劉鵬輝 徐家川 李迪 王可

摘要：車身斷面貫穿于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的始終，良好的斷面設(shè)計(jì)對(duì)車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率具有重要意義。文章以某車型后背門為例，在給出設(shè)計(jì)流程及公差規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過(guò)主斷面及基礎(chǔ)面設(shè)計(jì)，研究了基于斷面的后背門設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明該方法能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。

關(guān)鍵詞：后背門;汽車結(jié)構(gòu);斷面設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：U463：8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）OS-0033-06

劉鵬輝

碩士學(xué)歷，主要研究方向?yàn)檐嚿頂?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

前言

汽車開閉件是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的采用整車設(shè)計(jì)方法會(huì)使開閉件設(shè)計(jì)復(fù)雜化，從而加重設(shè)計(jì)工作。為了避免這種問(wèn)題，本文從工程角度出發(fā)，給出一種基于斷面的高效后背門設(shè)計(jì)方法，為汽車開閉件設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

在設(shè)計(jì)前期，需要對(duì)部件結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)公差進(jìn)行梳理。

1.1 一般設(shè)計(jì)流程

后背門一般由內(nèi)板、外板、加強(qiáng)板、擾流板、鉸鏈、玻璃、門鎖、燈組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于后背門設(shè)計(jì)思想是由外而內(nèi)，先斷面后數(shù)模，先外板后內(nèi)板，先大面后特征，逐步細(xì)化的過(guò)程[1]。依據(jù)外板曲面，玻璃曲面，分縫線，密封間隙，門鎖結(jié)構(gòu)等主要控制點(diǎn)先進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，然后依據(jù)斷面進(jìn)行后背門內(nèi)外板設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)流程中，經(jīng)常進(jìn)行附件布置，CAE分析，結(jié)構(gòu)斷面修改等工作，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程需要不斷的修改、驗(yàn)證和反復(fù)。如圖2中評(píng)判結(jié)果不滿足性能要求，必須返回?cái)嗝嬖O(shè)計(jì)，調(diào)整斷面結(jié)構(gòu)，然后再次進(jìn)入設(shè)計(jì)循環(huán)。因此，有效借鑒標(biāo)桿車型結(jié)構(gòu)、斷面資料能夠大幅度減小工作復(fù)雜度和工作量，減少出錯(cuò)概率，提高工作效率戶。具體流程如圖2所示。

1.2 設(shè)計(jì)公差規(guī)范

公差是控制整車質(zhì)量和外觀品質(zhì)的重要一環(huán)，需要參考實(shí)際生產(chǎn)工藝水平，依據(jù)斷面位置設(shè)計(jì)DTS。

依據(jù)CAS面來(lái)選擇典型斷面位置，斷面選擇應(yīng)該滿足：（1）結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵和危險(xiǎn)部位，如圖3中鉸鏈處斷面02;（2）零部件裝配關(guān)系復(fù)雜部位，如圖中門鎖處斷面07;（3）車身對(duì)稱平面必須有斷面，如圖中01;（4）涉及外觀造型配合的斷面，如車門與側(cè)圍配合處，如圖中04和06。具體斷面位置如圖3。

然后在斷面位置依據(jù)CAS面、公差要求、工藝制造水平來(lái)設(shè)計(jì)DTS，DTS見表1。用DTS控制后背門的門縫間隙、面差，如表1中部位02的DTS，以頂蓋為段差基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，后背門外板與頂蓋間隙7.0±1.5mm，段差設(shè)計(jì)為-1mm，即擾流板只沿負(fù)Z向產(chǎn)生偏差，平行差1.5mm。

2 主斷面設(shè)計(jì)

在斷面設(shè)計(jì)中，根據(jù)斷面的基本類型，將其分成兩大類，一是普通斷面，只涉及板件搭接關(guān)系;二是含有零件裝配關(guān)系的復(fù)雜斷面。在此次設(shè)計(jì)中，因標(biāo)桿車型密封效果較好，故參考標(biāo)桿車型斷面設(shè)計(jì)，初步確定密封支口和密封面之間距離11mm，密封條壓縮量9mm，密封平面直線段確保大于18mm，包邊設(shè)計(jì)為7mm。

2.1 普通位置斷面設(shè)計(jì)

在所選取的后背門斷面中，除圖3中02、03、07位置之外，都可稱為普通位置斷面。如圖4中外板即是CAS面在斷面01處斷面圖，然后依據(jù)DTS設(shè)計(jì)間隙及段差。密封條支口和密封面設(shè)計(jì)參考標(biāo)桿車密封面角度及位置初步確定距離為11mm且保持垂直，其它斷面位置的密封支口與密封面位置關(guān)系必須與01位置保持一致，確保良好的密封性能。外板玻璃搭接邊下沉4mm，與后背門玻璃之間保留涂膠空間[3]。依據(jù)以上設(shè)計(jì)要求進(jìn)行斷面O1初始設(shè)計(jì)，得到圖4的設(shè)計(jì)結(jié)果。

