兩廂車尾門門洞止口邊的設計和優化

袁航，張建國

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

尾門門洞止口邊是指由車頂外板、側面落水槽、尾燈支架以及下部后圍板鈑金焊接在一起組成的立面，用于安裝固定尾門密封條，也常被稱作后蓋法蘭邊。作為尾門啟閉件中的重要設計要素，止口邊是門蓋鈑金等外覆蓋件與行李箱內飾等內覆蓋件的連接橋梁，止口邊的設計不僅關系到尾門的密封特性，也影響尾門結構的剛度和強度，更為車頂內飾、尾門內飾以及行李箱內飾設計提供了邊界條件。本文作者以常見的兩廂車翻轉式尾門為基礎，詳細闡述尾門止口邊的設計和校驗優化方法。

1 尾門止口邊設計輸入

1.1 止口邊技術要求輸入

尾門密封條起著防水、防塵、防噪、減震等功能，為了保證良好的密封特性，在設計之初，需要明確安裝結構的設計要求。設計標準不只牽涉到立面止口邊，還包括與密封條匹配的內板鈑金密封面以及密封條搭接唇邊，如圖1(a)止口邊要素定義。理想的設計狀態下，應該滿足止口邊與繞鉸鏈軸的運動軌跡相切，止口邊與密封面垂直，止口邊與唇邊垂直。即止口邊與鉸鏈連線的角度α1呈90°，止口邊與唇邊的角度α2呈90°，止口邊與密封面的角度α3呈90°，在理想的角度基礎上余量偏差為±7°，以保證止口邊的平順性。

針對不同的密封條規格，止口邊、密封面及唇邊的尺寸標準各不相同，如圖1(b)止口邊尺寸鏈要求，主要控制尺寸為L1～L5。為了得到更好的密封特性，在止口邊的上部和下部區域，可以采用不同的設計標準，中間部分逐漸過渡。由于止口邊下部區域距離鉸鏈較遠，在關門瞬間會產生更大的運動位移，密封條的變形也相應更大，故而在下部區域，應將尺寸L3和L4、L5比例設置得稍大些。設計之初，就需要和零件工程師明確止口邊相關設計要求。

圖1 止口邊要素及相關技術要求

1.2 人機工程學要求輸入

除了要滿足止口邊的基本技術要求，尾門的人機工程學輸入也是止口邊設計需要考慮的重要因素，主要包括最大開啟高度要求、裝載性能要求以及后視野要求。

1.2.1 最大開啟高度要求

尾門在開啟到最大的位置，需滿足高個子男性(95%)站立姿態下的頭部空間，同時尾門拉手的位置能夠在小個子女性(5%)的觸及范圍之內[1]，如圖2所示。對于有電動尾門配置的車型，最大開啟高度設計值應該更大一些。具體根據廠家的設計要求，比如滿足歐美高個子男性或是亞洲更高百分位的身高需求。由于電動尾門基本上都可以自動設置開啟高度，所以在可實現的有效范圍內應將開啟高度設計到最大，把余量留給顧客自己調整。

圖2 尾門最大開啟高度等人機校核尺寸

1.2.2 裝載性能尺寸要求

為了保證良好的裝載性能，應滿足裝載高度盡量低，裝載寬度、開口長度盡可能大，裝載空間充裕。人機工程師會結合前繼車型的使用情況給出參考值，對于全新車型，則需根據競品車型的情況以及自身平臺的先天條件，給出相應的裝載尺寸建議值，作為設計基礎。

1.2.3 后視野等要求

車頂區域止口邊的位置決定了車頂及尾門內飾的高度位置，一般要求內后視鏡上邊沿的水平線不能被遮擋，即保證內后視鏡觀測后部視野的開闊性。水平后視野的要求直接限定了上部止口邊的高度位置，如圖2所示。此外，風窗側面止口邊的位置會影響尾門內飾的寬度位置，受到環狀視野要求的限制。

2 尾門止口邊控制截面

三維止口邊的設計，要建立在止口邊二維截面的基礎上，通過在止口邊的不同位置繪制控制截面，在截面中根據輸入條件等設計要求推導止口邊的位置，然后再將這些二維元素串聯成三維曲面。根據焊接零件不同，考量的設計要求也有所差異，可以將止口邊分為車頂區域、落水槽區域、尾燈支架區域、后圍板區域4個區域制作截面，如圖3所示。

圖3 兩廂車尾門止口邊控制截面

2.1 車頂區域止口邊

車頂區域截面中最關鍵的是Y0截面(圖3截面A)和鉸鏈位置Y截面(圖3截面B)。左右對稱的兩個鉸鏈間距越大，尾門的穩定性越好，所以在合理的范圍內，應當盡量增大鉸鏈間距。內開式鉸鏈Y向間距占整個尾門寬度的比例為65%～70%,具體的鉸鏈定位還需要結合線束波紋管的布置方式及空間,這樣就可以確定截面B的位置。

