背门设计指南R.docx

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背门设计指南R

背门设计指南

1.概述

背门总成是位于车身后背部的开闭件，需要保证其基本的开关运动，打开时的支撑定位和关闭时的密封；需要满足相关法规要求，模态、刚度应达到设定目标，满足制造工艺要求，在满足性能的前提下重量尽可能轻。

背门总成与外造型息息相关，需要从造型效果图阶段就开始介入分析，保证满足造型意图的前提下，相关工程结构能实现。

2.背门的结构型式

上开式

背门铰链布置在背门顶部，开启时背门绕铰链轴线向上举升（如图1所示）。

这种开启方式的背门一般由背门焊接总成、背门铰链总成、背门锁总成、背门护板总成及一些背门附件、线束等组成。

图1上开式背门

典型的上开式背门焊接总成结构如图2所示。

图2上开式背门结构

侧开式

背门铰链布置在背门侧面，常见于背门上挂备胎的SUV车型。

由于备胎置于背门外，影响后部碰撞，另外背门铰链布置在侧面，侧围后立柱需要加强，导致侧围、背门结构左右不对称，会增加设计难度及成本。

这种开启方式的背门一般由背门焊接总成、背门铰链总成、背门锁总成、背门护板总成、备胎和护罩总成及一些背门附件、线束等组成（如图3所示）。

图3侧开式背门

典型的上开式背门焊接总成结构如图4所示。

图4侧开式背门

3.背门设计流程

本文就上开式背门展开论述，其设计流程如下：

4.背门设计要求

法规要求

外部凸出物

背门外部型面需要满足以下法规：

国内GB11566-2009《乘用车外部凸出物》

欧洲ECER26《就外部凸出物方面批准车辆的统一规定》

74/483/EEC《机动车辆外部凸出物》

法规要求如下（详见GB11566-2009）：

除以下零部件外：

——高于地面的零部件；

——低于底线的零部件；

——在工作状态或静止状态下，均不能被直径为100mm的球体所触及的零部件；

——凸出车身外表面不到的零件以及凸出车身外表面以上、5mm以下但零件朝外的步伐是圆滑的零部件。

其余车身外表面凸出零件的圆角半径不应小于。

如图5所示。

图5外部凸出物要求

对于后牌照安装在后背门外板上面的，需根据以下法规要求进行校核：

国内GB17541-1995《汽车和挂车号牌板（架）及其位置》

欧洲70/222/EEC《机动车辆及其挂车后牌照板的固定及其安装空间》

北美SAEJ686-1999《机动车牌照板》

后牌照的尺寸具体如下：

1），国内：

440mm×140mm

2），欧州：

520mm×120mm（一般采用此种）

340mm×240mm

后牌照的安装位置要求如下：

1），后牌照板的中点不要处于车辆纵向对称平面的右方；

2），后牌照板及号牌架不要超出车辆后端左边缘；

3），后牌照板下边缘距离地面不小于；

4），后牌照板上边缘不要高于地面，如果不能满足，则尽可能靠近，但不能超过；

5）后牌照板的垂直度的范围为±5°，如果由于车身后部形状的设计原因，不能满足此要求，则：

上边缘不超过，向上的倾斜角度不超过30°，如上边缘超过，则向下倾斜角度不超过15°。

后牌照可视角度要求（在如下空间可见）：

1），从后牌照两侧向外的可视角度为30°；

2），从后牌照的上边缘向上的可视角度为15°；

3），如果后牌照上边缘离地高度大于，通过牌照板下边缘的水平面，则上边缘向下的可视角度为15°。

后视野要求

后挡风玻璃透明区域要满足以下法规：

国内GB15084-2013《机动车辆后视镜的性能和安装要求》

欧洲2003/97/EC《间接视野装置和安装这类装置车辆的型式批准》

法规要求如下（详见GB15084-2013）：

驾驶员借助内后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为20000mm的视野区域，其中心平面为汽车纵向基准面，并从驾驶员的眼点后60000mm处延伸至地平线。

