汽車尾門摳手人機工程提升研究

周福全 陳開建 黃維琨

關鍵詞：尾門摳手；人機工程；抓握面；開口尺寸；關門力

0 引言

對于非電動式汽車尾門，乘員在關閉尾門時施力的部件稱作尾門摳手或拉手。尾門摳手為盒狀結(jié)構(gòu)，裝配在尾門飾板或尾門鈑金上。尾門拉手為棒狀結(jié)構(gòu)，由拉手骨架和拉手蓋板組成。由于尾門拉手需開發(fā)2 個零件，成本相對較高，并且拉手骨架與拉手蓋板間異響風險高，因此目前大部分非電動式汽車尾門都使用尾門摳手。

本司某新車型在試制階段對車輛進行人機評審時發(fā)現(xiàn)，使用尾門摳手關閉尾門時，尾門關門力大且尾門摳手易滑手，導致關閉尾門困難，操作人機工程差。該問題極易引起客戶抱怨，需在車型量產(chǎn)前解決。工程師針對問題從不同角度進行原因分析，并提出了相應的改進措施，確保從根源上解決問題。

1 原因分析

該車型尾門摳手操作人機工程差，主要體現(xiàn)在使用尾門摳手關閉尾門時，手指易從尾門摳手中滑出，導致關門困難。在從人、機、料、法、環(huán)5 個維度進行分析后，找到6 個導致該問題的直接原因。

1.1 尾門摳手抓握面與水平面角度不合理

尾門開啟后，尾門摳手開口一般朝車后方向，尾門摳手靠近地面的一面為抓握面，抓握面與水平面的夾角是決定尾門摳手是否易滑手、操作是否舒適的關鍵因素。此夾角與尾門摳手布置位置、尾門開啟角度有關，通過3D 數(shù)?？蓽蚀_模擬出尾門開啟后尾門摳手抓握面與水平面的夾角。一般來說，尾門摳手抓握面基于水平面上傾時，角度為正值，反之為負值。

該車型尾門開啟后， 尾門摳手抓握面與水平面夾角為+6.8°，即尾門摳手抓握面相對與水平面上傾，因此手指施力在尾門摳手抓握面上關閉尾門時，手指會順著抓握面下滑，導致施力困難，手指易滑出。若尾門摳手抓握面下傾，手指則不易滑出，此時尾門摳手抓握面與水平面夾角為負值。通過測量某幾款已量產(chǎn)車型該夾角數(shù)值（表1），當夾角為負值時，均未出現(xiàn)尾門摳手易滑手問題，在關門過程中手指能緊貼在尾門摳手抓握面上。因此尾門摳手抓握面與水平面夾角不合理，是尾門摳手易滑手的主要原因。

1.2 尾門摳手抓握面無抓握特征

由于該車型尾門摳手與尾門飾板為一體成型，尾門摳手處利用抽芯結(jié)構(gòu)出模。為避免倒扣，抓握面無法增加弧面特征，只能做一個平面，因此影響手部抓握舒適性。

1.3 尾門摳手開口尺寸不合理

尾門摳手一般為盒狀長方體，由5 個平面組成，包含3 個關鍵尺寸，即摳手的長度、寬度和深度。尾門摳手開口尺寸直接影響摳手的使用舒適性：摳手深度不足時，手部接觸面積小，不便于施力會導致滑手；摳手寬度不足時，摳手內(nèi)部空間狹窄導致手部干涉；摳手長度不足時，摳手內(nèi)部空間狹窄導致手部干涉。因此尾門摳手開口尺寸一般根據(jù)人體手指尺寸設計，推薦尺寸為：尾門摳手開口深度≥ 50 mm，開口寬度≥ 25 mm，開口長度≥ 80 mm[1]。該車型尾門摳手開口深度為45 mm，開口寬度為25 mm，開口長度為98 mm，開口深度略低于推薦值，故手指接觸面較小。因此開口尺寸不合理是導致尾門摳手易滑手的原因之一。

