車尾門重力臂；FSpring為氣彈簧的撐力；hSpring為氣彈簧撐力的力臂；FHand為尾門開啟及閉合過程中顧客手部施加的力；hHand為尾門開啟及閉合過程中顧客手部施加力的力臂。

圖1 兩廂車尾門運動學簡化模型

1.2 汽車尾門啟閉力值曲線

為研究尾門啟閉力特點，根據(jù)尾門運動學簡化模型和力矩平衡方程，找到開啟角度和用戶手部施加力值這兩個參數(shù)之間的關(guān)系式，以尾門開啟角度為橫坐標，用戶手部施加啟閉力的大小為縱坐標，建立尾門啟閉力值曲線。圖2所示為某兩廂車尾門啟閉力值曲線。其中，尾門關(guān)閉狀態(tài)下的開啟角度為0，手部施加力的“0”刻度線以下表示此時不再需要對尾門施加額外的啟閉力，即此時尾門可以自動啟閉。

圖2 某兩廂車尾門啟閉力值曲線

由圖2可以看出，不同曲線分別描述尾門在不同溫度下開啟或者關(guān)閉過程。由于尾門氣彈簧通常是以高壓氣體或者油氣混合物作為工作介質(zhì)[2]，因此，尾門的啟閉力值曲線對于溫度比較敏感。氣彈簧設計時的工作環(huán)境溫度是-30～80 ℃[3]，與溫度相關(guān)的特性參數(shù)可由供應商提供。不同環(huán)境溫度下得到的尾門啟閉力值曲線是不同的。例如，曲線2是在20 ℃環(huán)境溫度下的關(guān)閉力值曲線；曲線6是在-10 ℃環(huán)境溫度下的開啟力值曲線。通過圖中各曲線可以看出：高溫時尾門的關(guān)閉力較大，而低溫時尾門的開啟力較大。不同車型汽車尾門的啟閉力值曲線是不同的，但是通過啟閉力值曲線所反映出來的人機要求是大同小異的。

1.3 汽車尾門啟閉力優(yōu)先級人機要求

1.3.1 第一優(yōu)先級要求

第一優(yōu)先級人機要求是要防止尾門在低溫環(huán)境下開啟后自動落下砸到用戶。因此，要求尾門在低溫-30 ℃環(huán)境溫度下開啟后要有一定的保持力，保證尾門的開啟狀態(tài)而不會自動落下。曲線1尾門完全打開時，所需要的手部關(guān)閉力值應該不小于20 N。

1.3.2 第二優(yōu)先級要求

第二優(yōu)先級人機要求是要保證啟閉力值曲線具有合適的關(guān)閉能量。圖2中的陰影面積表示的就是20 ℃環(huán)境下尾門的關(guān)閉能量。關(guān)閉能量過小意味著尾門解鎖后有意外提前開啟風險；關(guān)閉能量過大意味著尾門開啟力及開啟力行程較大，打開困難。通常低溫時尾門的關(guān)閉能量較大，高溫時尾門的關(guān)閉能量較小。根據(jù)中國的環(huán)境溫度狀況，在優(yōu)化后蓋啟閉力值曲線時應該著重考慮曲線1和曲線3，保證-30 ℃和60 ℃的關(guān)閉能量適中，防止車輛在寒冷的北方尾門開啟困難，或者在曝曬環(huán)境下尾門過易開啟。

1.3.3 第三優(yōu)先級要求

第三優(yōu)先級人機要求是盡量減小最大關(guān)閉力，并且使關(guān)閉力由大到小變化，盡量不出現(xiàn)峰值，通常高溫時的最大關(guān)閉力較大。結(jié)合中國環(huán)境溫度，需要著重考慮20 ℃下的啟閉力曲線2，建議常溫20 ℃下的關(guān)閉力不超過60 N，否則會在日常使用中感覺關(guān)閉尾門困難。由圖2可以看出：80 ℃的關(guān)閉力曲線出現(xiàn)了峰值，意味著此環(huán)境下，顧客關(guān)閉尾門初始階段用力較小，隨著尾門的閉合反而需要加大力量才能關(guān)閉尾門，這與顧客通常的操作習慣不同，可能會導致關(guān)閉力不足操作失敗，對于中國范圍銷售的汽車通常不需要考慮80 ℃的極限工況。

