人機工程下的汽車尾門總布置方案設(shè)計
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摘要：本文主要是針對家用普通轎車作為車身的主要啟閉部件，用戶在使用過程中，尾門屬于使用較為頻繁的部件，為切實優(yōu)化對其的布置方案，本文基于人機工程的導(dǎo)向，從啟閉力方面的人機需求入手，提出了開啟尺寸、后視野方面的人機要求，并對其總布置方案的設(shè)計要點進行了梳理，旨在更好地促進汽車尾門設(shè)計的適用性與操作性的提升。
關(guān)鍵詞：人機工程；汽車尾門；總布置方案；設(shè)計
1引言
汽車尾門的總布置方案設(shè)計的科學(xué)合理性，將直接關(guān)系到用戶的人機體驗，所以所設(shè)計過程中，需要以人機工程為導(dǎo)向，切實強化對其的人機交互設(shè)計。從當前主流車型的尾門來看，主要有三廂車與兩廂車之分，若根據(jù)汽車尾門的啟閉模式來劃分，常見的主要有兩種，一種是自動啟閉，另一種是手動啟閉。由于自動啟閉的設(shè)計過程復(fù)雜，且成本高、銷量低，本文研究主要選取兩廂車的手動式尾門為例，主要是因為此類尾門的采用較多，此類尾門的啟閉都需要利用氣彈簧來助力，且布置方案較為復(fù)雜，所需涉及的因素較多，比如后部車身結(jié)構(gòu)、不同功能模塊的位置、后部人機尺寸、安裝空間，這四個因素之間互相影響，具有密不可分的特點，所涉及零件的類型和數(shù)量也較多，因此，本文研究的基于人機工程強化汽車尾門的總布置方案設(shè)計，能有效地預(yù)防尾門在啟閉時的力度過大、開啟行程不適、后風(fēng)窗玻璃黑邊寬度過大而遮擋視線等方面的問題。
2基于人機工程的汽車尾門的人機要求分析
2.1啟閉力方面的人機要求梳理
第一，模型簡化。由于汽車產(chǎn)品和類型較多，且尾門的形狀、大小也存在較大的差異，為了更好地提升尾門啟閉方式的人機性，本研究以常見的兩廂車為例，對其常見的運動模型進行了簡化處理，得到簡化后的模型詳見圖1。從圖1可以看出，融入了消費者目前較為關(guān)心的啟閉力概念，由于啟閉力是指開啟力與關(guān)閉力，由于兩種力交替出現(xiàn)，此時就需要構(gòu)建汽車尾門啟閉所需的力矩適量平衡方程，即;第二，啟閉力曲線值分析。為更好地對汽車尾門的啟閉力特點進行分析，本研究緊密結(jié)合尾門運動學(xué)簡化模型與力矩平衡方程，分析開啟角度與首部施加力間的關(guān)系，所以將汽車尾門開啟角度作為橫坐標，而施加啟閉力作為縱向坐標，建立了圖2所示的啟閉力曲線。需要說明的是，當尾門關(guān)閉時，開啟角度是0，施加也是0，且施加0刻度線之下說明此時不用對尾門施加額外啟閉力，尾門在此時可以實現(xiàn)自動啟閉。在這一過程中，不同的曲線所表示的是在不同溫度下的尾門啟閉的過程，尾門氣彈簧動力介質(zhì)有兩種：一種是壓縮后的高壓氣體，另一種是油氣混合物，啟閉力曲線對溫度這一因素的敏感度較大，一般而言，其溫度范圍介于-30℃到80℃這一范圍，有關(guān)溫度的特性參數(shù)可以從供應(yīng)商處獲取。這就說明在環(huán)境溫度不同時，尾門啟閉力曲線也不同。當處于高溫時，汽車尾門關(guān)閉力相對較大，當處于低溫時，汽車尾門開啟力相對較大，而這一過程實際就是利用啟閉力曲線來體現(xiàn)人機要求。第三，啟閉力優(yōu)先級方面的人機要求分析。針對一級優(yōu)先級要求，主要是避免汽車尾門處于低溫環(huán)境（-30℃）時，尾門開啟同樣具有避免自由下落的保持力，也就是在開啟汽車尾門后，汽車所處的最低溫環(huán)境不能大于-30℃，才能避免尾門在重力和溫度作用下自動關(guān)閉。這一情況詳見圖2中的曲線1所示，發(fā)現(xiàn)完全開啟尾門后，手部關(guān)閉力需要大于等于20N。針對二級優(yōu)先級要求，主要是確保啟閉力曲線的關(guān)閉能量適宜。當溫度較低時，關(guān)閉汽車尾門所需的能量較大；當溫度較高時，關(guān)閉汽車尾門所需的能量相對較小。