基于人机工程的汽车尾门总布置方案设计

张建国，朱炜昱，袁航

(上汽大众汽车有限公司，上海 201805)

0 引言

目前市场上主流车型的尾门按大小分为三厢车尾门和两厢车尾门；按照开启方案分为自动开启和手动开启。考虑到成本、销量以及尾门启闭设计的复杂性，本文作者论述对象定义为两厢车手动开启尾门。这种车型的尾门在开启和关闭过程中通常需要使用气弹簧助力，布置方案也更加复杂，涉及到后部车身结构、各功能模块位置、安装空间、后部人机尺寸等诸多方面。这些因素相互影响、密不可分，涉及到零件众多。基于人机工程对汽车尾门进行总布置方案设计，可以有效避免产品后续出现尾门开启力或者关闭力过大、开启行程过高或者过低、后风窗玻璃黑边宽度过大等问题。

1 汽车尾门启闭力的人机要求

1.1 汽车尾门布置方案运动学简化模型

汽车产品丰富多样，尾门大小形状也都不尽相同。首先为阐述尾门启闭操作便利的人机要求，对两厢车尾门进行运动学模型简化，如图1所示。

在简化模型中，引入了顾客关心的开启力和关闭力的概念，开启力和关闭力不是同时存在的。在尾门缓慢打开和关闭的过程中，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为汽车尾门重力；hG为汽车尾门重力臂；FSpring为气弹簧的撑力；hSpring为气弹簧撑力的力臂；FHand为尾门开启及闭合过程中顾客手部施加的力；hHand为尾门开启及闭合过程中顾客手部施加力的力臂。

图1 两厢车尾门运动学简化模型

1.2 汽车尾门启闭力值曲线

为研究尾门启闭力特点，根据尾门运动学简化模型和力矩平衡方程，找到开启角度和用户手部施加力值这两个参数之间的关系式，以尾门开启角度为横坐标，用户手部施加启闭力的大小为纵坐标，建立尾门启闭力值曲线。图2所示为某两厢车尾门启闭力值曲线。其中，尾门关闭状态下的开启角度为0，手部施加力的“0”刻度线以下表示此时不再需要对尾门施加额外的启闭力，即此时尾门可以自动启闭。

图2 某两厢车尾门启闭力值曲线

由图2可以看出，不同曲线分别描述尾门在不同温度下开启或者关闭过程。由于尾门气弹簧通常是以高压气体或者油气混合物作为工作介质[2]，因此，尾门的启闭力值曲线对于温度比较敏感。气弹簧设计时的工作环境温度是-30～80 ℃[3]，与温度相关的特性参数可由供应商提供。不同环境温度下得到的尾门启闭力值曲线是不同的。例如，曲线2是在20 ℃环境温度下的关闭力值曲线；曲线6是在-10 ℃环境温度下的开启力值曲线。通过图中各曲线可以看出：高温时尾门的关闭力较大，而低温时尾门的开启力较大。不同车型汽车尾门的启闭力值曲线是不同的，但是通过启闭力值曲线所反映出来的人机要求是大同小异的。

1.3 汽车尾门启闭力优先级人机要求

1.3.1 第一优先级要求

第一优先级人机要求是要防止尾门在低温环境下开启后自动落下砸到用户。因此，要求尾门在低温-30 ℃环境温度下开启后要有一定的保持力，保证尾门的开启状态而不会自动落下。曲线1尾门完全打开时，所需要的手部关闭力值应该不小于20 N。

1.3.2 第二优先级要求

第二优先级人机要求是要保证启闭力值曲线具有合适的关闭能量。图2中的阴影面积表示的就是20 ℃环境下尾门的关闭能量。关闭能量过小意味着尾门解锁后有意外提前开启风险；关闭能量过大意味着尾门开启力及开启力行程较大，打开困难。通常低温时尾门的关闭能量较大，高温时尾门的关闭能量较小。根据中国的环境温度状况，在优化后盖启闭力值曲线时应该着重考虑曲线1和曲线3，保证-30 ℃和60 ℃的关闭能量适中，防止车辆在寒冷的北方尾门开启困难，或者在曝晒环境下尾门过易开启。

