袁航，張建國(guó)

(上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805)

0 引言

尾門(mén)門(mén)洞止口邊是指由車(chē)頂外板、側(cè)面落水槽、尾燈支架以及下部后圍板鈑金焊接在一起組成的立面，用于安裝固定尾門(mén)密封條，也常被稱(chēng)作后蓋法蘭邊。作為尾門(mén)啟閉件中的重要設(shè)計(jì)要素，止口邊是門(mén)蓋鈑金等外覆蓋件與行李箱內(nèi)飾等內(nèi)覆蓋件的連接橋梁，止口邊的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到尾門(mén)的密封特性，也影響尾門(mén)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，更為車(chē)頂內(nèi)飾、尾門(mén)內(nèi)飾以及行李箱內(nèi)飾設(shè)計(jì)提供了邊界條件。本文作者以常見(jiàn)的兩廂車(chē)翻轉(zhuǎn)式尾門(mén)為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述尾門(mén)止口邊的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)優(yōu)化方法。

1 尾門(mén)止口邊設(shè)計(jì)輸入

1.1 止口邊技術(shù)要求輸入

尾門(mén)密封條起著防水、防塵、防噪、減震等功能，為了保證良好的密封特性，在設(shè)計(jì)之初，需要明確安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不只牽涉到立面止口邊，還包括與密封條匹配的內(nèi)板鈑金密封面以及密封條搭接唇邊，如圖1(a)止口邊要素定義。理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)下，應(yīng)該滿(mǎn)足止口邊與繞鉸鏈軸的運(yùn)動(dòng)軌跡相切，止口邊與密封面垂直，止口邊與唇邊垂直。即止口邊與鉸鏈連線(xiàn)的角度α1呈90°，止口邊與唇邊的角度α2呈90°，止口邊與密封面的角度α3呈90°，在理想的角度基礎(chǔ)上余量偏差為±7°，以保證止口邊的平順性。

針對(duì)不同的密封條規(guī)格，止口邊、密封面及唇邊的尺寸標(biāo)準(zhǔn)各不相同，如圖1(b)止口邊尺寸鏈要求，主要控制尺寸為L(zhǎng)1～L5。為了得到更好的密封特性，在止口邊的上部和下部區(qū)域，可以采用不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，中間部分逐漸過(guò)渡。由于止口邊下部區(qū)域距離鉸鏈較遠(yuǎn)，在關(guān)門(mén)瞬間會(huì)產(chǎn)生更大的運(yùn)動(dòng)位移，密封條的變形也相應(yīng)更大，故而在下部區(qū)域，應(yīng)將尺寸L3和L4、L5比例設(shè)置得稍大些。設(shè)計(jì)之初，就需要和零件工程師明確止口邊相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

圖1 止口邊要素及相關(guān)技術(shù)要求

1.2 人機(jī)工程學(xué)要求輸入

除了要滿(mǎn)足止口邊的基本技術(shù)要求，尾門(mén)的人機(jī)工程學(xué)輸入也是止口邊設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素，主要包括最大開(kāi)啟高度要求、裝載性能要求以及后視野要求。

1.2.1 最大開(kāi)啟高度要求

尾門(mén)在開(kāi)啟到最大的位置，需滿(mǎn)足高個(gè)子男性(95%)站立姿態(tài)下的頭部空間，同時(shí)尾門(mén)拉手的位置能夠在小個(gè)子女性(5%)的觸及范圍之內(nèi)[1]，如圖2所示。對(duì)于有電動(dòng)尾門(mén)配置的車(chē)型，最大開(kāi)啟高度設(shè)計(jì)值應(yīng)該更大一些。具體根據(jù)廠家的設(shè)計(jì)要求，比如滿(mǎn)足歐美高個(gè)子男性或是亞洲更高百分位的身高需求。由于電動(dòng)尾門(mén)基本上都可以自動(dòng)設(shè)置開(kāi)啟高度，所以在可實(shí)現(xiàn)的有效范圍內(nèi)應(yīng)將開(kāi)啟高度設(shè)計(jì)到最大，把余量留給顧客自己調(diào)整。

