張有忱，劉迎林，秦 柳，虞華春，楊衛(wèi)民＊

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.寧波格林美孚新材料科技有限公司，浙江 寧波315300；3.汽車塑化裝備制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

0 前言

隨著汽車行業(yè)油耗、安全和環(huán)保三大問(wèn)題的加劇，汽車輕量化越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士的重視。目前國(guó)內(nèi)外汽車制造中輕量化主要采取3種途徑：一是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，二是通過(guò)材料替代或采用新材料來(lái)使汽車輕量化，三是采用先進(jìn)的制造工藝。新材料主要為鋁鎂合金、高強(qiáng)度鋼和高分子材料，用高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材用于成型汽車零件可減輕80%以上質(zhì)量，是汽車輕量化的重要途徑之一。本文主要介紹高分子材料成型的汽車后備箱蓋設(shè)計(jì)流程以及塑料成型后備箱蓋在成型工藝上需要注意的問(wèn)題。

1 后備箱蓋設(shè)計(jì)流程

1.1 汽車后備箱蓋概述

汽車后備箱蓋位于汽車背部，與車身內(nèi)部地板組成后備箱系統(tǒng)，常用鈑金沖壓加工制成，是汽車背部面積最大的組成部分［1］。后備箱蓋常用材料為合金鋼，其密度為7800kg／m3，連接方式多采用焊接，是實(shí)現(xiàn)行李箱整體造型效果的基礎(chǔ)框架。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

改用塑料成型工藝加工后，主要選取材料為線形低密度聚乙烯（PE－LLD），密度約為930kg／m3，在選用同一套后備箱模型，且忽略其他零配件制質(zhì)量的前提下，相比鈑金金屬材料后備箱蓋減輕了87%的質(zhì)量。

圖1 后備箱蓋組成Fig.1 Composition of the trunk

汽車后備箱蓋主要組成為：后箱蓋本體、鉸鏈、氣撐桿（也稱支撐桿）、后擋風(fēng)玻璃、鎖扣、緩沖墊。

后備箱蓋的設(shè)計(jì)直接影響到整車的密封性、造型和視野等方面，其布置要求符合人機(jī)工程和法規(guī)要求，需要保證與整車外觀協(xié)調(diào)，并滿足本身的技術(shù)要求［2］。

1.2 后備箱蓋樣式選擇

后備箱蓋的樣式一般分為掀背式、雙段式、側(cè)開(kāi)門式三種類型。掀背式一般特點(diǎn)為整個(gè)后備箱蓋和后車窗玻璃是一體的，能夠一起打開(kāi)，車尾門幾乎垂直。這種后備箱蓋的方式能夠有效減少占用空間，增加汽車靈動(dòng)性［3］。

本案例中采用的后備箱蓋為掀背式。掀背式后備箱蓋需要借助助力氣撐桿來(lái)開(kāi)啟，當(dāng)開(kāi)啟后備箱蓋時(shí)，撐桿內(nèi)部壓縮氣體膨脹，產(chǎn)生反作用力，繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生力矩來(lái)克服重力矩，從而使后備箱蓋開(kāi)啟。

1.3 后備箱蓋參數(shù)布置

1.3.1 開(kāi)口寬度

如圖2所示，開(kāi)口寬度是后備箱蓋開(kāi)啟時(shí)橫向?qū)挾瘸叽?，主要受后備箱造型以及車燈的影響。其波?dòng)范圍應(yīng)為850～1100mm，開(kāi)口越寬，后部可以通過(guò)的行李尺寸就越大，因此應(yīng)該在保證外觀以及車燈造型的前提下盡量增加開(kāi)口寬度。

圖2 開(kāi)口寬度Fig.2 Width of the trunk

1.3.2 門檻高度

如圖3所示，門檻高度是指后備箱蓋關(guān)閉的時(shí)候，其底端距離地面的高度，這個(gè)高度會(huì)影響取放行李的便攜程度。

圖3 門檻高度Fig.3 Height of the trunk

當(dāng)門檻高度過(guò)高時(shí)，用戶在存放行李的時(shí)候需要抬升較高的距離，影響便攜程度；當(dāng)門檻高度過(guò)低時(shí)，追尾撞擊時(shí)將會(huì)直接沖擊后箱蓋部分，會(huì)對(duì)乘客造成安全威脅。

一般設(shè)定門檻高度在550～700mm 之間。此時(shí)門檻高度可在用戶存放行李的范圍內(nèi)，同時(shí)保證追尾時(shí)不會(huì)受到?jīng)_擊，確保乘客的安全［4］。

