基于人機(jī)工程的汽車(chē)尾門(mén)總布置方案設(shè)計(jì)

張建國(guó)，朱煒昱，袁航

(上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805)

0 引言

目前市場(chǎng)上主流車(chē)型的尾門(mén)按大小分為三廂車(chē)尾門(mén)和兩廂車(chē)尾門(mén)；按照開(kāi)啟方案分為自動(dòng)開(kāi)啟和手動(dòng)開(kāi)啟。考慮到成本、銷(xiāo)量以及尾門(mén)啟閉設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，本文作者論述對(duì)象定義為兩廂車(chē)手動(dòng)開(kāi)啟尾門(mén)。這種車(chē)型的尾門(mén)在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)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(chē)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(duì)汽車(chē)尾門(mén)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(mén)開(kāi)啟力或者關(guān)閉力過(guò)大、開(kāi)啟行程過(guò)高或者過(guò)低、后風(fēng)窗玻璃黑邊寬度過(guò)大等問(wèn)題。

1 汽車(chē)尾門(mén)啟閉力的人機(jī)要求

1.1 汽車(chē)尾門(mén)布置方案運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型

汽車(chē)產(chǎn)品豐富多樣，尾門(mén)大小形狀也都不盡相同。首先為闡述尾門(mén)啟閉操作便利的人機(jī)要求，對(duì)兩廂車(chē)尾門(mén)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)化，如圖1所示。

在簡(jiǎn)化模型中，引入了顧客關(guān)心的開(kāi)啟力和關(guān)閉力的概念，開(kāi)啟力和關(guān)閉力不是同時(shí)存在的。在尾門(mén)緩慢打開(kāi)和關(guān)閉的過(guò)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(chē)尾門(mén)重力；hG為汽車(chē)尾門(mén)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(mén)開(kāi)啟及閉合過(guò)程中顧客手部施加的力；hHand為尾門(mén)開(kāi)啟及閉合過(guò)程中顧客手部施加力的力臂。

圖1 兩廂車(chē)尾門(mén)運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型

1.2 汽車(chē)尾門(mén)啟閉力值曲線(xiàn)

為研究尾門(mén)啟閉力特點(diǎn)，根據(jù)尾門(mén)運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型和力矩平衡方程，找到開(kāi)啟角度和用戶(hù)手部施加力值這兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系式，以尾門(mén)開(kāi)啟角度為橫坐標(biāo)，用戶(hù)手部施加啟閉力的大小為縱坐標(biāo)，建立尾門(mén)啟閉力值曲線(xiàn)。圖2所示為某兩廂車(chē)尾門(mén)啟閉力值曲線(xiàn)。其中，尾門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下的開(kāi)啟角度為0，手部施加力的“0”刻度線(xiàn)以下表示此時(shí)不再需要對(duì)尾門(mén)施加額外的啟閉力，即此時(shí)尾門(mén)可以自動(dòng)啟閉。

圖2 某兩廂車(chē)尾門(mén)啟閉力值曲線(xiàn)

由圖2可以看出，不同曲線(xiàn)分別描述尾門(mén)在不同溫度下開(kāi)啟或者關(guān)閉過(guò)程。由于尾門(mén)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(mén)的啟閉力值曲線(xiàn)對(duì)于溫度比較敏感。氣彈簧設(shè)計(jì)時(shí)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(mén)啟閉力值曲線(xiàn)是不同的。例如，曲線(xiàn)2是在20 ℃環(huán)境溫度下的關(guān)閉力值曲線(xiàn)；曲線(xiàn)6是在-10 ℃環(huán)境溫度下的開(kāi)啟力值曲線(xiàn)。通過(guò)圖中各曲線(xiàn)可以看出：高溫時(shí)尾門(mén)的關(guān)閉力較大，而低溫時(shí)尾門(mén)的開(kāi)啟力較大。不同車(chē)型汽車(chē)尾門(mén)的啟閉力值曲線(xiàn)是不同的，但是通過(guò)啟閉力值曲線(xiàn)所反映出來(lái)的人機(jī)要求是大同小異的。