圖2 尾門(mén)最大開(kāi)啟高度等人機(jī)校核尺寸

1.2.2 裝載性能尺寸要求

為了保證良好的裝載性能，應(yīng)滿(mǎn)足裝載高度盡量低，裝載寬度、開(kāi)口長(zhǎng)度盡可能大，裝載空間充裕。人機(jī)工程師會(huì)結(jié)合前繼車(chē)型的使用情況給出參考值，對(duì)于全新車(chē)型，則需根據(jù)競(jìng)品車(chē)型的情況以及自身平臺(tái)的先天條件，給出相應(yīng)的裝載尺寸建議值，作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1.2.3 后視野等要求

車(chē)頂區(qū)域止口邊的位置決定了車(chē)頂及尾門(mén)內(nèi)飾的高度位置，一般要求內(nèi)后視鏡上邊沿的水平線(xiàn)不能被遮擋，即保證內(nèi)后視鏡觀測(cè)后部視野的開(kāi)闊性。水平后視野的要求直接限定了上部止口邊的高度位置，如圖2所示。此外，風(fēng)窗側(cè)面止口邊的位置會(huì)影響尾門(mén)內(nèi)飾的寬度位置，受到環(huán)狀視野要求的限制。

2 尾門(mén)止口邊控制截面

三維止口邊的設(shè)計(jì)，要建立在止口邊二維截面的基礎(chǔ)上，通過(guò)在止口邊的不同位置繪制控制截面，在截面中根據(jù)輸入條件等設(shè)計(jì)要求推導(dǎo)止口邊的位置，然后再將這些二維元素串聯(lián)成三維曲面。根據(jù)焊接零件不同，考量的設(shè)計(jì)要求也有所差異，可以將止口邊分為車(chē)頂區(qū)域、落水槽區(qū)域、尾燈支架區(qū)域、后圍板區(qū)域4個(gè)區(qū)域制作截面，如圖3所示。

圖3 兩廂車(chē)尾門(mén)止口邊控制截面

2.1 車(chē)頂區(qū)域止口邊

車(chē)頂區(qū)域截面中最關(guān)鍵的是Y0截面(圖3截面A)和鉸鏈位置Y截面(圖3截面B)。左右對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)鉸鏈間距越大，尾門(mén)的穩(wěn)定性越好，所以在合理的范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)盡量增大鉸鏈間距。內(nèi)開(kāi)式鉸鏈Y向間距占整個(gè)尾門(mén)寬度的比例為65%～70%,具體的鉸鏈定位還需要結(jié)合線(xiàn)束波紋管的布置方式及空間,這樣就可以確定截面B的位置。

鉸鏈的X向、Z向定位要結(jié)合車(chē)頂縫道，原則是在安全范圍內(nèi)，與鈑金外表面的距離盡量小。如圖4鉸鏈Y截面中，需要注意以下尺寸：鉸鏈到內(nèi)板鈑金(尺寸①)最小3 mm安全間隙; 考慮尾門(mén)鈑金自身的料厚、鈑金間的間隙(尺寸②)等尺寸鏈，就可以推導(dǎo)出鉸鏈軸心到造型外表面的距離，一般為16～18 mm；鉸鏈軸與車(chē)頂縫道之間的X向距離(尺寸③)，距離越大，尺寸④越大，但尺寸⑤卻越小，所以要平衡這兩個(gè)尺寸；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可設(shè)置30 mm作為初始值，再結(jié)合截面來(lái)調(diào)整、優(yōu)化鉸鏈軸位置；尾門(mén)運(yùn)動(dòng)軌跡到車(chē)頂鈑金件(尺寸④)的最小距離要求為3 mm，需要注意的是，通常在Y0截面運(yùn)動(dòng)包絡(luò)間隙更為苛刻，所以?xún)蓚€(gè)截面要聯(lián)合檢查；尾門(mén)運(yùn)動(dòng)到最大角度位置時(shí)，尾門(mén)鈑金距離鉸鏈安裝平面(尺寸⑤)之間的最小距離，最小要求為5 mm；尾門(mén)的最大開(kāi)啟角度(尺寸⑥)，是指尾門(mén)設(shè)計(jì)狀態(tài)最大開(kāi)啟角度加3°過(guò)開(kāi)余量。