完成初始設(shè)計(jì)后，對(duì)斷面不合理位置進(jìn)行優(yōu)化，完善內(nèi)板、外板結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，避免應(yīng)力集中;細(xì)化鈑金件搭接部位，初步確定焊接、包邊長(zhǎng)度及位置關(guān)系，斷面設(shè)計(jì)完成之后如圖5所示。對(duì)于其它普通位置斷面的設(shè)計(jì)，可依據(jù)01斷面位置設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)得到。

2.2 特殊位置斷面設(shè)計(jì)

2.2.1 鉸鏈位置斷面設(shè)計(jì)

鉸鏈位置斷面即02位置斷面，是最重要的斷面之一。在這個(gè)斷面中，主要設(shè)計(jì)鉸鏈安裝面、密封面以及玻璃支口。鉸鏈安裝位置需要增加加強(qiáng)板，保證鉸鏈系統(tǒng)剛度，防止出現(xiàn)背門下沉量過(guò)大，影響背門閉合或門縫間隙平整度，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要給加強(qiáng)板留出空間，如圖6中加強(qiáng)板位置[4]。由于鉸鏈軸向平行于Y軸，所以只需根據(jù)提供的鉸鏈類型布置軸線在ZX平面上的位置即可。在布置鉸鏈軸線位置后，必須要校核鉸鏈開度，人機(jī)工程校核要求后背門開度達(dá)到80°（見圖6中鉸鏈位置圓弧線即最大開度線），避免運(yùn)動(dòng)件之間出現(xiàn)干涉同時(shí)確保最小運(yùn)動(dòng)間隙3.5mm。鉸鏈位置斷面設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

2.2.2 門鎖位置斷面設(shè)計(jì)

f7鎖位置斷面主要涉及后背門鎖的安裝，鎖體應(yīng)位于背門中間下側(cè)，為保證門鎖結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的可靠性，在安裝位置增加加強(qiáng)版，防止門鎖安裝面及密封面支口在門鎖長(zhǎng)期開合過(guò)程中產(chǎn)生變形，影響密封及外觀。

同時(shí)背門關(guān)閉狀態(tài)鎖銷軸線延長(zhǎng)線應(yīng)通過(guò)鉸鏈軸線或者鎖體與鎖銷嚙合點(diǎn)和鉸鏈軸線的連線跟鎖銷軸線的夾角≤5°，鎖體在嚙合瞬間與鎖銷切向嚙合，保證背門安全鎖止，提高鎖體壽命。保持合理空間，避免行駛過(guò)程中后背門鎖止不嚴(yán)出現(xiàn)的振動(dòng)、異響等問(wèn)題，門鎖位置斷面設(shè)計(jì)如圖7所示。

3 后背門設(shè)計(jì)

在典型位置斷面設(shè)計(jì)完成之后，依據(jù)斷面形狀，進(jìn)行后背門基礎(chǔ)面搭建，在此之前，首先要先確定大面趨勢(shì)線，即斷面引導(dǎo)線。

對(duì)于引導(dǎo)線的設(shè)計(jì)，由于后背門上端基礎(chǔ)面延展趨勢(shì)與頂蓋后端分縫線相同，故01、02位置斷面引導(dǎo)線選取CAS面頂蓋后端分縫線;03位置斷面選取玻璃斷面線作為引導(dǎo)曲線;06位置斷面選取Z軸向X軸正向偏轉(zhuǎn)10°的軸線作為引導(dǎo)曲線;07位置斷面選取后背門底端門縫線作為引導(dǎo)曲線。

3.1 外板設(shè)計(jì)

外板設(shè)計(jì)相對(duì)較少，主要是從CAS面上提取曲面建立起來(lái)，確保造型風(fēng)格不變，CAS面造型見圖8。對(duì)于在CAS面上沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)的位置，例如擾流板覆蓋位置，玻璃曲面覆蓋位置外板形狀等另行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)方法是從典型斷面位置中提取出外板曲線，參照選定斷面引導(dǎo)線，對(duì)外板被覆蓋位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖9中掃略曲面為外板上的擾流板安裝面。

完成外板初步設(shè)計(jì)后，在外板上設(shè)計(jì)必要特征。像裝配過(guò)程中使用的定位孔，導(dǎo)流板安裝孔，玻璃定位孔等細(xì)節(jié)特征。

另外某些基礎(chǔ)面上的特征需要改進(jìn)或者添加以及最后外板包邊設(shè)計(jì)等，都需要在后期工作中進(jìn)行完善。外板設(shè)計(jì)完成后，結(jié)果如圖to所示。

3.2 內(nèi)板設(shè)計(jì)