鉸鏈的X向、Z向定位要結合車頂縫道，原則是在安全范圍內，與鈑金外表面的距離盡量小。如圖4鉸鏈Y截面中，需要注意以下尺寸：鉸鏈到內板鈑金(尺寸①)最小3 mm安全間隙; 考慮尾門鈑金自身的料厚、鈑金間的間隙(尺寸②)等尺寸鏈，就可以推導出鉸鏈軸心到造型外表面的距離，一般為16～18 mm；鉸鏈軸與車頂縫道之間的X向距離(尺寸③)，距離越大，尺寸④越大，但尺寸⑤卻越小，所以要平衡這兩個尺寸；根據經驗，可設置30 mm作為初始值，再結合截面來調整、優化鉸鏈軸位置；尾門運動軌跡到車頂鈑金件(尺寸④)的最小距離要求為3 mm，需要注意的是，通常在Y0截面運動包絡間隙更為苛刻，所以兩個截面要聯合檢查；尾門運動到最大角度位置時，尾門鈑金距離鉸鏈安裝平面(尺寸⑤)之間的最小距離，最小要求為5 mm；尾門的最大開啟角度(尺寸⑥)，是指尾門設計狀態最大開啟角度加3°過開余量。

考慮到造型前期的多變性，而鉸鏈軸的位置又是尾門運動相關的布置基礎，所以在前期方案布置、造型伴隨階段，可以為極限最小要求留一定余量，方便在造型小改的情況下，鉸鏈軸和止口邊布置不必受到太大影響。此外，還需要在線束波紋管固定的位置以及后尾翼固定點等關鍵位置制作截面，協助檢查相關布置空間以及止口邊的合理性。

2.2 后圍板區域止口邊

后圍板區域止口邊的關鍵截面主要是Y0截面(圖3中的截面G)，為了使得汽車裝載方便，原則是將止口邊的位置盡可能的靠后靠下布置。

近年來，由于C-IASI(中國保險汽車安全指數)評價的加嚴，考慮到尾門的耐撞性與維修經濟性，在設計階段需考慮低速追尾碰撞的相關需求，保證尾門鈑金和尾門止口邊在低速結構追尾碰撞試驗中不被撞壞，或是允許輕微整形就能夠修復的損壞。隨著時尚化的造型需求，越來越多的兩廂車型傾向于將尾門和后保險杠設計成齊平的，如特斯拉的Model X車型。由于橫梁不能在X向對尾門鈑金起到很好的保護，解決方案就是將尾門下緣縫道抬高，利用尾門鈑金與移動壁障的Z向落差，避免尾門與移動壁障發生直接碰撞，如圖5所示(注意截面中的壁障實際上是與車身重疊40%，與駕駛方向具有10°的偏置移動壁障，但這里只考慮壁障高度，故而在Y0截面中表示)[2]。由于尾門縫道較高，裝載高度也就相對較高，需要通過優化后保險杠結構、尾門鎖布置、以及內飾結構等一系列尺寸鏈將裝載高度做到盡可能最優。

圖5 后圍板區域Y0截面(齊平尾門設計)

考慮追尾碰撞試驗中對于尾門止口邊的保護，后圍板鈑金件也不允許有大的變形，這就需要控制后橫梁到后圍板之間的X向落差。再綜合考慮裝載性的需求，X向落差過大不利于裝載性能，經過權衡最終確定止口邊的X向位置。后期根據模擬及實驗的結果，以及相應的人機評估結果，再對其進行優化和調整。

2.3 落水槽區域止口邊

落水槽區域止口邊的布置，設計要素主要是氣彈簧/電彈簧的布置空間，以及焊接設備操作空間。在這個區域關鍵截面包括彈簧的上、下固定點截面，以及中部截面。

彈簧的布置區域從外造型上看，即后尾翼到尾燈上方的區域。大多數車型在落水槽區域的尾門側面縫道是平直的，有利于彈簧的布置。但由于造型需求，一些車型的尾門側面縫道呈現S型，為了更好地布置彈簧，可以在下方固定點增加支架，將下固定點位置盡可能降低。在方案設計初期，建議直接使用球頭銷固定彈簧的方案，如果布置空間、制造性都可行的情況下，既節約了支架的成本，布置也更干凈。后續根據氣/電彈簧力值模擬，若有需要再增加支架，增加了布置靈活性。

上、下固定點的調整也要借助于中部截面的檢查，如圖6所示(圖3中截面C)。如果項目定義有電動尾門，因電彈簧需要更大的布置空間，要優先考慮電彈簧的布置，直徑為35～38 mm。落水槽首先應滿足彈簧布置空間，并考慮5 mm的安全余量間隙，見尺寸①。滿足布置空間的前提下，應把止口邊盡可能靠外布置，即落水槽盡量做窄，以增大車子的裝載性能。其次考慮到落水槽的成型性和強度，落水槽深度不宜太大，見尺寸②。為了造型美觀，盡量把玻璃黑邊(尺寸③)控制在合理范圍內，再考慮尾門強度，內外鈑金封閉型腔的面積(尺寸④)不能太小，就基本確定了止口邊的位置，尺寸⑤應盡量小，否則不利于尾門內板的沖壓。