1.4 尾門摳手觸摸面摩擦系數(shù)低

該車型尾門摳手與尾門飾板為一體成型，但通過對比尾門摳手及尾門飾板表面皮紋發(fā)現(xiàn)，二者皮紋樣式不一致（圖1）。尾門飾板本體皮紋為粗皮紋（WGA011，皮紋深度90 μm），尾門摳手皮紋為細皮紋（WGF011，皮紋深度50 μm）。二者皮紋特征不一致的原因：尾門摳手觸摸面出模角度為5?（圖2），不滿足粗皮紋理論脫模角度（7?），故尾門摳手表面做細皮紋。由于細皮紋表面粗糙度小，摩擦系數(shù)低，導致尾門摳手表面較為光滑，關門過程中手指易滑出。故尾門摳手觸摸面摩擦系數(shù)低，是操作人機工程差的原因之一。

1.5 尾門關門力大

在找出尾門摳手相關原因后，利用控制變量法尋找其他因素，才能從根源上解決問題。針對尾門摳手開口尺寸不合理、尾門開啟后觸摸面與水平面夾角不合理以及觸摸面摩擦系數(shù)低等問題，重新設計尾門摳手并制作快速樣件裝配到實車上驗證，尾門摳手易滑手問題得到解決，但尾門關門力大，操縱舒適性并未提升。尾門關門力是由尾門左右2 根氣彈簧決定，由尾門開關門力曲線圖可以看出（圖3），溫度越高、尾門開啟角度越大，則關門力越大。

在室溫下隨機抽取10 臺車測量其關門力（表2），實際關門力比理論關門力大30.0 N，并且在夏季室溫較高時關門力明顯增大。

1.6 尾門摳手離地高度不合理

根據(jù)人體身高，尾門開啟后，尾門摳手離地高度推薦在1 810 ～ 1 880 mm，過低或過高都會降低操作舒適性，此高度由尾門鉸鏈離地高度和尾門開啟角度決定。尾門鉸鏈離地高度越高，尾門開啟角度越大，則尾門摳手離地高度越高。該車型尾門鉸鏈離地高度為1 378 mm，尾門開啟角度95°，尾門開啟后尾門摳手離地高度1 922 mm，高于人機工程要求值（1 810 ～ 1 880 mm）。對于部分客戶而言，這個尾門摳手離地高度值也是影響操作舒適性的。

2 尾門摳手人機工程提升措施

2.1 改善尾門摳手抓握面與水平面角度

由于設計初期考慮降低成本、減少模具開發(fā)，故尾門摳手與尾門飾板是一體成型。尾門摳手處需在模具上設計相應的斜頂與滑塊結(jié)構(gòu)，因此尾門摳手抓握面與水平面角度受限于模具結(jié)構(gòu)，無法按角度為負值設計[2]。為從根源上解決問題，需在尾門摳手抓握面上設計凸臺結(jié)構(gòu)，因此重新設計尾門摳手結(jié)構(gòu)：單獨拆分一個尾門摳手零件，在尾門摳手抓握面上設計防滑凸臺（圖4）。該凸臺將尾門摳手抓握面與水平面角度從+6.8°改為-12.0° [3]。措施實施后，尾門摳手易滑手問題得到極大改善。

2.2 優(yōu)化尾門摳手抓握弧面特征

通過增加尾門摳手凸臺改善尾門摳手抓握面與水平面角度后，可以極大改善尾門摳手易滑手問題。為進一步提升尾門摳手的操作舒適性，保證乘員在使用時無硌手感，尾門摳手凸臺的設計如圖5 所示。

2.3 加大尾門摳手深度

基于重新開發(fā)尾門摳手的基礎下，可同時優(yōu)化尾門摳手深度，提升操作舒適性。該車型尾門摳手深度前期受限于模具斜頂頂出行程，僅做到44 mm，在使用過程中有手指抓握面不足，并且頂?shù)绞种盖岸艘鸬牟贿m感。故將尾門摳手深度加深到50 mm，操作舒適性得到提升。

