兩廂車尾門門洞止口邊的設(shè)計和優(yōu)化

袁航，張建國

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

尾門門洞止口邊是指由車頂外板、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，用于安裝固定尾門密封條，也常被稱作后蓋法蘭邊。作為尾門啟閉件中的重要設(shè)計要素，止口邊是門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)計不僅關(guān)系到尾門的密封特性，也影響尾門結(jié)構(gòu)的剛度和強度，更為車頂內(nèi)飾、尾門內(nèi)飾以及行李箱內(nèi)飾設(shè)計提供了邊界條件。本文作者以常見的兩廂車翻轉(zhuǎn)式尾門為基礎(chǔ)，詳細闡述尾門止口邊的設(shè)計和校驗優(yōu)化方法。

1 尾門止口邊設(shè)計輸入

1.1 止口邊技術(shù)要求輸入

尾門密封條起著防水、防塵、防噪、減震等功能，為了保證良好的密封特性，在設(shè)計之初，需要明確安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。設(shè)計標(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)計狀態(tài)下，應(yīng)該滿足止口邊與繞鉸鏈軸的運動軌跡相切，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L1～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)計標(biāo)準(zhǔn)，中間部分逐漸過渡。由于止口邊下部區(qū)域距離鉸鏈較遠，在關(guān)門瞬間會產(chǎn)生更大的運動位移，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)計之初，就需要和零件工程師明確止口邊相關(guān)設(shè)計要求。

圖1 止口邊要素及相關(guān)技術(shù)要求

1.2 人機工程學(xué)要求輸入

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

1.2.1 最大開啟高度要求

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

圖2 尾門最大開啟高度等人機校核尺寸

1.2.2 裝載性能尺寸要求

為了保證良好的裝載性能，應(yīng)滿足裝載高度盡量低，裝載寬度、開口長度盡可能大，裝載空間充裕。人機工程師會結(jié)合前繼車型的使用情況給出參考值，對于全新車型，則需根據(jù)競品車型的情況以及自身平臺的先天條件，給出相應(yīng)的裝載尺寸建議值，作為設(shè)計基礎(chǔ)。

1.2.3 后視野等要求

車頂區(qū)域止口邊的位置決定了車頂及尾門內(nèi)飾的高度位置，一般要求內(nèi)后視鏡上邊沿的水平線不能被遮擋，即保證內(nèi)后視鏡觀測后部視野的開闊性。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)面止口邊的位置會影響尾門內(nèi)飾的寬度位置，受到環(huán)狀視野要求的限制。

2 尾門止口邊控制截面

三維止口邊的設(shè)計，要建立在止口邊二維截面的基礎(chǔ)上，通過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)計要求也有所差異，可以將止口邊分為車頂區(qū)域、落水槽區(qū)域、尾燈支架區(qū)域、后圍板區(qū)域4個區(qū)域制作截面，如圖3所示。

圖3 兩廂車尾門止口邊控制截面

2.1 車頂區(qū)域止口邊

車頂區(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)。左右對稱的兩個鉸鏈間距越大，尾門的穩(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)開式鉸鏈Y向間距占整個尾門寬度的比例為65%～70%,具體的鉸鏈定位還需要結(jié)合線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，所以要平衡這兩個尺寸；根據(jù)經(jīng)驗，可設(shè)置30 mm作為初始值，再結(jié)合截面來調(diào)整、優(yōu)化鉸鏈軸位置；尾門運動軌跡到車頂鈑金件(尺寸④)的最小距離要求為3 mm，需要注意的是，通常在Y0截面運動包絡(luò)間隙更為苛刻，所以兩個截面要聯(lián)合檢查；尾門運動到最大角度位置時，尾門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；尾門的最大開啟角度(尺寸⑥)，是指尾門設(shè)計狀態(tài)最大開啟角度加3°過開余量。