1.3.3 第三优先级要求

第三优先级人机要求是尽量减小最大关闭力，并且使关闭力由大到小变化，尽量不出现峰值，通常高温时的最大关闭力较大。结合中国环境温度，需要着重考虑20 ℃下的启闭力曲线2，建议常温20 ℃下的关闭力不超过60 N，否则会在日常使用中感觉关闭尾门困难。由图2可以看出：80 ℃的关闭力曲线出现了峰值，意味着此环境下，顾客关闭尾门初始阶段用力较小，随着尾门的闭合反而需要加大力量才能关闭尾门，这与顾客通常的操作习惯不同，可能会导致关闭力不足操作失败，对于中国范围销售的汽车通常不需要考虑80 ℃的极限工况。

1.3.4 第四优先级要求

第四优先级人机要求是要避免在开启过程中人手施力的行程过高，引起操作不适。由图2可以看出，各开启力值曲线与人手操作力值为0的刻度线的交点，即为尾门可自动开启的临界位置，此时尾门开启角度可以转换为尾门开启把手的离地高度。开启过程中手抬得过高，会造成用户操纵不舒适，该人机要求与尾门把手的布置位置也有一定关系。根据中国的环境温度，主要应该关注曲线6，保证在-10 ℃环境温度下，后盖可以自动开启时的把手高度适合。

2 汽车尾门开启尺寸相关人机要求

汽车尾门开启尺寸相关人机要求有尾门开启高度和行李箱开口尺寸。尾门开启高度要优先保证5%分位女性[4]伸手能够到关闭把手，同时兼顾95%分位男性[4]成人在车后站立时不碰头。行李箱开口相关的人机尺寸主要包括尾门的装载宽度及装载高度等，一般通过竞争车型分析以及产品特性来初步确定目标值。

3 汽车后视野相关人机要求

汽车后视野[4]相关的人机要求有：通过内后视镜镜面上边沿的水平后视野线要求，要求该视野线尽量不被遮挡；眼点向后通过后风窗玻璃可视区域下边沿的直接后视野线要求，要求看到车辆后侧地面的范围尽可能大；环状视野的要求，考察眼点高度360°范围内被车身结构所遮蔽的角度大小，遮蔽角越小越好。随着汽车智能化模块的应用，倒车摄像头、360°全景摄像头等的广泛应用，后视野的相关要求可以适当降低。

4 基于人机工程的汽车尾门总布置方案设计方法

4.1 总布置方案设计综述

造型和汽车尾门的布置方案会直接影响尾门启闭操作便利性、尾门开口人机尺寸和后视野，需要通过多个方案截面进行综合分析。以人机工程为导向进行汽车尾门的总布置方案设计可以在开发初期阶段就对这些进行判断，协调造型更改，保证开发进度。

新车型整车开发的初期，总布置方案设计部门会负责协调各专业科室按照初步的造型模型，共同搭建数字化方案样车。该样车用于对整车进行尺寸定义、人机评价、碰撞及可制造性的仿真模拟等。虽然之后的造型会和该样车有较大的不同，但是基于该方案样车所做技术评价具有重大的参考价值。通过方案样车数据可以得到新车型尾门的估算质量以及重心位置，以及尾门铰链、尾门气弹簧上下固定点以及启闭把手等模块的初步位置。结合初步选择气弹簧的参数，就可以构建出方案样车的尾门启闭力值曲线。通过分析各温度条件下的曲线状态，按照之前所述的尾门启闭相关的人机要求优先等级对尾门的总布置方案进行调整。

4.2 总布置方案设计流程图

尾门总布置方案设计阶段调整优化的内容包括尾门质量及重心位置、尾门结构、尾门铰链位置、气弹簧上下固定点位置，玻璃黑边方案、尾灯布置方案、把手位置、其余模块在尾门上的布置位置等。根据多年相关的工作经验总结出工作流程图，如图3所示。可以看出其中人机工程优化占据着重要的节点。基于人机工程的汽车尾门总布置方案设计方法目前正在被广泛应用于上汽大众的多款新车型的开发工作之中，取得了令人满意的效果。

图3 汽车尾门总布置方案设计流程图

5 结论

(1)建立了汽车尾门布置方案运动学简化模型，分析了汽车尾门启闭力值曲线的人机要求，通过对尾门启闭力曲线的详细分析，将尾门操作的人机要求按照优先等级排列，提高了汽车尾门设计的操作性和适用性。

(2)探讨了汽车尾门总布置前期方案开发中的基于人机工程的两厢车尾门布置方案优化设计方法，总结出尾门总布置的工作流程图，为汽车尾门的设计提供了参考。