考慮到造型前期的多變性，而鉸鏈軸的位置又是尾門(mén)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的布置基礎(chǔ)，所以在前期方案布置、造型伴隨階段，可以為極限最小要求留一定余量，方便在造型小改的情況下，鉸鏈軸和止口邊布置不必受到太大影響。此外，還需要在線(xiàn)束波紋管固定的位置以及后尾翼固定點(diǎn)等關(guān)鍵位置制作截面，協(xié)助檢查相關(guān)布置空間以及止口邊的合理性。

2.2 后圍板區(qū)域止口邊

后圍板區(qū)域止口邊的關(guān)鍵截面主要是Y0截面(圖3中的截面G)，為了使得汽車(chē)裝載方便，原則是將止口邊的位置盡可能的靠后靠下布置。

近年來(lái)，由于C-IASI(中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù))評(píng)價(jià)的加嚴(yán)，考慮到尾門(mén)的耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性，在設(shè)計(jì)階段需考慮低速追尾碰撞的相關(guān)需求，保證尾門(mén)鈑金和尾門(mén)止口邊在低速結(jié)構(gòu)追尾碰撞試驗(yàn)中不被撞壞，或是允許輕微整形就能夠修復(fù)的損壞。隨著時(shí)尚化的造型需求，越來(lái)越多的兩廂車(chē)型傾向于將尾門(mén)和后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)成齊平的，如特斯拉的Model X車(chē)型。由于橫梁不能在X向?qū)ξ查T(mén)鈑金起到很好的保護(hù)，解決方案就是將尾門(mén)下緣縫道抬高，利用尾門(mén)鈑金與移動(dòng)壁障的Z向落差，避免尾門(mén)與移動(dòng)壁障發(fā)生直接碰撞，如圖5所示(注意截面中的壁障實(shí)際上是與車(chē)身重疊40%，與駕駛方向具有10°的偏置移動(dòng)壁障，但這里只考慮壁障高度，故而在Y0截面中表示)[2]。由于尾門(mén)縫道較高，裝載高度也就相對(duì)較高，需要通過(guò)優(yōu)化后保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)、尾門(mén)鎖布置、以及內(nèi)飾結(jié)構(gòu)等一系列尺寸鏈將裝載高度做到盡可能最優(yōu)。

圖5 后圍板區(qū)域Y0截面(齊平尾門(mén)設(shè)計(jì))

考慮追尾碰撞試驗(yàn)中對(duì)于尾門(mén)止口邊的保護(hù)，后圍板鈑金件也不允許有大的變形，這就需要控制后橫梁到后圍板之間的X向落差。再綜合考慮裝載性的需求，X向落差過(guò)大不利于裝載性能，經(jīng)過(guò)權(quán)衡最終確定止口邊的X向位置。后期根據(jù)模擬及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以及相應(yīng)的人機(jī)評(píng)估結(jié)果，再對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

2.3 落水槽區(qū)域止口邊

落水槽區(qū)域止口邊的布置，設(shè)計(jì)要素主要是氣彈簧/電彈簧的布置空間，以及焊接設(shè)備操作空間。在這個(gè)區(qū)域關(guān)鍵截面包括彈簧的上、下固定點(diǎn)截面，以及中部截面。