1.3 汽車(chē)尾門(mén)啟閉力優(yōu)先級(jí)人機(jī)要求

1.3.1 第一優(yōu)先級(jí)要求

第一優(yōu)先級(jí)人機(jī)要求是要防止尾門(mén)在低溫環(huán)境下開(kāi)啟后自動(dòng)落下砸到用戶(hù)。因此，要求尾門(mén)在低溫-30 ℃環(huán)境溫度下開(kāi)啟后要有一定的保持力，保證尾門(mén)的開(kāi)啟狀態(tài)而不會(huì)自動(dòng)落下。曲線(xiàn)1尾門(mén)完全打開(kāi)時(shí)，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(jí)要求

第二優(yōu)先級(jí)人機(jī)要求是要保證啟閉力值曲線(xiàn)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(mén)的關(guān)閉能量。關(guān)閉能量過(guò)小意味著尾門(mén)解鎖后有意外提前開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn)；關(guān)閉能量過(guò)大意味著尾門(mén)開(kāi)啟力及開(kāi)啟力行程較大，打開(kāi)困難。通常低溫時(shí)尾門(mén)的關(guān)閉能量較大，高溫時(shí)尾門(mén)的關(guān)閉能量較小。根據(jù)中國(guó)的環(huán)境溫度狀況，在優(yōu)化后蓋啟閉力值曲線(xiàn)時(shí)應(yīng)該著重考慮曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)3，保證-30 ℃和60 ℃的關(guān)閉能量適中，防止車(chē)輛在寒冷的北方尾門(mén)開(kāi)啟困難，或者在曝曬環(huán)境下尾門(mén)過(guò)易開(kāi)啟。

1.3.3 第三優(yōu)先級(jí)要求

第三優(yōu)先級(jí)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(shí)的最大關(guān)閉力較大。結(jié)合中國(guó)環(huán)境溫度，需要著重考慮20 ℃下的啟閉力曲線(xiàn)2，建議常溫20 ℃下的關(guān)閉力不超過(guò)60 N，否則會(huì)在日常使用中感覺(jué)關(guān)閉尾門(mén)困難。由圖2可以看出：80 ℃的關(guān)閉力曲線(xiàn)出現(xiàn)了峰值，意味著此環(huán)境下，顧客關(guān)閉尾門(mén)初始階段用力較小，隨著尾門(mén)的閉合反而需要加大力量才能關(guān)閉尾門(mén)，這與顧客通常的操作習(xí)慣不同，可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)閉力不足操作失敗，對(duì)于中國(guó)范圍銷(xiāo)售的汽車(chē)通常不需要考慮80 ℃的極限工況。

1.3.4 第四優(yōu)先級(jí)要求

第四優(yōu)先級(jí)人機(jī)要求是要避免在開(kāi)啟過(guò)程中人手施力的行程過(guò)高，引起操作不適。由圖2可以看出，各開(kāi)啟力值曲線(xiàn)與人手操作力值為0的刻度線(xiàn)的交點(diǎn)，即為尾門(mén)可自動(dòng)開(kāi)啟的臨界位置，此時(shí)尾門(mén)開(kāi)啟角度可以轉(zhuǎn)換為尾門(mén)開(kāi)啟把手的離地高度。開(kāi)啟過(guò)程中手抬得過(guò)高，會(huì)造成用戶(hù)操縱不舒適，該人機(jī)要求與尾門(mén)把手的布置位置也有一定關(guān)系。根據(jù)中國(guó)的環(huán)境溫度，主要應(yīng)該關(guān)注曲線(xiàn)6，保證在-10 ℃環(huán)境溫度下，后蓋可以自動(dòng)開(kāi)啟時(shí)的把手高度適合。