在测量上述后视野时，允许头枕、遮阳板、后风窗刮水器、加热元件、S3类制动车灯，或车身构件（如：

纵向基准面附近对开门的后窗立柱等部件）遮挡部分视野，但当遮挡部分投影在与汽车纵向基准面垂直的铅垂面上时，其总和应占视野的15%以下。

遮挡程度是在头枕处于最低位置，遮阳板处于收回位置时测定。

人机要求

对于在背门牌照灯盖板区域布置外开扣手的，其离地高度推荐值为1000mm，以保证操作舒适。

背门开启和关闭力推荐值40≤F≤55N。

性能要求

刚度

刚度是物体抵抗变形的能力。

刚度有两种，静态刚度和动态刚度。

静态刚度一般包括弯曲刚度和扭转刚度两种。

背门总成的刚度应满足设计目标，以保证汽车在正常使用过程中不会产生过大变形，避免产生无法正常开闭、密封不良导致漏水等质量问题。

动态刚度用车身模态频率来衡量。

这个频率应该与载荷的激振频率相差较大才可以，以在汽车行驶过程中避免产生共振，提升NVH性能。

背门外板抗凹性

背门外板平坦部位应有背门内板的撑脚或者补强板进行支撑，以满足抗凹性，避免当人手按压背门外板等情况时，产生过大变形，影响外观品质。

工艺性要求

冲压工艺性

首先要考虑的就是背门总成各零件的冲压工艺性。

比如对冲压方向，拔模角度，开孔方向，工艺缺口，零件最小圆角，孔边距等要有充分的考虑。

焊接工艺性

在设计时要考虑到焊接的可行性和方便性。

比如对焊接顺序，焊接层数，焊接边尺寸，焊枪操作空间，焊接定位等问题的考虑。

涂装工艺性

要在背门内板下部加漏液孔，在背门内板上部加排气孔，两个零件非焊接面之间的间隙应≥3mm，考虑流液路线是否合理，涂胶间隙等。

装配工艺性

满足背门总成相关附件及电器、内外饰等系统零部件的安装，且拆装方便。

轻量化设计

在汽车行业，轻量化是趋式。

轻量化可以有两种方式，一是采用轻质材料来减少车身重量。

另一种是优化车身结构。

在这里我们主要谈的是第二种，我们在设计背门内板和加强板时要考虑到通过加加强筋或通过优化结构来加强强度，从而可以在不需要的地方做减重孔、减小零件尺寸来达到轻量化的目的。

