人机工程下的汽车尾门总布置方案设计

摘要：本文主要是针对家用普通轿车作为车身的主要启闭部件，用户在使用过程中，尾门属于使用较为频繁的部件，为切实优化对其的布置方案，本文基于人机工程的导向，从启闭力方面的人机需求入手，提出了开启尺寸、后视野方面的人机要求，并对其总布置方案的设计要点进行了梳理，旨在更好地促进汽车尾门设计的适用性与操作性的提升。

关键词：人机工程；汽车尾门；总布置方案；设计

1引言

汽车尾门的总布置方案设计的科学合理性，将直接关系到用户的人机体验，所以所设计过程中，需要以人机工程为导向，切实强化对其的人机交互设计。从当前主流车型的尾门来看，主要有三厢车与两厢车之分，若根据汽车尾门的启闭模式来划分，常见的主要有两种，一种是自动启闭，另一种是手动启闭。由于自动启闭的设计过程复杂，且成本高、销量低，本文研究主要选取两厢车的手动式尾门为例，主要是因为此类尾门的采用较多，此类尾门的启闭都需要利用气弹簧来助力，且布置方案较为复杂，所需涉及的因素较多，比如后部车身结构、不同功能模块的位置、后部人机尺寸、安装空间，这四个因素之间互相影响，具有密不可分的特点，所涉及零件的类型和数量也较多，因此，本文研究的基于人机工程强化汽车尾门的总布置方案设计，能有效地预防尾门在启闭时的力度过大、开启行程不适、后风窗玻璃黑边宽度过大而遮挡视线等方面的问题。

2基于人机工程的汽车尾门的人机要求分析

2.1启闭力方面的人机要求梳理

第一，模型简化。由于汽车产品和类型较多，且尾门的形状、大小也存在较大的差异，为了更好地提升尾门启闭方式的人机性，本研究以常见的两厢车为例，对其常见的运动模型进行了简化处理，得到简化后的模型详见图1。从图1可以看出，融入了消费者目前较为关心的启闭力概念，由于启闭力是指开启力与关闭力，由于两种力交替出现，此时就需要构建汽车尾门启闭所需的力矩适量平衡方程，即;第二，启闭力曲线值分析。为更好地对汽车尾门的启闭力特点进行分析，本研究紧密结合尾门运动学简化模型与力矩平衡方程，分析开启角度与首部施加力间的关系，所以将汽车尾门开启角度作为横坐标，而施加启闭力作为纵向坐标，建立了图2所示的启闭力曲线。需要说明的是，当尾门关闭时，开启角度是0，施加也是0，且施加0刻度线之下说明此时不用对尾门施加额外启闭力，尾门在此时可以实现自动启闭。在这一过程中，不同的曲线所表示的是在不同温度下的尾门启闭的过程，尾门气弹簧动力介质有两种：一种是压缩后的高压气体，另一种是油气混合物，启闭力曲线对温度这一因素的敏感度较大，一般而言，其温度范围介于-30℃到80℃这一范围，有关温度的特性参数可以从供应商处获取。这就说明在环境温度不同时，尾门启闭力曲线也不同。当处于高温时，汽车尾门关闭力相对较大，当处于低温时，汽车尾门开启力相对较大，而这一过程实际就是利用启闭力曲线来体现人机要求。第三，启闭力优先级方面的人机要求分析。针对一级优先级要求，主要是避免汽车尾门处于低温环境（-30℃）时，尾门开启同样具有避免自由下落的保持力，也就是在开启汽车尾门后，汽车所处的最低温环境不能大于-30℃，才能避免尾门在重力和温度作用下自动关闭。这一情况详见图2中的曲线1所示，发现完全开启尾门后，手部关闭力需要大于等于20N。针对二级优先级要求，主要是确保启闭力曲线的关闭能量适宜。当温度较低时，关闭汽车尾门所需的能量较大；当温度较高时，关闭汽车尾门所需的能量相对较小。例如在图2中，尾门优化设计后，所选的启闭力曲线主要是曲线1和3，在零下30℃与60℃时的关闭能量最佳，预防由于温度过低而导致车辆难以启动的问题，以及在爆𝑚环境下预防出现开启过易。针对三级优先级要求而言，主要是尽可能地减少最大关闭力，关闭力的变化过程的由大致小，尤其是高温时，最大关闭力较大，按照我国的环境温度现状，20℃下的启闭力需要采用曲线2，因此，常温20℃下的关闭力在60N之内，避免日常使用出现尾门关闭困难，例如在上图中，在80℃时，关闭力曲线发生了峰值，那么就表示此时若需要关闭汽车尾门，其最初的需力较小，且在闭合时需加大力度，方能达到闭合的目的，这与我们的实践操作习惯上相悖的，可能出现由于关闭力不足而导致关闭尾门失败，但是我国不用考虑处于80℃下的极限工况。而针对四级优先级要求而言，主要是预防开启时施力形成过高而导致操作上的不适。在图2中，不难发现一个规律，每条开启力曲线的自动开启的临界点就是人手操作力为0时相交的交点，此时的尾门开启角度能转化成尾门开启把手的离地高度。在开启过程中，若手抬得过高，将导致操作不适，所以这一人机要求与尾门把手位置的布置存在一定关联，按照我国环境温度现状，主要是选取曲线6，在零下10℃的环境下，尾门能自动开启时的把手高度适宜。

3总布置方案的设计思路

在人机工程下的汽车尾门总布置方案设计中，为彰显其设计的人机交互性，便于对汽车尾门的启闭操作，优化开口尺寸，满足后视野需求，需要综合分析不同方案的截面，所以在确定总布置方案时，需要在新车型开发初期就要协调好各方，切实加强与相关专业之间的交流，做好不同科室的对接，采取科学方案，对汽车造型模型进行优化，采用数字化的方案呈现样车，再利用仿真模拟软件，对得到的数字化样车的各方面是否具有较强的人机性、科学性进行检查，避免存在互相碰撞的情况，同时根据模拟得到的结果和实际需求，针对性的加强对其设计参数的优化。在具体的优化过程中面积要做好气弹簧参数的设计，又要根据三种不同的等级要求，对布置方案进行优化和完善，以尽可能地满足汽车尾门的人机要求。

4总布置方案的设计流程

结合上述分析和实际设计工作来看，在确定总布置方案设计流程时，需要切实发挥人机工程优化的作用，并在车型开发中加强对其的应用。例如图3为某两厢车的总布置方案设计流程，为我们在汽车尾门设计提供了更多地思考，尤其是在人机交互方面的设计，需要作为未来车型设计的重点所在，并紧密结合实际需求和定位，切实加强对其的设计，才能更好地提高汽车尾门布置方案的科学性与合理性。

5结语

综上所述，在汽车尾门总布置方案设计中，应始终基于人性化和安全化的视角，切实注重人机交互性的提升，以人机工程为导向，切实加强人机要求分析的基础上，做好方案的设计与优化，以更好地提升车品的竞争力。

参考文献：

[1]王俊峰，陈美玉，王峻峰.基于性能要求的汽车尾门轻量化设计研究[J].汽车实用技术，2020（03）：75-78.

[2]高晖，杨兴，聂继全，刘爽，陈博.基于增材制造的汽车尾门设计与专用装备研发[J].汽车零部件，2019（04）：32-35.

[3]汪祥，李涛，贺占魁.汽车尾门气弹簧系统优化设计研究[J].机械设计，2018，35（12）：99-103.

作者：张明晶 单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司