基于人機(jī)工程的汽車尾門總布置方案設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)的復(fù)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(fù)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(jī)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。基于人機(jī)工程對汽車尾門進(jìn)行總布置方案設(shè)計(jì)，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(fēng)窗玻璃黑邊寬度過大等問題。

1 汽車尾門啟閉力的人機(jī)要求

1.1 汽車尾門布置方案運(yùn)動學(xué)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(jī)要求，對兩廂車尾門進(jìn)行運(yùn)動學(xué)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(yùn)動學(xué)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(diǎn)，根據(jù)尾門運(yùn)動學(xué)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(biāo)，用戶手部施加啟閉力的大小為縱坐標(biāo)，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(shè)計(jì)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(yīng)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(jī)要求是大同小異的。

1.3 汽車尾門啟閉力優(yōu)先級人機(jī)要求

1.3.1 第一優(yōu)先級要求

第一優(yōu)先級人機(jī)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(yīng)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(jī)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(fēng)險(xiǎn)；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(yīng)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(jī)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(xí)慣不同，可能會導(dǎo)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(jī)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(diǎn)，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(jī)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(yīng)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(jī)要求

汽車尾門開啟尺寸相關(guān)人機(jī)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(jī)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(biāo)值。

3 汽車后視野相關(guān)人機(jī)要求

汽車后視野[4]相關(guān)的人機(jī)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(diǎn)向后通過后風(fēng)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(diǎn)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(yīng)用，倒車攝像頭、360°全景攝像頭等的廣泛應(yīng)用，后視野的相關(guān)要求可以適當(dāng)降低。

4 基于人機(jī)工程的汽車尾門總布置方案設(shè)計(jì)方法

4.1 總布置方案設(shè)計(jì)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(jī)尺寸和后視野，需要通過多個方案截面進(jìn)行綜合分析。以人機(jī)工程為導(dǎo)向進(jìn)行汽車尾門的總布置方案設(shè)計(jì)可以在開發(fā)初期階段就對這些進(jìn)行判斷，協(xié)調(diào)造型更改，保證開發(fā)進(jìn)度。

新車型整車開發(fā)的初期，總布置方案設(shè)計(jì)部門會負(fù)責(zé)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(jìn)行尺寸定義、人機(jī)評價(jià)、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(jià)具有重大的參考價(jià)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(diǎn)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(jī)要求優(yōu)先等級對尾門的總布置方案進(jìn)行調(diào)整。

4.2 總布置方案設(shè)計(jì)流程圖

尾門總布置方案設(shè)計(jì)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(diǎn)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(yàn)總結(jié)出工作流程圖，如圖3所示?？梢钥闯銎渲腥藱C(jī)工程優(yōu)化占據(jù)著重要的節(jié)點(diǎn)?；谌藱C(jī)工程的汽車尾門總布置方案設(shè)計(jì)方法目前正在被廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)論

(1)建立了汽車尾門布置方案運(yùn)動學(xué)簡化模型，分析了汽車尾門啟閉力值曲線的人機(jī)要求，通過對尾門啟閉力曲線的詳細(xì)分析，將尾門操作的人機(jī)要求按照優(yōu)先等級排列，提高了汽車尾門設(shè)計(jì)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(jī)工程的兩廂車尾門布置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，總結(jié)出尾門總布置的工作流程圖，為汽車尾門的設(shè)計(jì)提供了參考。