5.背门附件布置和典型断面设计

背门附件布置和断面设计是同时进行的，初步布置附件后做出相应位置的背门结构断面，如果发现无法保证断面面积时就需要对附件位置进行调整。

背门附件布置

背门铰链布置

1）背门开度：

背门开启时离地高度要保证满足人机工程要求，开启后的最低点要高于大多数人的头顶，保证人的头部不易碰到后背门下部最低点；最高点要保证关门时大多数人的手臂能够到。

背门开启时离地高度决定了背门的开启角度，而背门铰链的最大开启角度应该在背门开启角度的基础上，保证5°以上的余量。

2）铰链间距：

在考虑背门分缝、顶盖后部分块等情况下，背门铰链间距应尽可能加大，以保证背门连接稳定性。

3）铰链轴线位置：

上开式背门铰链轴线沿Y向布置，X向、Z向位置与造型面、背门与顶盖分缝、铰链类型和尺寸、铰链处背门内外板断面面积等因素有关。

布置时，首先应满足背门与顶盖的最小运动间隙及背门最大开度时与铰链固定部分安全间隙；其次应满足背门内板在铰链处结构及顶盖流水槽的结构。

铰链在车体侧的安装面应该尽量与顶盖外表面和背门包边面平行，以保证背门在前后方向上调整时，背门与顶盖的段差在Z向不发生变化。

4）运动间隙：

在背门开启过程中，应保证背门与周围零件（顶盖、侧围、铰链固定部分等）满足最小安全间隙要求。

背门与顶盖运动间隙≧（背门与顶盖分缝间隙8mm）

背门与侧围运动间隙≧4mm（背门与侧围分缝间隙4mm）

背门与铰链固定部分运动间隙≧4mm

5）装配要求：

应把安装工具装配到铰链安装位置进行校核，保证工具通过空间，拆装方便，铰链与车门内板间隙要求﹥3mm，如图所示。

同时需满足背门内板冲压、涂装要求。

背门气弹簧布置

气弹簧力学特性：

1）开启背门时，气弹簧产生的力矩应略小于背门本身重量产生的力矩，这样可以保证在开门时，门不会自动打开以避免伤人。

这时需要施加一定开启力，使背门向上打开。

a）背门的重量对开启力和关闭力的大小影响最大，背门越轻则开启和关闭越轻便；

b）一般情况下，背门重量在千克以上时，开启力和关闭力在~左右。

开启力和关闭力在~80N时也可接受，超过80N的话对操作的人比较困难。

2）当背门开启到一定的临界角度时（这个角度一般根据离地高度来定），气弹簧产生的力矩就会大于背门本身重量产生的力矩，这时背门就会自动往上打开，直到最大开度。

3）在背门最大开度时，气弹簧产生的力矩应比背门本身重量产生的力矩约大50N左右的力，也就是说关闭背门时需施加50N左右的力。

气弹簧布置原则：

1）满足背门总成打开时的力学特性；

2）保证气弹簧的结构能实现，主要是指气弹簧的伸长量加上压缩终了时气体的长度不要大于气弹簧的总长，且保证压缩终了时气体的长度不得小于10mm；

3）布置空间足够，气弹簧拆装方便；

4）保证气弹簧与侧围及背门内板、背门框密封条等周边零件的运动间隙≥8

mm；

5）气弹簧安装点刚度满足要求。

6）气弹簧安装时一般采用活塞在上方，活塞杆在下方，这样可以减低摩擦和确保最好的阻尼质量及缓冲性能。

气弹簧布置方式

根据气弹簧在背门上的安装方式可以分为反转式和倒立式。

1）反转式：

背门关闭时，气弹簧在车体侧的安装点处于背门上的安装点的上方；背门完全开启时，气弹簧在车体侧的安装点处于背门上的安装点的下方。

即气弹簧上端安装点在车体侧。

如图6所示。

图6反转式

2）倒立式：

背门关闭时和完全开启时，气弹簧在车体侧的安装点都处于背门上的安装点的下方。

即气弹簧下端安装点在车体侧。

如图7所示。

图7倒立式

这两种方式的优缺点：

背门开启时，反转式在背门开口处没有气弹簧的干扰便于取放物品，而倒立式容易在取放物品时碰到气弹簧。

相同的背门开度，倒立式需要的摆转空间比反转式的小，但安装尺寸L一般比反转的长，倒立式的气弹簧活塞杆始终朝下，对其性能发挥有一定的好处。

当背门处于关闭状态时，如果气弹簧轴线的延长线在铰链轴线的前方，则气弹簧布置方式应采用反转式；如果气弹簧轴线的延长线在铰链轴线的后方，则气弹簧布置方式应采用倒立式。

由于气弹簧在车体的安装点一般在D柱外板流水槽区域，且背门关闭后气弹簧要放置在D柱外板的流水槽，因此气弹簧的布置要结合D柱的结构设计进行。

布置气弹簧时一般根据铰链轴线位置先初步确定上安装点位置，然后根据背门开度、气弹簧自身的性能和长度来确定下安装点。

气弹簧的上安装点位置距铰链转轴中心的尺寸影响气弹簧需要的支撑力，在载荷力矩一定的条件下，该尺寸减少10%，气弹簧的支撑力增加将超过10%，同时气弹簧的行程也会随之变化。

设计的目标应在满足后背门开度及背门两侧方便接近的前提下，尽量减小气弹簧需要的支撑力，因为过大的支撑力会增加气弹簧的制造成本以及后背门气弹簧安装点的刚度要求。

根据经验，一般来说气弹簧上安装点与铰链轴线的距离要≥170mm，背门关闭时气弹簧车体安装点到气弹簧背门安装点和铰链轴线的连线的距离≤5mm（M20为、S3为、C20为、）。