例如在圖2中，尾門優(yōu)化設(shè)計后，所選的啟閉力曲線主要是曲線1和3，在零下30℃與60℃時的關(guān)閉能量最佳，預(yù)防由于溫度過低而導(dǎo)致車輛難以啟動的問題，以及在爆𝑚環(huán)境下預(yù)防出現(xiàn)開啟過易。針對三級優(yōu)先級要求而言，主要是盡可能地減少最大關(guān)閉力，關(guān)閉力的變化過程的由大致小，尤其是高溫時，最大關(guān)閉力較大，按照我國的環(huán)境溫度現(xiàn)狀，20℃下的啟閉力需要采用曲線2，因此，常溫20℃下的關(guān)閉力在60N之內(nèi)，避免日常使用出現(xiàn)尾門關(guān)閉困難，例如在上圖中，在80℃時，關(guān)閉力曲線發(fā)生了峰值，那么就表示此時若需要關(guān)閉汽車尾門，其最初的需力較小，且在閉合時需加大力度，方能達到閉合的目的，這與我們的實踐操作習(xí)慣上相悖的，可能出現(xiàn)由于關(guān)閉力不足而導(dǎo)致關(guān)閉尾門失敗，但是我國不用考慮處于80℃下的極限工況。而針對四級優(yōu)先級要求而言，主要是預(yù)防開啟時施力形成過高而導(dǎo)致操作上的不適。在圖2中，不難發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，每條開啟力曲線的自動開啟的臨界點就是人手操作力為0時相交的交點，此時的尾門開啟角度能轉(zhuǎn)化成尾門開啟把手的離地高度。在開啟過程中，若手抬得過高，將導(dǎo)致操作不適，所以這一人機要求與尾門把手位置的布置存在一定關(guān)聯(lián)，按照我國環(huán)境溫度現(xiàn)狀，主要是選取曲線6，在零下10℃的環(huán)境下，尾門能自動開啟時的把手高度適宜。
3總布置方案的設(shè)計思路
在人機工程下的汽車尾門總布置方案設(shè)計中，為彰顯其設(shè)計的人機交互性，便于對汽車尾門的啟閉操作，優(yōu)化開口尺寸，滿足后視野需求，需要綜合分析不同方案的截面，所以在確定總布置方案時，需要在新車型開發(fā)初期就要協(xié)調(diào)好各方，切實加強與相關(guān)專業(yè)之間的交流，做好不同科室的對接，采取科學(xué)方案，對汽車造型模型進行優(yōu)化，采用數(shù)字化的方案呈現(xiàn)樣車，再利用仿真模擬軟件，對得到的數(shù)字化樣車的各方面是否具有較強的人機性、科學(xué)性進行檢查，避免存在互相碰撞的情況，同時根據(jù)模擬得到的結(jié)果和實際需求，針對性的加強對其設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化。在具體的優(yōu)化過程中面積要做好氣彈簧參數(shù)的設(shè)計，又要根據(jù)三種不同的等級要求，對布置方案進行優(yōu)化和完善，以盡可能地滿足汽車尾門的人機要求。
4總布置方案的設(shè)計流程
結(jié)合上述分析和實際設(shè)計工作來看，在確定總布置方案設(shè)計流程時，需要切實發(fā)揮人機工程優(yōu)化的作用，并在車型開發(fā)中加強對其的應(yīng)用。例如圖3為某兩廂車的總布置方案設(shè)計流程，為我們在汽車尾門設(shè)計提供了更多地思考，尤其是在人機交互方面的設(shè)計，需要作為未來車型設(shè)計的重點所在，并緊密結(jié)合實際需求和定位，切實加強對其的設(shè)計，才能更好地提高汽車尾門布置方案的科學(xué)性與合理性。
5結(jié)語
綜上所述，在汽車尾門總布置方案設(shè)計中，應(yīng)始終基于人性化和安全化的視角，切實注重人機交互性的提升，以人機工程為導(dǎo)向，切實加強人機要求分析的基礎(chǔ)上，做好方案的設(shè)計與優(yōu)化，以更好地提升車品的競爭力。
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作者：張明晶 單位：上汽通用五菱汽車股份有限公司