彈簧的布置區(qū)域從外造型上看，即后尾翼到尾燈上方的區(qū)域。大多數(shù)車(chē)型在落水槽區(qū)域的尾門(mén)側(cè)面縫道是平直的，有利于彈簧的布置。但由于造型需求，一些車(chē)型的尾門(mén)側(cè)面縫道呈現(xiàn)S型，為了更好地布置彈簧，可以在下方固定點(diǎn)增加支架，將下固定點(diǎn)位置盡可能降低。在方案設(shè)計(jì)初期，建議直接使用球頭銷(xiāo)固定彈簧的方案，如果布置空間、制造性都可行的情況下，既節(jié)約了支架的成本，布置也更干凈。后續(xù)根據(jù)氣/電彈簧力值模擬，若有需要再增加支架，增加了布置靈活性。

上、下固定點(diǎn)的調(diào)整也要借助于中部截面的檢查，如圖6所示(圖3中截面C)。如果項(xiàng)目定義有電動(dòng)尾門(mén)，因電彈簧需要更大的布置空間，要優(yōu)先考慮電彈簧的布置，直徑為35～38 mm。落水槽首先應(yīng)滿(mǎn)足彈簧布置空間，并考慮5 mm的安全余量間隙，見(jiàn)尺寸①。滿(mǎn)足布置空間的前提下，應(yīng)把止口邊盡可能靠外布置，即落水槽盡量做窄，以增大車(chē)子的裝載性能。其次考慮到落水槽的成型性和強(qiáng)度，落水槽深度不宜太大，見(jiàn)尺寸②。為了造型美觀，盡量把玻璃黑邊(尺寸③)控制在合理范圍內(nèi)，再考慮尾門(mén)強(qiáng)度，內(nèi)外鈑金封閉型腔的面積(尺寸④)不能太小，就基本確定了止口邊的位置，尺寸⑤應(yīng)盡量小，否則不利于尾門(mén)內(nèi)板的沖壓。

圖6 彈簧中部截面

同樣的，落水槽區(qū)域的截面需要同步設(shè)計(jì)和優(yōu)化，截面中落水槽的A面角度、整體深度、內(nèi)板角度以及止口邊的位置盡量保證一致，以保證數(shù)據(jù)的連貫性以及可成型性[3]。

2.4 尾燈支架區(qū)域止口邊

尾燈黑箱數(shù)據(jù)是側(cè)面下部止口邊布置的關(guān)鍵輸入，但是在前期方案階段，很難有明確的輸入。這時(shí)通過(guò)尾燈水平截面的繪制推導(dǎo)止口邊位置(圖3截面E)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，可將止口邊布置在相對(duì)于縫道寬度方向約50 mm、深度方向約80 mm的位置。止口邊到尾燈安裝支架之間分別為尾門(mén)內(nèi)板、加強(qiáng)板和尾燈支架，這樣就基本框定了尾燈深度方向的空間。后續(xù)再結(jié)合尾燈功能定義對(duì)截面進(jìn)行細(xì)化調(diào)整。

尾燈支架區(qū)域的控制截面還有裝載寬度截面，見(jiàn)圖7，位于圖3中的截面F，在Y0截面中密封條向上70 mm做水平截面，兩側(cè)密封條間的Y向距離即為裝載寬度。截面中還需要考慮尾門(mén)內(nèi)板的沖壓深度X以及張角α，通常深度越深，張角就需要越大，這樣就會(huì)影響裝載寬度。需要結(jié)合裝載寬度要求，并和零件及規(guī)劃工程師一起討論確認(rèn)深度、張角、圓角等尺寸要求。

圖7 裝載寬度位置水平截面

3 尾門(mén)止口邊校驗(yàn)及優(yōu)化

通過(guò)截面中初步確定的止口邊位置，已經(jīng)可以串聯(lián)制作出完整的止口邊數(shù)據(jù)，但由于截面中所考慮的技術(shù)要求比較片面，需要對(duì)三維止口邊數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的校驗(yàn)及調(diào)整，才能使最終止口邊數(shù)據(jù)滿(mǎn)足技術(shù)功能、制造工藝及美觀等各項(xiàng)要求。

3.1 止口邊技術(shù)要求校驗(yàn)

