基于断面的后背门设计方法

刘鹏辉 徐家川 李迪 王可

摘要：车身断面贯穿于车身结构设计的始终，良好的断面设计对车身结构的设计质量和效率具有重要意义。文章以某车型后背门为例，在给出设计流程及公差规范的基础上，通过主断面及基础面设计，研究了基于断面的后背门设计方法。结果表明该方法能够提高设计质量，缩短设计周期。

关键词：后背门;汽车结构;断面设计;设计方法

中图分类号：U463：8 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）OS-0033-06

刘鹏辉

硕士学历，主要研究方向为车身数字化设计与制造。

前言

汽车开闭件是一个相对独立的系统，简单的采用整车设计方法会使开闭件设计复杂化，从而加重设计工作。为了避免这种问题，本文从工程角度出发，给出一种基于断面的高效后背门设计方法，为汽车开闭件设计提供参考。

1 设计准备

在设计前期，需要对部件结构、设计流程和设计公差进行梳理。

1.1 一般设计流程

后背门一般由内板、外板、加强板、扰流板、铰链、玻璃、门锁、灯组成，具体结构如图1所示。由于后背门设计思想是由外而内，先断面后数模，先外板后内板，先大面后特征，逐步细化的过程[1]。依据外板曲面，玻璃曲面，分缝线，密封间隙，门锁结构等主要控制点先进行断面设计，然后依据断面进行后背门内外板设计。

在设计流程中，经常进行附件布置，CAE分析，结构断面修改等工作，整个设计过程需要不断的修改、验证和反复。如图2中评判结果不满足性能要求，必须返回断面设计，调整断面结构，然后再次进入设计循环。因此，有效借鉴标杆车型结构、断面资料能够大幅度减小工作复杂度和工作量，减少出错概率，提高工作效率户。具体流程如图2所示。

1.2 设计公差规范

公差是控制整车质量和外观品质的重要一环，需要参考实际生产工艺水平，依据断面位置设计DTS。

依据CAS面来选择典型断面位置，断面选择应该满足：（1）结构的关键和危险部位，如图3中铰链处断面02;（2）零部件装配关系复杂部位，如图中门锁处断面07;（3）车身对称平面必须有断面，如图中01;（4）涉及外观造型配合的断面，如车门与侧围配合处，如图中04和06。具体断面位置如图3。

然后在断面位置依据CAS面、公差要求、工艺制造水平来设计DTS，DTS见表1。用DTS控制后背门的门缝间隙、面差，如表1中部位02的DTS，以顶盖为段差基准进行设计，后背门外板与顶盖间隙7.0±1.5mm，段差设计为-1mm，即扰流板只沿负Z向产生偏差，平行差1.5mm。

2 主断面设计

在断面设计中，根据断面的基本类型，将其分成两大类，一是普通断面，只涉及板件搭接关系;二是含有零件装配关系的复杂断面。在此次设计中，因标杆车型密封效果较好，故参考标杆车型断面设计，初步确定密封支口和密封面之间距离11mm，密封条压缩量9mm，密封平面直线段确保大于18mm，包边设计为7mm。

2.1 普通位置断面设计

在所选取的后背门断面中，除图3中02、03、07位置之外，都可称为普通位置断面。如图4中外板即是CAS面在断面01处断面图，然后依据DTS设计间隙及段差。密封条支口和密封面设计参考标杆车密封面角度及位置初步确定距离为11mm且保持垂直，其它断面位置的密封支口与密封面位置关系必须与01位置保持一致，确保良好的密封性能。外板玻璃搭接边下沉4mm，与后背门玻璃之间保留涂胶空间[3]。依据以上设计要求进行断面O1初始设计，得到图4的设计结果。

完成初始设计后，对断面不合理位置进行优化，完善内板、外板结构，使结构受力更加合理，避免应力集中;细化钣金件搭接部位，初步确定焊接、包边长度及位置关系，断面设计完成之后如图5所示。对于其它普通位置断面的设计，可依据01断面位置设计方法进行设计得到。

2.2 特殊位置断面设计

2.2.1 铰链位置断面设计

铰链位置断面即02位置断面，是最重要的断面之一。在这个断面中，主要设计铰链安装面、密封面以及玻璃支口。铰链安装位置需要增加加强板，保证铰链系统刚度，防止出现背门下沉量过大，影响背门闭合或门缝间隙平整度，所以在设计过程中需要给加强板留出空间，如图6中加强板位置[4]。由于铰链轴向平行于Y轴，所以只需根据提供的铰链类型布置轴线在ZX平面上的位置即可。在布置铰链轴线位置后，必须要校核铰链开度，人机工程校核要求后背门开度达到80°（见图6中铰链位置圆弧线即最大开度线），避免运动件之间出现干涉同时确保最小运动间隙3.5mm。铰链位置断面设计结果如图6所示。

2.2.2 门锁位置断面设计

f7锁位置断面主要涉及后背门锁的安装，锁体应位于背门中间下侧，为保证门锁结构在长期使用过程中的可靠性，在安装位置增加加强版，防止门锁安装面及密封面支口在门锁长期开合过程中产生变形，影响密封及外观。

同时背门关闭状态锁销轴线延长线应通过铰链轴线或者锁体与锁销啮合点和铰链轴线的连线跟锁销轴线的夹角≤5°，锁体在啮合瞬间与锁销切向啮合，保证背门安全锁止，提高锁体寿命。保持合理空间，避免行驶过程中后背门锁止不严出现的振动、异响等问题，门锁位置断面设计如图7所示。