圖6 彈簧中部截面

同樣的，落水槽區域的截面需要同步設計和優化，截面中落水槽的A面角度、整體深度、內板角度以及止口邊的位置盡量保證一致，以保證數據的連貫性以及可成型性[3]。

2.4 尾燈支架區域止口邊

尾燈黑箱數據是側面下部止口邊布置的關鍵輸入，但是在前期方案階段，很難有明確的輸入。這時通過尾燈水平截面的繪制推導止口邊位置(圖3截面E)。根據經驗值，可將止口邊布置在相對于縫道寬度方向約50 mm、深度方向約80 mm的位置。止口邊到尾燈安裝支架之間分別為尾門內板、加強板和尾燈支架，這樣就基本框定了尾燈深度方向的空間。后續再結合尾燈功能定義對截面進行細化調整。

尾燈支架區域的控制截面還有裝載寬度截面，見圖7，位于圖3中的截面F，在Y0截面中密封條向上70 mm做水平截面，兩側密封條間的Y向距離即為裝載寬度。截面中還需要考慮尾門內板的沖壓深度X以及張角α，通常深度越深，張角就需要越大，這樣就會影響裝載寬度。需要結合裝載寬度要求，并和零件及規劃工程師一起討論確認深度、張角、圓角等尺寸要求。

圖7 裝載寬度位置水平截面

3 尾門止口邊校驗及優化

通過截面中初步確定的止口邊位置，已經可以串聯制作出完整的止口邊數據，但由于截面中所考慮的技術要求比較片面，需要對三維止口邊數據進行反復的校驗及調整，才能使最終止口邊數據滿足技術功能、制造工藝及美觀等各項要求。

3.1 止口邊技術要求校驗

在截面的制作過程中，每個截面的設計已經考慮了止口邊相關的技術要求(見圖1)，但是平順之后的三維數據可能會在圓角或是連接過渡區域不滿足要求，所以需要對三維止口邊數據進行技術檢查。此外，圓角連接區域還需要滿足圓角半徑最小值要求，上、下、內、外的圓角都有相應的設計標準，如圖8所示。

圖8 尾門止口邊圓角要求

3.2 工藝可制造性校驗

在截面的制作過程中已經根據不同區域的要求，考慮了工藝可制造性，但三維數據的檢查仍然很有必要，尤其對于圓角區域等不便進行二維檢查的位置，主要校核內容包括止口邊的焊接空間、側圍與落水槽的焊接空間、密封條安裝空間、彈簧等附件的安裝空間，結合止口邊的三維曲面和二維截面數據，就可以初步判斷其工藝制造可行性[4]。

后蓋內板的沖壓深度也深受止口邊位置的影響。一般在下方裝載寬度區域和后蓋中部區域是沖壓深度最苛刻的，最容易出現開裂的位置。直接測量三維止口邊數據到造型外表面的突出特征線位置，如圖9中所示的Y值和Z值，根據其大小初步判斷沖壓難易程度，做出優化調整。

圖9 兩廂車尾門沖壓深度檢查

3.3 光順線性優化

經過技術校核的止口邊數據，需要光順工程師對線型和曲面進行優化，才能得到曲率變化連續的止口邊三維數據。在空間要求比較苛刻的地方，比如沖壓深度極限位置、球頭銷安裝空間狹窄的區域，將這些截面中止口邊的控制點作為關鍵輸入，光順工程師在調整的時候需優先保證這些關鍵點。止口邊的技術要求固然重要，但是美觀同樣需要重視，這對于內飾造型有很好的促進作用。光順之后的止口邊數據才能作為最終結構數據的制作基礎。

4 結論

作為尾門設計中的難點及關鍵要素，對于全新尾門設計，止口邊設計是前期方案設計的重要工作。探討了尾門止口邊的設計和優化方法，根據所屬焊接零部件不同，將止口邊分為車頂、落水槽、尾燈支架、后圍板4個區域，在不同區域結合止口邊技術要求、人機工程等輸入，制作控制截面。以截面中推導的二維止口邊為基礎，串聯三維曲面數據。并根據功能性、制造性、美觀性等要求對止口邊三維數據進行校驗和優化。

止口邊的設計需要兼顧功能要求、造型設計、人機工程、運動校核、可制造性、尾門強度、安全法規以及各種附件的布置空間等諸多因素。在前期設計階段，很難有三維結構數據模擬和驗證，這就更需要方案工程師對來自各方面的要求都有所熟知，協調權衡利弊，從而設計出可行的止口邊方案。