1.3.3 開(kāi)啟手柄高度

開(kāi)啟手柄高度是指用戶開(kāi)啟后備箱蓋的時(shí)候使用外力作用點(diǎn)的離地高度，這個(gè)尺寸主要受到人機(jī)工程影響。把手位置過(guò)高或者過(guò)低的時(shí)候都會(huì)影響用戶操作便攜程度，一般定開(kāi)啟手柄的高度在600～800mm。

1.3.4 開(kāi)啟力與關(guān)閉力

開(kāi)啟力與關(guān)閉力是指用戶在開(kāi)啟關(guān)閉后備箱蓋時(shí)的操作力，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)以及機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)性方向考慮，開(kāi)關(guān)門推薦的操作力范圍在50～80N。

1.3.5 開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)

背門的開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)要由鉸鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)，鉸鏈布置是重點(diǎn)。兩側(cè)鉸鏈軸線應(yīng)共線并平行于水平面，左右鉸鏈安裝位應(yīng)盡量往兩側(cè)靠，不容易變形；鉸鏈應(yīng)該盡量往車身前方布置（盡量靠近頂蓋），增加背門上邊緣與頂蓋的間隙，也有利于頂蓋后部翻遍設(shè)計(jì)。

圖4 背門開(kāi)啟高度Fig.4 Height of the trunk when opened

如圖4所示，背門開(kāi)啟高度要保證滿足人機(jī)工程要求，開(kāi)啟后的最低點(diǎn)要高于大多數(shù)人的頭頂，不易傷人。最高點(diǎn)要保證大多數(shù)人的手臂能夠到，據(jù)此決定了后背門的開(kāi)啟角度。此外，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最小間隙3mm以上。

1.3.6 打開(kāi)狀態(tài)

后背門打開(kāi)后一般有液壓彈簧撐桿支撐。由于撐桿在白車身上的安裝位置一般是流水槽，而且背門關(guān)閉后撐桿要放置在流水槽中，因此撐桿的布置要結(jié)合車身后流水線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

1.3.7 關(guān)閉狀態(tài)

首先要保證背門密封性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)主斷面反應(yīng)的設(shè)計(jì)思想選擇密封條形式，確定背門密封面與車身流水槽邊的距離，從而定義背門的密封面。密封面和流水槽面理論上要求90°，這樣有利于密封。

1.3.8 其他

保證背門正確鎖止的機(jī)構(gòu)是背門鎖，門鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)布置是重點(diǎn)，必須在內(nèi)板設(shè)計(jì)的初期考慮鎖和鎖扣的安裝面，以及與密封條安裝面的關(guān)系等。

2 塑料制品成型工藝

2.1 基本參數(shù)

本后備箱蓋材料為PE－LLD，采用旋塑成型工藝制作，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 旋塑成型基本參數(shù)Tab.1 The basic parameter of rotary molding

本后備箱蓋外觀參考原有鈑金模型外觀，改用旋塑工藝一次成型［5］。設(shè)定單層壁厚5mm，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，可安裝零件和金屬嵌件。

旋塑制品應(yīng)該在保證其性能要求的基礎(chǔ)上盡量增加厚度，以保證物料充足。以PE－LLD 為例，成型前粉料密度約為成型后材料的1／3，即310kg／m3，要保證成型后沿著模具壁腔形成內(nèi)外雙層制品，即內(nèi)外兩側(cè)都形成5mm 結(jié)構(gòu)的型腔的話，至少需要單層厚度的6倍，即平均30mm 以上的空隙用來(lái)存放粉料，考慮到制品有一些較窄區(qū)域，因此應(yīng)在保證后備箱蓋性能的基礎(chǔ)上盡量增加中間空隙距離以保證存放物料能夠滿足成型要求，本制品中中間間隙最厚區(qū)域達(dá)100 mm，能基本保證物料成型要求。

2.2 后擋板形式

如圖5所示，后箱蓋擋板單獨(dú)成型，后備箱蓋采用旋塑工藝成型后將擋板部分切割后，進(jìn)行零件裝配，然后與后蓋擋板采用卡槽形式連接。

圖5 后擋板Fig.5 The back baffle

2.3 嵌件形式

將金屬材料裝配到塑件制品中，在達(dá)到溫度臨界值時(shí)，線性熱膨脹系數(shù)的差別將導(dǎo)致連接處產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力。減少這些應(yīng)力的方法之一是采用金屬嵌件，在制品成型之前將嵌件預(yù)埋在模具中，使嵌件隨制品一起成型。