背门气弹簧布置应满足以下要求：

1）背门关闭状态气弹簧的力与车门重力的合力应具有关闭背门的趋势，以保证安全性；

2）靠气弹簧力应能保证将车门开启到最大开度，并保证一定的开启速度；

3）在关闭过程中，有一段距离内气弹簧力与车门重力正好平衡，即平衡点。

为保证操作安全性，平衡点一般设计在人的腰部高度上；

4）为保证安全，车门开启到最大开度2/3位置左右时，要求减小开启速度，这可通过调整气弹簧内部阻尼来实现；

5）背门开启和关闭操作力应便于操纵。

背门锁及开启手柄布置

背门锁、开启手柄一般借用成熟车型的部件进行布置，要求锁止安全，满足法规要求。

背门锁和开启手柄之间的拉杆根据布置位置重新设计。

背门锁布置

1）锁体位置：

锁体应位于背门中间下侧，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°，保证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，如图8所示。

锁体与锁销啮合点和铰链轴线的连线

图8锁位置

2）开启匹配：

锁开启机构与锁扣、拉杆开启行程匹配。

3）安全间隙：

背门锁体随背门一起运动，考虑到背门受到重力作用下垂的因素，需要保证背门锁在运动过程中与周边件（包括锁体与背门门槛；锁外开机构与背门内、外板等）的最小运动间隙≥5mm。

4）装配要求：

考虑锁安装可行性和方便性。

背门锁开启手柄布置

1）开启手柄手部操作空间要求≥25mm；

2）开启手柄开启后与牌照灯饰板间隙≥5mm。

背门限位块布置

背门限位块分类：

1）侧压式限位块（如图9所示），其精度要求较低，背门与左右侧围间隙容易控制；

图9侧压式限位块

2）正压式限位块（如图10所示），其精度要求较高，背门与左右侧围间隙不易控制；

图11限位块与锁一体化

图10正压式限位块

3）限位块与锁一体化（如图11所示），可节约布置空间，背门内板结果设计更灵活，提升背门外观品质。

背门限位块布置

参考成熟车型进行合理布置，保证其安装结构容易实现，背门关闭时受力良好。

典型断面设计

背门铰链处断面

这个断面应体现背门外板与扰流板、背门外板与后挡风玻璃等零部件配合关系、背门密封面、密封间隙以及背门总成和顶盖后横梁结构等信息；背门断面腔体和顶盖后横梁断面腔体面积应对标成熟车型，保证满足强度、刚度等性能。

这个断面里的后挡风玻璃黑边应满足后视野要求，如果不满足则需向造型提出修改要求。

背门气弹簧处断面

该断面应体现背门外板与侧围、背门内板与D柱上外板、背门外板与后挡风玻璃等零部件配合关系、背门密封面、密封间隙以及背门总成和D柱结构等信息；背门断面腔体和D柱断面腔体面积应对标成熟车型，保证满足强度、刚度等性能。