3 后背门设计

在典型位置断面设计完成之后，依据断面形状，进行后背门基础面搭建，在此之前，首先要先确定大面趋势线，即断面引导线。

对于引导线的设计，由于后背门上端基础面延展趋势与顶盖后端分缝线相同，故01、02位置断面引导线选取CAS面顶盖后端分缝线;03位置断面选取玻璃断面线作为引导曲线;06位置断面选取Z轴向X轴正向偏转10°的轴线作为引导曲线;07位置斷面选取后背门底端门缝线作为引导曲线。

3.1 外板设计

外板设计相对较少，主要是从CAS面上提取曲面建立起来，确保造型风格不变，CAS面造型见图8。对于在CAS面上没有显现出来的位置，例如扰流板覆盖位置，玻璃曲面覆盖位置外板形状等另行设计。

设计方法是从典型断面位置中提取出外板曲线，参照选定断面引导线，对外板被覆盖位置进行设计，如图9中扫略曲面为外板上的扰流板安装面。

完成外板初步设计后，在外板上设计必要特征。像装配过程中使用的定位孔，导流板安装孔，玻璃定位孔等细节特征。

另外某些基础面上的特征需要改进或者添加以及最后外板包边设计等，都需要在后期工作中进行完善。外板设计完成后，结果如图to所示。

3.2 内板设计

相较于外板，内板设计比较复杂，因为需要考虑的问题更多，如密封面，铰链安装面，门锁安装面等。由于内板具有多重台阶式曲面，故采用逐层设计方法，以密封面为起始设计曲面，向两侧扩展，以达到更好的设计效果。

在内板设计中，首先考虑密封面设计。密封条选择正压式，即密封条支口垂直于密封面，但是在实际设计过程中无法达到处处垂直，故设计时应尽量保证垂直度误差50以内[5]。曲面衔接尽量光顺平滑，不能有变化过于剧烈的转角，如图11。如果拐角曲面无法满足光顺要求，则需要放宽边界限制。

对于密封面拐角位置，半径大则利于密封条安装和性能的提高，但对于后背门进出性和行李箱容积产生负面影响，故对拐角处半径大小要从多方面考虑。

铰链安装面的设计要依据所选铰链进行，既要保证足够的安装空间，又要考虑与顶盖部位的铰链安装面形成合适的夹角，确保后背门的开合角度。由于铰链安装面处有众多附件，故铰链安装平面尽量宽，以方便附件安装，同时增加使用过程中的可靠性，铰链安装面如图12所示。

对于玻璃支口设计要依据01、02、03位置断面中选取支口线，设计方法如图9，根据引导曲线得出玻璃支口。在设计支口拐角处时需参考外板与支口间隙，使间隙处处均匀，否则钣金件之间会出现装配问题。

最后设计内板边界即与外板搭接边处。内板边界设计依据主断面设计中的内板边界线，通过引导曲线扫略设计成型。由于后尾灯位置原因，需要做下沉设计，以便后尾灯的安装，下沉量根据所选后尾灯设计，如图13所示。

在完成三个基础面之后，对基础面进行拼接处理，使其形成一个整体，将腔体进行填充，最后一个后背门内板基本形状初步形成。

在内板基础面设计完成后，考虑轻量化处理甲。在钣金件大范围的平面区域，掏空或使用加强筋。如对内板上的空腔填充区域，在保证强度的前提下，进行掏空处理，并在内板上起支架，对外板起支撑作用，避免外板在使用过程中出现凹陷、振动、噪音等影响使用体验的现象。最后对内板进行细节特征设计，处理过程与外板特征设计相同，最后得到设计结果如图14。

3.3 加强板设计

对于后背门整体而言，为了保证视野空间，门框两侧设计相对于整体而言较窄，为保证门框强度，防止安装面变形，在气弹簧、铰链以及门锁位置设计加强板。反复修改后，后背门最终设计结如图15。

4 CAE分析

在整个设计中，CAE分析存在于各个设计节点。根据图2中的判断流程，通过CAE分析设计零部件性能，对于不满足要求的部位进行重新设计，以保证后背门整体性能要求[7]。在完成设计后必须进行后背门模态分析，提高低阶模态，避免共振现象。

5 结论

后背门设计在整车设计中十分重要，通过断面设计后背门是目前最高效的设计方法，能在更短的设计周期中高质量完成设计。同样，开闭件设计也可以通过控制断面形状、设计要点等关键信息控制设计流程，使整个过程清晰、可控，能够避免因流程混乱而造成的工期上的延误和人力资源上的浪费。

参考文献：

[1]Zhang Dongsheng，Lv Zhanglai.The Car BodyModeling Design by Reverse Engineering Techniques[J].Elsevier journal.2011（11）：1908-1911.

[2]张雷，房长江，蔡金伟.汽车开闭件系统开发概述[J].时代汽车.2018（06）：33-34.

[3]费翔，汪星.浅析某车型尾门气撑杆性能提升[J].汽车零部件.2018（01）：33-36.

[4]张太成.SUV车型后背门刚度设计[J].山东工业技术.2015（09）：33-34.

[5]辛勇、张向超.汽车后背门密封结构优化[C].第十四届河南省汽车工程科技学术研讨会.2017-9-20：81-82.

[6]黄金陵.汽车车身设计[M].机械工业出版社.2007.

[7]都琪、张继伟、马讯.轿车车门结构优化设计[J].湖北汽车工业学院學报.2009（4）：15-18.