考慮到造型前期的多變性，而鉸鏈軸的位置又是尾門運動相關(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，還需要在線束波紋管固定的位置以及后尾翼固定點等關(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，由于C-IASI(中國保險汽車安全指數(shù))評價的加嚴，考慮到尾門的耐撞性與維修經(jīng)濟性，在設(shè)計階段需考慮低速追尾碰撞的相關(guān)需求，保證尾門鈑金和尾門止口邊在低速結(jié)構(gòu)追尾碰撞試驗中不被撞壞，或是允許輕微整形就能夠修復(fù)的損壞。隨著時尚化的造型需求，越來越多的兩廂車型傾向于將尾門和后保險杠設(shè)計成齊平的，如特斯拉的Model X車型。由于橫梁不能在X向?qū)ξ查T鈑金起到很好的保護，解決方案就是將尾門下緣縫道抬高，利用尾門鈑金與移動壁障的Z向落差，避免尾門與移動壁障發(fā)生直接碰撞，如圖5所示(注意截面中的壁障實際上是與車身重疊40%，與駕駛方向具有10°的偏置移動壁障，但這里只考慮壁障高度，故而在Y0截面中表示)[2]。由于尾門縫道較高，裝載高度也就相對較高，需要通過優(yōu)化后保險杠結(jié)構(gòu)、尾門鎖布置、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(齊平尾門設(shè)計)

考慮追尾碰撞試驗中對于尾門止口邊的保護，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向落差過大不利于裝載性能，經(jīng)過權(quán)衡最終確定止口邊的X向位置。后期根據(jù)模擬及實驗的結(jié)果，以及相應(yīng)的人機評估結(jié)果，再對其進行優(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。在這個區(qū)域關(guān)鍵截面包括彈簧的上、下固定點截面，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)車型在落水槽區(qū)域的尾門側(cè)面縫道是平直的，有利于彈簧的布置。但由于造型需求，一些車型的尾門側(cè)面縫道呈現(xiàn)S型，為了更好地布置彈簧，可以在下方固定點增加支架，將下固定點位置盡可能降低。在方案設(shè)計初期，建議直接使用球頭銷固定彈簧的方案，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)。如果項目定義有電動尾門，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)滿足彈簧布置空間，并考慮5 mm的安全余量間隙，見尺寸①。滿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，以增大車子的裝載性能。其次考慮到落水槽的成型性和強度，落水槽深度不宜太大，見尺寸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)，再考慮尾門強度，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。這時通過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)驗值，可將止口邊布置在相對于縫道寬度方向約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內(nèi)板、加強板和尾燈支架，這樣就基本框定了尾燈深度方向的空間。后續(xù)再結(jié)合尾燈功能定義對截面進行細化調(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 尾門止口邊校驗及優(yōu)化

通過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，需要對三維止口邊數(shù)據(jù)進行反復(fù)的校驗及調(diào)整，才能使最終止口邊數(shù)據(jù)滿足技術(shù)功能、制造工藝及美觀等各項要求。

3.1 止口邊技術(shù)要求校驗

在截面的制作過程中，每個截面的設(shè)計已經(jīng)考慮了止口邊相關(guān)的技術(shù)要求(見圖1)，但是平順之后的三維數(shù)據(jù)可能會在圓角或是連接過渡區(qū)域不滿足要求，所以需要對三維止口邊數(shù)據(jù)進行技術(shù)檢查。此外，圓角連接區(qū)域還需要滿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)計標(biāo)準(zhǔn)，如圖8所示。

圖8 尾門止口邊圓角要求

3.2 工藝可制造性校驗

在截面的制作過程中已經(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，尤其對于圓角區(qū)域等不便進行二維檢查的位置，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)開裂的位置。直接測量三維止口邊數(shù)據(jù)到造型外表面的突出特征線位置，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 兩廂車尾門沖壓深度檢查

3.3 光順線性優(yōu)化

經(jīng)過技術(shù)校核的止口邊數(shù)據(jù)，需要光順工程師對線型和曲面進行優(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、球頭銷安裝空間狹窄的區(qū)域，將這些截面中止口邊的控制點作為關(guān)鍵輸入，光順工程師在調(diào)整的時候需優(yōu)先保證這些關(guān)鍵點。止口邊的技術(shù)要求固然重要，但是美觀同樣需要重視，這對于內(nèi)飾造型有很好的促進作用。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

作為尾門設(shè)計中的難點及關(guān)鍵要素，對于全新尾門設(shè)計，止口邊設(shè)計是前期方案設(shè)計的重要工作。探討了尾門止口邊的設(shè)計和優(yōu)化方法，根據(jù)所屬焊接零部件不同，將止口邊分為車頂、落水槽、尾燈支架、后圍板4個區(qū)域，在不同區(qū)域結(jié)合止口邊技術(shù)要求、人機工程等輸入，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、美觀性等要求對止口邊三維數(shù)據(jù)進行校驗和優(yōu)化。

止口邊的設(shè)計需要兼顧功能要求、造型設(shè)計、人機工程、運動校核、可制造性、尾門強度、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)計階段，很難有三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬和驗證，這就更需要方案工程師對來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)計出可行的止口邊方案。