2 汽車(chē)尾門(mén)開(kāi)啟尺寸相關(guān)人機(jī)要求

汽車(chē)尾門(mén)開(kāi)啟尺寸相關(guān)人機(jī)要求有尾門(mén)開(kāi)啟高度和行李箱開(kāi)口尺寸。尾門(mén)開(kāi)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(shí)兼顧95%分位男性[4]成人在車(chē)后站立時(shí)不碰頭。行李箱開(kāi)口相關(guān)的人機(jī)尺寸主要包括尾門(mén)的裝載寬度及裝載高度等，一般通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型分析以及產(chǎn)品特性來(lái)初步確定目標(biāo)值。

3 汽車(chē)后視野相關(guān)人機(jī)要求

汽車(chē)后視野[4]相關(guān)的人機(jī)要求有：通過(guò)內(nèi)后視鏡鏡面上邊沿的水平后視野線(xiàn)要求，要求該視野線(xiàn)盡量不被遮擋；眼點(diǎn)向后通過(guò)后風(fēng)窗玻璃可視區(qū)域下邊沿的直接后視野線(xiàn)要求，要求看到車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)所遮蔽的角度大小，遮蔽角越小越好。隨著汽車(chē)智能化模塊的應(yīng)用，倒車(chē)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(chē)尾門(mén)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(chē)尾門(mén)的布置方案會(huì)直接影響尾門(mén)啟閉操作便利性、尾門(mén)開(kāi)口人機(jī)尺寸和后視野，需要通過(guò)多個(gè)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(chē)尾門(mén)的總布置方案設(shè)計(jì)可以在開(kāi)發(fā)初期階段就對(duì)這些進(jìn)行判斷，協(xié)調(diào)造型更改，保證開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

新車(chē)型整車(chē)開(kāi)發(fā)的初期，總布置方案設(shè)計(jì)部門(mén)會(huì)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各專(zhuān)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(chē)。該樣車(chē)用于對(duì)整車(chē)進(jìn)行尺寸定義、人機(jī)評(píng)價(jià)、碰撞及可制造性的仿真模擬等。雖然之后的造型會(huì)和該樣車(chē)有較大的不同，但是基于該方案樣車(chē)所做技術(shù)評(píng)價(jià)具有重大的參考價(jià)值。通過(guò)方案樣車(chē)數(shù)據(jù)可以得到新車(chē)型尾門(mén)的估算質(zhì)量以及重心位置，以及尾門(mén)鉸鏈、尾門(mén)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(chē)的尾門(mén)啟閉力值曲線(xiàn)。通過(guò)分析各溫度條件下的曲線(xiàn)狀態(tài)，按照之前所述的尾門(mén)啟閉相關(guān)的人機(jī)要求優(yōu)先等級(jí)對(duì)尾門(mén)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(mén)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(mén)質(zhì)量及重心位置、尾門(mén)結(jié)構(gòu)、尾門(mén)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(mén)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。可以看出其中人機(jī)工程優(yōu)化占據(jù)著重要的節(jié)點(diǎn)。基于人機(jī)工程的汽車(chē)尾門(mén)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(chē)型的開(kāi)發(fā)工作之中，取得了令人滿(mǎn)意的效果。

圖3 汽車(chē)尾門(mén)總布置方案設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)論

(1)建立了汽車(chē)尾門(mén)布置方案運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型，分析了汽車(chē)尾門(mén)啟閉力值曲線(xiàn)的人機(jī)要求，通過(guò)對(duì)尾門(mén)啟閉力曲線(xiàn)的詳細(xì)分析，將尾門(mén)操作的人機(jī)要求按照優(yōu)先等級(jí)排列，提高了汽車(chē)尾門(mén)設(shè)計(jì)的操作性和適用性。

(2)探討了汽車(chē)尾門(mén)總布置前期方案開(kāi)發(fā)中的基于人機(jī)工程的兩廂車(chē)尾門(mén)布置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，總結(jié)出尾門(mén)總布置的工作流程圖，為汽車(chē)尾門(mén)的設(shè)計(jì)提供了參考。