设计该断面时应考虑背门线束装配空间，有背门侧护板时应考虑其卡扣安装方向，避免背门内板上的安装凸台结构无法做出。

后挡风玻璃黑边应满足后视野要求，如果不满足则需向造型提出修改要求。

6.背门密封面设计

背门密封面定义

背门密封面是指背门密封条接触的背门内板上的曲面和安装背门框密封条的卡接面，如图12所示。

密封面设计是否得当，影响背门开闭舒适性、背门的密封性、背门框密封条的使用寿命等。

图12

背门密封面的基本要求

满足密封性要求

密封性是指车内不受车外雨水、灰尘、噪声的侵害，同时满足一定的车门开闭舒适性等性能要求。

满足背门结构设计要求

车门工程化设计之初，密封面的设计相当重要，其设计质量的好坏除了影响背门密封性外，还直接影响到背门扭转刚度、背门强度、背门内板工艺性、背门内部结构设计等。

密封面需过渡光顺、无扭曲，背门内板上密封面上不能设计焊点，其宽度应能保证密封条正常接触。

背门内板上密封面的宽度是根据密封条的断面决定的，其宽度应大于图12所示的a值，否则将影响密封条的正常压缩。

背门内板上密封面的宽度一般应≥20mm。

背门密封面设计要点

背门密封面的设计输入

背门密封面设计输入条件有：

后视野边界条件、CAS面及分缝线、后组合灯位置及其结构、背门铰链布置数据、背门锁布置数据、背门气弹簧布置数据等。

背门密封面与铰链的关系

在背门上部（顶盖后横梁中部），背门密封面与铰链轴线的关系如图13所示。

图13

从理论上讲，背门内板上密封面延长线应穿过铰链轴线，才能保证背门在关闭过程中，背门内板与背门框密封条压缩关系的正确性。

但在通常情况下，一般很难完全做到背门内板上密封面的延长线正好穿过铰链轴线，但尽量保证其偏差在5°以内，如图14所示。

图14

如果设计密封面与理论位置相差太大，容易造成背门框密封条的异常磨损、变形等，同时影响密封性，造成漏水。

背门密封面与背门锁的关系

在设计背门密封面时，应输入背门锁的初步布置数据，要求背门内板上密封面与背门锁扣上与锁体的啮合轴处于平行关系。

而在通常情况下，背门锁扣上与锁体的啮合轴的轴线延长线要求通过铰链轴线，这样就能保证密封面延长线也能通过铰链轴线。

背门内板上密封面延长线不能通过铰链轴线时，允许和理想状态存在一定夹角，但夹角应≤5°，否则将影响密封条的使用寿命和背门的密封性（如图15所示）。

因为背门在关闭过程中，首先接触密封条，再通过背门锁与锁扣的啮合拉紧来达到背门的关闭状态，如果存在太大的夹角，在锁啮合时其受力状态也存在一定的夹角，容易对密封条造成损伤变形，影响密封条使用寿命和背门开闭舒适性，同时也存在漏水风险。

图16

图15

背门密封面与密封条卡接面的关系

从密封条的压缩方式来看，可分为正压和侧压。

背门框密封条的压缩方式一般都为正压式，如图16所示。

由于车身结构设计的需要，不可能在每个位置都达到正压状态，特别是在转角处。

为保证密封和提高密封条的使用寿命，背门密封面与密封条卡接面之间的夹角应保证在85°~95°之间，如图所示。

背门密封面设计对车身扭转刚度的影响

背门密封面设计对车身（包括背门本身）扭转刚度有很大的影响，特别是背门框的转角处的处理效果，将直接影响车身扭转刚度和背门密封性（背门框如图17所示）。

图17

背门框转角处的处理没有固定的要求，从设计经验来看，其R值越大越有利于背门框密封条的安装和提高密封性，同时对提高车身的扭转刚度也有积极的作用。

图18和图19是两个背门框密封面设计的简图。

图18

图19

从图18和图19的对比来看，图19的背门密封面设计优于图18，一方面可以提高背门框的扭转刚度，同时也使背门框密封条装配光顺，不易出现扭曲现象、影响背门密封性等。

但R的大小，也同时影响后视野和背门框的开口大小，对背门框下部的进出性和行李箱容积造成影响，因此，背门框密封条卡接面的在底部的转角处R值的大小，许考虑人机工程方面的影响。

密封面结构设计对背门密封性的影响

顶盖后横梁处密封面结构设计对密封性的影响

密封条卡接面的结构设计对背门的密封性有很重要的左右，特别是顶盖后横梁处，要避免漏水。

目前比较典型的结构设计断面如图20所示。

图20

顶盖后横梁处背门框密封条卡接面尽量高，以防止背门打开时水流入车内，图21和图22是两种结构的对比，显然图T的结构不容易出现漏水情况。

图22

图21

背门槛上排水结构的设计对密封性的影响

从实践经验来看，很多汽车（两厢或三厢轿车）容易在行李箱或背门处出现漏水现象，其中一个主要原因就是密封条卡接面上结构设计不完善所造成的。

如图23的结构就有很大的漏水隐患，而图24则容易避免漏水风险。

图23

7.选材建议

背门内外板要考虑防锈，一般用镀锌钢板。

背门外板由于有抗凹要求，通常选择烘烤硬化钢板；背门内板由于拉延深度较深，形状比较复杂，一般选择比较容易成型的钢板；铰链、气弹簧、背门锁处对强度要求较高，这几处的加强板可以考虑选用高强度钢板。

和表2是两款车型背门钣金零件材料明细，选材时可供参考。

表2M车背门钣金零件材料明细