在截面的制作過(guò)程中，每個(gè)截面的設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了止口邊相關(guān)的技術(shù)要求(見(jiàn)圖1)，但是平順之后的三維數(shù)據(jù)可能會(huì)在圓角或是連接過(guò)渡區(qū)域不滿(mǎn)足要求，所以需要對(duì)三維止口邊數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)檢查。此外，圓角連接區(qū)域還需要滿(mǎn)足圓角半徑最小值要求，上、下、內(nèi)、外的圓角都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如圖8所示。

圖8 尾門(mén)止口邊圓角要求

3.2 工藝可制造性校驗(yàn)

在截面的制作過(guò)程中已經(jīng)根據(jù)不同區(qū)域的要求，考慮了工藝可制造性，但三維數(shù)據(jù)的檢查仍然很有必要，尤其對(duì)于圓角區(qū)域等不便進(jìn)行二維檢查的位置，主要校核內(nèi)容包括止口邊的焊接空間、側(cè)圍與落水槽的焊接空間、密封條安裝空間、彈簧等附件的安裝空間，結(jié)合止口邊的三維曲面和二維截面數(shù)據(jù)，就可以初步判斷其工藝制造可行性[4]。

后蓋內(nèi)板的沖壓深度也深受止口邊位置的影響。一般在下方裝載寬度區(qū)域和后蓋中部區(qū)域是沖壓深度最苛刻的，最容易出現(xiàn)開(kāi)裂的位置。直接測(cè)量三維止口邊數(shù)據(jù)到造型外表面的突出特征線(xiàn)位置，如圖9中所示的Y值和Z值，根據(jù)其大小初步判斷沖壓難易程度，做出優(yōu)化調(diào)整。

圖9 兩廂車(chē)尾門(mén)沖壓深度檢查

3.3 光順線(xiàn)性?xún)?yōu)化

經(jīng)過(guò)技術(shù)校核的止口邊數(shù)據(jù)，需要光順工程師對(duì)線(xiàn)型和曲面進(jìn)行優(yōu)化，才能得到曲率變化連續(xù)的止口邊三維數(shù)據(jù)。在空間要求比較苛刻的地方，比如沖壓深度極限位置、球頭銷(xiāo)安裝空間狹窄的區(qū)域，將這些截面中止口邊的控制點(diǎn)作為關(guān)鍵輸入，光順工程師在調(diào)整的時(shí)候需優(yōu)先保證這些關(guān)鍵點(diǎn)。止口邊的技術(shù)要求固然重要，但是美觀同樣需要重視，這對(duì)于內(nèi)飾造型有很好的促進(jìn)作用。光順之后的止口邊數(shù)據(jù)才能作為最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的制作基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

作為尾門(mén)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)及關(guān)鍵要素，對(duì)于全新尾門(mén)設(shè)計(jì)，止口邊設(shè)計(jì)是前期方案設(shè)計(jì)的重要工作。探討了尾門(mén)止口邊的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，根據(jù)所屬焊接零部件不同，將止口邊分為車(chē)頂、落水槽、尾燈支架、后圍板4個(gè)區(qū)域，在不同區(qū)域結(jié)合止口邊技術(shù)要求、人機(jī)工程等輸入，制作控制截面。以截面中推導(dǎo)的二維止口邊為基礎(chǔ)，串聯(lián)三維曲面數(shù)據(jù)。并根據(jù)功能性、制造性、美觀性等要求對(duì)止口邊三維數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化。

止口邊的設(shè)計(jì)需要兼顧功能要求、造型設(shè)計(jì)、人機(jī)工程、運(yùn)動(dòng)校核、可制造性、尾門(mén)強(qiáng)度、安全法規(guī)以及各種附件的布置空間等諸多因素。在前期設(shè)計(jì)階段，很難有三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬和驗(yàn)證，這就更需要方案工程師對(duì)來(lái)自各方面的要求都有所熟知，協(xié)調(diào)權(quán)衡利弊，從而設(shè)計(jì)出可行的止口邊方案。