2.4 提高尾門摳手抓握面摩擦系數(shù)

尾門摳手從尾門飾板中單獨拆出后，抓握面出模角度可做到大于7°，因此在表面腐蝕粗皮紋，相比于細皮紋其表面摩擦系數(shù)顯著提高，滑手問題得到明顯改善。

2.5 降低尾門關門力

假設尾門氣彈簧最小支撐力為F1，它保證尾門在最大開啟角度時能支撐尾門，避免尾門下墜。F1 越大，氣彈簧的支撐性能越好，但會導致尾門關門力加大；F1 越小，對應的尾門關門力越小，同時伴隨著尾門下墜的風險，因此需要找到一個平衡點確定F1 的大小。F1 的大小與尾門重力、重力力臂長度、氣彈簧桿臂伸展時力臂長度、彈簧數(shù)量以及安裝系數(shù)有關[4]。

通過實車測量，尾門實際關門力比理論值大30.0 N，并且關門力隨著溫度升高而升高。為降低尾門關門力，將尾門氣彈簧的F1 由460.0 N 調(diào)整到440.0 N。尾門氣彈簧F1 降低后，隨機抽取10 臺車，測量其尾門關門力前后變化值（表3），關門力降低8.5 N 左右。

2.6 降低尾門開啟后尾門摳手離地高度

尾門鉸鏈位置與整車車高相關，因此要降低尾門摳手離地高度，需通過調(diào)整尾門開啟角度實現(xiàn)，尾門開啟角度越低，尾門摳手離地高度越低。尾門開啟角度由尾門氣彈簧行程決定，可通過縮短氣彈簧行程來減小尾門開啟角度。同時，要考慮到尾門開啟角度減小后對乘員頭部空間的影響，避讓頭部觸碰到尾門。該車型在平衡尾門摳手離地高度和頭部空間需求后，將尾門開啟角度由95°降低為90°，尾門摳手離地高度由1 922 mm 降低為1 870 mm，在推薦范圍值內(nèi)。尾門摳手離地高度降低后，尾門摳手操作舒適性得到提升。

3 尾門摳手人機工程提升設計總結(jié)

尾門摳手操作人機工程差是由多方面因素引起的，因此在前期設計階段應綜合考慮，并嚴格按照推薦值進行設計。對于盒狀長方體的尾門摳手，總結(jié)出如下6 點設計要求。

（1）尾門開啟后，尾門摳手抓握面尺寸與水平面夾角應為負值（即抓握面為下傾趨勢），推薦夾角在-8.0 ～ -10.0°。

（2）尾門摳手抓握面避免設計為平直面，應增加抓握特征，并保證特征的舒適性。

（3）尾門摳手開口推薦尺寸為：開口深度≥ 50 mm，開口寬度≥ 25 mm，開口長度≥ 80 mm。

（4）尾門摳手抓握面推薦粗皮紋或表面粘貼一層防滑墊，不建議使用細皮紋。

（5）尾門關門力值推薦在50.0 ～ 60.0 N 之間，最大不超過65.0 N。

（6）尾門開啟后尾門摳手離地高度推薦在1 810 ～1 880 mm[5]。

設計過程中如上設計要求若有部分無法滿足，應在模具開發(fā)前制作快速樣件進行評審，避讓后期產(chǎn)生修模工作。若受限于某種條件無法進行調(diào)整，可考慮使用棒狀拉手，可從根源上解決尾門摳手易滑手問題。

4 結(jié)束語

該車型尾門摳手操作人機工程差是一個綜合性的問題，通過對該問題進行深入分析及設計改進，最終極大提升了操作舒適性，避免存在明顯設計缺陷的汽車交付到客戶手中，并且從中獲取了寶貴的經(jīng)驗教訓和設計總結(jié)，給后續(xù)車型尾門摳手提供設計參考，力爭達到最優(yōu)的設計效果，提高零件一次開模成功率。