相較于外板，內(nèi)板設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，因?yàn)樾枰紤]的問(wèn)題更多，如密封面，鉸鏈安裝面，門鎖安裝面等。由于內(nèi)板具有多重臺(tái)階式曲面，故采用逐層設(shè)計(jì)方法，以密封面為起始設(shè)計(jì)曲面，向兩側(cè)擴(kuò)展，以達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果。

在內(nèi)板設(shè)計(jì)中，首先考慮密封面設(shè)計(jì)。密封條選擇正壓式，即密封條支口垂直于密封面，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法達(dá)到處處垂直，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證垂直度誤差50以內(nèi)[5]。曲面銜接盡量光順平滑，不能有變化過(guò)于劇烈的轉(zhuǎn)角，如圖11。如果拐角曲面無(wú)法滿足光順要求，則需要放寬邊界限制。

對(duì)于密封面拐角位置，半徑大則利于密封條安裝和性能的提高，但對(duì)于后背門進(jìn)出性和行李箱容積產(chǎn)生負(fù)面影響，故對(duì)拐角處半徑大小要從多方面考慮。

鉸鏈安裝面的設(shè)計(jì)要依據(jù)所選鉸鏈進(jìn)行，既要保證足夠的安裝空間，又要考慮與頂蓋部位的鉸鏈安裝面形成合適的夾角，確保后背門的開合角度。由于鉸鏈安裝面處有眾多附件，故鉸鏈安裝平面盡量寬，以方便附件安裝，同時(shí)增加使用過(guò)程中的可靠性，鉸鏈安裝面如圖12所示。

對(duì)于玻璃支口設(shè)計(jì)要依據(jù)01、02、03位置斷面中選取支口線，設(shè)計(jì)方法如圖9，根據(jù)引導(dǎo)曲線得出玻璃支口。在設(shè)計(jì)支口拐角處時(shí)需參考外板與支口間隙，使間隙處處均勻，否則鈑金件之間會(huì)出現(xiàn)裝配問(wèn)題。

最后設(shè)計(jì)內(nèi)板邊界即與外板搭接邊處。內(nèi)板邊界設(shè)計(jì)依據(jù)主斷面設(shè)計(jì)中的內(nèi)板邊界線，通過(guò)引導(dǎo)曲線掃略設(shè)計(jì)成型。由于后尾燈位置原因，需要做下沉設(shè)計(jì)，以便后尾燈的安裝，下沉量根據(jù)所選后尾燈設(shè)計(jì)，如圖13所示。

在完成三個(gè)基礎(chǔ)面之后，對(duì)基礎(chǔ)面進(jìn)行拼接處理，使其形成一個(gè)整體，將腔體進(jìn)行填充，最后一個(gè)后背門內(nèi)板基本形狀初步形成。

在內(nèi)板基礎(chǔ)面設(shè)計(jì)完成后，考慮輕量化處理甲。在鈑金件大范圍的平面區(qū)域，掏空或使用加強(qiáng)筋。如對(duì)內(nèi)板上的空腔填充區(qū)域，在保證強(qiáng)度的前提下，進(jìn)行掏空處理，并在內(nèi)板上起支架，對(duì)外板起支撐作用，避免外板在使用過(guò)程中出現(xiàn)凹陷、振動(dòng)、噪音等影響使用體驗(yàn)的現(xiàn)象。最后對(duì)內(nèi)板進(jìn)行細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)，處理過(guò)程與外板特征設(shè)計(jì)相同，最后得到設(shè)計(jì)結(jié)果如圖14。

3.3 加強(qiáng)板設(shè)計(jì)

對(duì)于后背門整體而言，為了保證視野空間，門框兩側(cè)設(shè)計(jì)相對(duì)于整體而言較窄，為保證門框強(qiáng)度，防止安裝面變形，在氣彈簧、鉸鏈以及門鎖位置設(shè)計(jì)加強(qiáng)板。反復(fù)修改后，后背門最終設(shè)計(jì)結(jié)如圖15。

4 CAE分析

在整個(gè)設(shè)計(jì)中，CAE分析存在于各個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)圖2中的判斷流程，通過(guò)CAE分析設(shè)計(jì)零部件性能，對(duì)于不滿足要求的部位進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以保證后背門整體性能要求[7]。在完成設(shè)計(jì)后必須進(jìn)行后背門模態(tài)分析，提高低階模態(tài)，避免共振現(xiàn)象。

5 結(jié)論

后背門設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)中十分重要，通過(guò)斷面設(shè)計(jì)后背門是目前最高效的設(shè)計(jì)方法，能在更短的設(shè)計(jì)周期中高質(zhì)量完成設(shè)計(jì)。同樣，開閉件設(shè)計(jì)也可以通過(guò)控制斷面形狀、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等關(guān)鍵信息控制設(shè)計(jì)流程，使整個(gè)過(guò)程清晰、可控，能夠避免因流程混亂而造成的工期上的延誤和人力資源上的浪費(fèi)。

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