基于用戶需求的一種車輛尾部結構設計及設計方法運用

竇曉東

摘 要：電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比，更加鮮明的個性化需求成為其一大賣點。公司一款微型電動車前期創(chuàng)意，即提出尾門向下旋轉(zhuǎn)打開，除了滿足貨物進出通道，尾門還能夠充當座椅滿足兩個成年人坐下的功能需求。為此我們開發(fā)了一種車身結構設計方法，怎樣從滿足用戶這一需求到產(chǎn)品功能實現(xiàn)。

關鍵詞：車身結構;車身強度;車身耐久

1 引言

電動汽車越來越多的出現(xiàn)在人們的生活中，與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，個性化、科技感等創(chuàng)新點成為其代名詞，電動汽車的設計也需要更多的創(chuàng)新方法來滿足客戶的新需求。一新款微型電動車即提出這樣一個使用場景：尾門向下翻轉(zhuǎn)打開，打開的尾門可充當座椅，滿足兩個乘客坐在上面休息的需求。

通過對這一使用需求分析，參照市場上有下翻開啟尾門的車型（僅可開啟，不能滿足坐人），通過外觀造型設計、工程方案構劃、三維數(shù)據(jù)模型建立、模型CAE剛度、強度分析等過程，建立了對應的車身外觀造型及車身結構，然后通過樣件制作、樣車制造，試驗驗證，駕乘體驗，完成新車型的開發(fā)，投入市場供用戶購買使用。

2 車型的外觀造型設計

2.1 尾部上半部分玻璃，下半部分可開啟的尾門

車輛尾部布置首先必須滿足法規(guī)需求的燈光布置（一般位于尾部兩側(cè)位置），然后由兩側(cè)的側(cè)圍結構、上部頂蓋總成、下部的尾端板總成圍成一個尾門洞，中部為一個可整體的向上旋轉(zhuǎn)打開的尾門，后檔玻璃膠粘于尾門上，隨尾門一起運動，尾門軸線在車后端靠頂蓋的位置。開發(fā)的新車型需求尾門可坐人，就需要將尾門向下旋打開，原結構隨尾門一起運動的玻璃因避免磕碰破裂等原因，也不便再集成在尾門上。外觀造型設計即：將原設計的尾門分為后擋玻璃與尾門上下兩部分，上部玻璃粘膠固定于車身，此透明區(qū)域為駕駛員提供后視野。下部為高度減小后的尾門，沿底部軸線旋轉(zhuǎn)刻打開，打開后尾門洞繼續(xù)作為后備廂的貨物通道，同時放水平的尾門提供坐人的座椅功能。

2.2 尾門向下翻轉(zhuǎn)，需滿足的工程要求及人機需求

尾門向下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸線需布置在尾門下部，根據(jù)軸線與尾門相對位置的不同有外旋打開、內(nèi)旋打開兩種方式。如圖1所示：

外旋打開：打開時整個尾門向車身以外區(qū)域運動。尾門鉸鏈需要的長度較長、尾門坐人時受力點到鉸鏈固定點的力臂也長，需要抵抗的扭矩也大。

內(nèi)旋打開：打開時尾門下邊緣向車身內(nèi)部旋轉(zhuǎn)運動，鉸鏈臂可做的較短，為避讓干涉需要尾門與后保杠之間留出足夠的縫隙，此時車輛外觀上也需設計有此縫隙，對造型風格的整體性破壞較大。

通過對兩種打開方式在外觀造型需求、乘坐時受力分析等的對比，決定為追求更佳的外觀造型，采用尾門外旋打開的方式，其受力不佳的結構缺陷用更多的成本代價解決。

3 車身結構設計及模擬分析

3.1 尾門密封及后檔玻璃粘接需求，增加尾部中間橫梁，搭建出后檔玻璃洞和下部尾門洞。

通過增加設計尾部中間橫梁，為上部后檔玻璃提供下部粘接，同時為尾門提供上部密封結構。如圖2所示：

尾門打開時，人坐在尾門上面，整個尾門為懸臂梁結構，為優(yōu)化受力，在尾門兩邊增加鋼絲拉繩，改善受力狀態(tài)，軟的鋼絲在尾門關閉時也可以變形收縮，不占用空間和造成干涉。如圖3所示：

尾門內(nèi)部裝飾件保持平整及適當?shù)娜彳浂龋黾幼谏厦娴氖孢m度，類似座椅功能。

3.2 建立車身結構的有限元模型

通過以上方案確定及三維數(shù)據(jù)模型的建立，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CAE分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)，添加約束、施加受力，分析模型的強度、剛度。如圖4所示：

尾門總成的鉸鏈在車身上安裝部分固定約束（上圖車身側(cè)），與尾門安裝的鉸鏈部分（上圖車門側(cè)_2）僅保留旋轉(zhuǎn)自由度，尾門與車門側(cè)鉸鏈部分固定約束。兩側(cè)拉繩的直徑均為2.0mm，受力極限為2000N。

受力加載：尾門定義載物為120Kg，轉(zhuǎn)換為施力約為1200N，加載尾門中間部分平面上，如圖5所示：

通過以上分析模型及結果對比分析，不斷優(yōu)化尾門鉸鏈截面大小、鋼絲拉繩直徑等得到滿足用戶需求的最佳成本投入，實現(xiàn)車型的優(yōu)化設計。

4 試驗驗證及產(chǎn)品投放

確定設計數(shù)據(jù)后，進行零部件的樣件制作，然后制造樣車，做尾門子系統(tǒng)受力模擬試驗、整車使用壽命下的耐久模擬試驗，對出現(xiàn)的問題再進行優(yōu)化改善，最終確定量產(chǎn)車型數(shù)據(jù)，按照量產(chǎn)車生產(chǎn)模式完成產(chǎn)品的在線生產(chǎn)及投放市場。

5 結論

本文通過對用戶使用場景需求到最終產(chǎn)品投放，整個設計過程所用方法及設計結構的介紹，不僅展示了一種新型的汽車尾門結構，也闡述了電動汽車車身新功能快速開發(fā)的一種模式，對推動電動汽車開發(fā)及汽車結構多樣化具有指導意義。

參考文獻：

[1]黃金陵主編;汽車車身設計;機械工業(yè)出版社;出版時間2007.9.1.

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