1.3.4 第四優(yōu)先級要求

第四優(yōu)先級人機要求是要避免在開啟過程中人手施力的行程過高，引起操作不適。由圖2可以看出，各開啟力值曲線與人手操作力值為0的刻度線的交點，即為尾門可自動開啟的臨界位置，此時尾門開啟角度可以轉(zhuǎn)換為尾門開啟把手的離地高度。開啟過程中手抬得過高，會造成用戶操縱不舒適，該人機要求與尾門把手的布置位置也有一定關(guān)系。根據(jù)中國的環(huán)境溫度，主要應該關(guān)注曲線6，保證在-10 ℃環(huán)境溫度下，后蓋可以自動開啟時的把手高度適合。

2 汽車尾門開啟尺寸相關(guān)人機要求

汽車尾門開啟尺寸相關(guān)人機要求有尾門開啟高度和行李箱開口尺寸。尾門開啟高度要優(yōu)先保證5%分位女性[4]伸手能夠到關(guān)閉把手，同時兼顧95%分位男性[4]成人在車后站立時不碰頭。行李箱開口相關(guān)的人機尺寸主要包括尾門的裝載寬度及裝載高度等，一般通過競爭車型分析以及產(chǎn)品特性來初步確定目標值。

3 汽車后視野相關(guān)人機要求

汽車后視野[4]相關(guān)的人機要求有：通過內(nèi)后視鏡鏡面上邊沿的水平后視野線要求，要求該視野線盡量不被遮擋；眼點向后通過后風窗玻璃可視區(qū)域下邊沿的直接后視野線要求，要求看到車輛后側(cè)地面的范圍盡可能大；環(huán)狀視野的要求，考察眼點高度360°范圍內(nèi)被車身結(jié)構(gòu)所遮蔽的角度大小，遮蔽角越小越好。隨著汽車智能化模塊的應用，倒車攝像頭、360°全景攝像頭等的廣泛應用，后視野的相關(guān)要求可以適當降低。

4 基于人機工程的汽車尾門總布置方案設計方法

4.1 總布置方案設計綜述

造型和汽車尾門的布置方案會直接影響尾門啟閉操作便利性、尾門開口人機尺寸和后視野，需要通過多個方案截面進行綜合分析。以人機工程為導向進行汽車尾門的總布置方案設計可以在開發(fā)初期階段就對這些進行判斷，協(xié)調(diào)造型更改，保證開發(fā)進度。

新車型整車開發(fā)的初期，總布置方案設計部門會負責協(xié)調(diào)各專業(yè)科室按照初步的造型模型，共同搭建數(shù)字化方案樣車。該樣車用于對整車進行尺寸定義、人機評價、碰撞及可制造性的仿真模擬等。雖然之后的造型會和該樣車有較大的不同，但是基于該方案樣車所做技術(shù)評價具有重大的參考價值。通過方案樣車數(shù)據(jù)可以得到新車型尾門的估算質(zhì)量以及重心位置，以及尾門鉸鏈、尾門氣彈簧上下固定點以及啟閉把手等模塊的初步位置。結(jié)合初步選擇氣彈簧的參數(shù)，就可以構(gòu)建出方案樣車的尾門啟閉力值曲線。通過分析各溫度條件下的曲線狀態(tài)，按照之前所述的尾門啟閉相關(guān)的人機要求優(yōu)先等級對尾門的總布置方案進行調(diào)整。

4.2 總布置方案設計流程圖

尾門總布置方案設計階段調(diào)整優(yōu)化的內(nèi)容包括尾門質(zhì)量及重心位置、尾門結(jié)構(gòu)、尾門鉸鏈位置、氣彈簧上下固定點位置，玻璃黑邊方案、尾燈布置方案、把手位置、其余模塊在尾門上的布置位置等。根據(jù)多年相關(guān)的工作經(jīng)驗總結(jié)出工作流程圖，如圖3所示?？梢钥闯銎渲腥藱C工程優(yōu)化占據(jù)著重要的節(jié)點。基于人機工程的汽車尾門總布置方案設計方法目前正在被廣泛應用于上汽大眾的多款新車型的開發(fā)工作之中，取得了令人滿意的效果。

圖3 汽車尾門總布置方案設計流程圖

5 結(jié)論

(1)建立了汽車尾門布置方案運動學簡化模型，分析了汽車尾門啟閉力值曲線的人機要求，通過對尾門啟閉力曲線的詳細分析，將尾門操作的人機要求按照優(yōu)先等級排列，提高了汽車尾門設計的操作性和適用性。

(2)探討了汽車尾門總布置前期方案開發(fā)中的基于人機工程的兩廂車尾門布置方案優(yōu)化設計方法，總結(jié)出尾門總布置的工作流程圖，為汽車尾門的設計提供了參考。