在鉸鏈安裝、鎖扣安裝等位置，為了增加安裝的強(qiáng)度，應(yīng)設(shè)計(jì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在保證自身強(qiáng)度的同時(shí)可以使安裝零件的應(yīng)力可以有效的傳遞吸收。同時(shí)應(yīng)保證加強(qiáng)件與內(nèi)板的焊接位置不應(yīng)出現(xiàn)在密封面上。

旋塑制品內(nèi)部金屬嵌件多為非標(biāo)五金件，呈乙型結(jié)構(gòu)，其理論尺寸不超過(guò)80mm×40mm×4mm，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖6。

圖6 乙型五金嵌件Fig.6 Metal insert

后備箱蓋鉸鏈部位采用乙型五金件嵌件形式，如圖7所示。

由于氣撐桿所在側(cè)端部位較窄，乙型五金嵌件會(huì)影響物料流動(dòng)性，因此改用螺栓通孔嵌件形式。

如圖8所示，金屬嵌件剛性螺栓在干涉的條件下被強(qiáng)制裝入塑料制品中，由內(nèi)部擠壓應(yīng)力將其夾住。作用在螺栓外側(cè)的周向拉伸應(yīng)力產(chǎn)生了一個(gè)自內(nèi)向外的壓力，稱其為環(huán)應(yīng)力。內(nèi)部嵌件干涉會(huì)產(chǎn)生這種應(yīng)力，因此在選定合適的螺栓后，根據(jù)最大干涉量可計(jì)算出與螺栓配合的內(nèi)徑尺寸。

圖7 鉸鏈嵌件Fig.7 Metal insert of the hinge

圖8 氣撐桿嵌件Fig.8 Metal insert of the pneumatic spring

最大干涉量為：

式中 Im——最大干涉量，mm

Ds——軸直徑，mm

vb——塑料制品泊松比

vs——嵌件泊松比

Es——嵌件彈性模量，Pa

選定Ds＝12mm；vb＝0.38；vs＝0.31；Es＝206800MPa。幾何因子（G）用來(lái)降低計(jì)算復(fù)雜程度：

D0——塑料件與嵌件配合的直徑，mm

I——塑料與嵌件配合外徑內(nèi)徑差值，mm

σ——嵌件的最大許用應(yīng)力，MPa

其中，I＝2.54m；Im＝1mm。

根據(jù)公式算得G＝12.89，從而D0＝13.71 mm，σ＝Ds／G［（G＋vb）／G＋（1－vs）／Es］＝17.24kPa，后備箱蓋在開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中受到氣撐桿最大環(huán)向應(yīng)力為17.24kPa。

3 結(jié)論

（1）利用旋塑成型工藝成型汽車后備箱蓋相比較鈑金件成型方式，質(zhì)量降低了87%；

（2）在汽車后備箱蓋旋塑成型過(guò)程中，嵌件形式需要考慮物料流動(dòng)性、塑料干涉量要求；

（3）本案例中嵌件最大許用應(yīng)力為17.24kPa，即后備箱蓋在開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中受到氣撐桿最大環(huán)向應(yīng)力為1724kPa。

［1］ 譚能堃，王治杰.SUV 掀背門氣撐桿布置與優(yōu)化［J］.科技傳播，2013，（7）：94－95.Tan Nengkun，Wang Zhijie.Arrangement and Optimization of SUV Hatchback Pneumatic Spring ［J］.Public communication of science technology，2013，7：94－95.

［2］ 安 康，毛春升，盛勇生，等.CATIA 的汽車后背門氣動(dòng)撐桿參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.汽車工程師，2010，（6）：30－32.An Kang，Mao Chunsheng，Sheng Yongsheng，et al.Parameter Design of Back Door Pneumatic Lifting Bar Based on CATIA［J］.Auto Engineer，2010，6：30－32.

［3］ 孫宏圖，申國(guó)哲，胡 平，等.汽車鎂合金車身設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（7）：4－6.Sun Hongtu，Shen Guozhe，Hu Ping，et al.Design on the Magnesium Alloy Car Body［J］.Mechanical Manufacturing and Automation，2009，（7）：4－6.

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［5］ 王守峰.汽車行李箱門成形工藝數(shù)值模擬的應(yīng)用和研究［D］.成都：西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2007.