兩廂乘用車(chē)衣帽架承載性研究與淺析

鄭家節(jié)，韋英林，韋智敏（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州，545007）

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兩廂乘用車(chē)衣帽架承載性研究與淺析

鄭家節(jié)，韋英林，韋智敏
（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州，545007）

研究?jī)蓭擞密?chē)后窗衣帽架的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。在衣帽架產(chǎn)品材料定義為木粉板，原材料力學(xué)性能都限定的前提下，通過(guò)CAE分析和物理試驗(yàn)尋找影響產(chǎn)品強(qiáng)度和承載能力的控制參數(shù)，進(jìn)一步得出最優(yōu)控制參數(shù)值，兼顧產(chǎn)品造型外觀(guān)上的要求，從而達(dá)到設(shè)計(jì)低成本和高性能產(chǎn)品要求的目的。

木粉板；兩廂車(chē)；衣帽架；承載能力

引言

兩廂乘用車(chē)衣帽架是布置在整車(chē)后排座椅與后擋風(fēng)玻璃之間的內(nèi)飾零件，會(huì)隨著汽車(chē)尾門(mén)的打開(kāi)而向上翻轉(zhuǎn)，是可以拆卸下來(lái)的裝飾零件。其功能是能夠放置一些隨身物品，同時(shí)也起到遮擋行李箱的作用。為了滿(mǎn)足顧客放置物品的需求，尤其是比較沉的物品，對(duì)衣帽架自身強(qiáng)度要求很高；而受制于整個(gè)衣帽架的布置，整個(gè)產(chǎn)品只在左右兩側(cè)才有支撐平臺(tái)，這對(duì)衣帽架的承載性能有很大的挑戰(zhàn)，本文也正是對(duì)此而展開(kāi)的系列研究，從而找出影響承載性能的因子以便進(jìn)行控制。

本文主要對(duì)材料為木粉板，通過(guò)熱壓成型的產(chǎn)品——兩廂乘用車(chē)后窗衣帽架進(jìn)行強(qiáng)度分析，尋找到產(chǎn)品的最優(yōu)復(fù)合方案及可靠結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的衣帽架零件見(jiàn)圖1所示。木粉板為木塑復(fù)合材料的簡(jiǎn)稱(chēng)［1］，木塑復(fù)合材料（Wood Plastics Composites）是用木粉、木纖維或植物纖維填充、增強(qiáng)的改性熱塑性材料［2-3］。選擇木粉板作為研究材料是由于木粉板兼有木材和塑料的成本和性能的優(yōu)點(diǎn)，其制品具有質(zhì)量輕、成本低，對(duì)設(shè)備磨損小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于汽車(chē)、建筑、包裝、家具等領(lǐng)域。

1　增加復(fù)合材料（無(wú)紡布）對(duì)衣帽架力學(xué)性能的影響

1.1確認(rèn)復(fù)合樣品的排布方式

常見(jiàn)衣帽架形式如圖1。

圖1　常見(jiàn)衣帽架形式

通過(guò)對(duì)比在衣帽架正反面復(fù)合無(wú)紡布［4］，并結(jié)合無(wú)紡布的取向方式，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行取樣測(cè)試，每種復(fù)合方案的材料取樣數(shù)量為5塊，用材料試驗(yàn)機(jī)得出不同樣品的彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，如表1所示。

表1　樣品排布方式

1.2應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比

應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線(xiàn)［5］的對(duì)比見(jiàn)圖2、圖3。

1.3衣帽架增加復(fù)合材料的方案總結(jié)

根據(jù)不同的取樣方式所做試驗(yàn)?zāi)軌虻贸鲆韵聝牲c(diǎn)：

一是衣帽架表面增加無(wú)紡布覆蓋可以明顯提高樣品的彎曲模量，在面料已經(jīng)確定的前提下，建議采用無(wú)紡布紋理橫向覆蓋基材；二是衣帽架背面增加無(wú)紡布對(duì)樣品的彎曲強(qiáng)度有所減弱，但能提高樣品的彎曲模量，可以視成本的壓力及造型的要求來(lái)決定是否選擇產(chǎn)品背面覆蓋無(wú)紡布。

2　衣帽架結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品剛度的影響

2.1確定衣帽架結(jié)構(gòu)變量

通過(guò)對(duì)衣帽架模型數(shù)據(jù)的分析，影響衣帽架的結(jié)構(gòu)特征主要有以下幾方面：A—衣帽架長(zhǎng)度、B—衣帽架寬度、C—側(cè)邊沿到沉臺(tái)寬度、D—前邊沿到沉臺(tái)寬度、E—凸起寬度、F—沉臺(tái)到缺口的長(zhǎng)度、G—缺口寬度、H—缺口長(zhǎng)度、I—前翻邊高度、J—側(cè)翻邊角度、K—沉臺(tái)角度、L—側(cè)翻邊高度、M—側(cè)翻邊圓角、N—沉臺(tái)深度等，具體參數(shù)如圖4所示。

圖4　衣帽架的控制變量

2.2變量變化對(duì)產(chǎn)品剛度的影響

通過(guò)CAE對(duì)以上變量的分析計(jì)算，得出不同變量對(duì)剛度貢獻(xiàn)量的影響程度（如圖5），右下圖可知，影響產(chǎn)品剛度的主要因素為側(cè)翻邊高度、前后翻邊的高度、沉坑深度和長(zhǎng)度。

圖5　衣帽架剛度貢獻(xiàn)量分析

進(jìn)一步通過(guò)變量變化對(duì)剛度的影響分析（見(jiàn)圖6），可以看出：1）影響衣帽架剛度的主要因素：衣帽架側(cè)翻邊高度，前翻邊的高度，沉坑深度，長(zhǎng)度；2）在0-40%區(qū)域，變量對(duì)剛度的影響最劇烈；之后尤其是產(chǎn)品翻邊的高度變量影響趨于穩(wěn)定，但是中間坑的高度增加對(duì)剛度增加有一定幫助；3）側(cè)翻邊高度，前翻邊高度在0-20%，對(duì)剛度影響最大；4）衣帽架長(zhǎng)度對(duì)剛度有顯著的負(fù)影響。

圖6　衣帽架變量對(duì)剛度影響分析

2.3不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)衣帽架剛度變化的影響總結(jié)

對(duì)兩廂車(chē)衣帽架而言，由于衣帽架長(zhǎng)度及寬度可變范圍很小，因此，翻邊高度及沉坑深度是影響衣帽架剛度的主要因素。1）側(cè)翻邊高度定義：在側(cè)翻邊高度＜45mm時(shí)，增加翻邊高度有利于提高剛度。在側(cè)翻邊高度＜30mm左右時(shí)，增加側(cè)翻邊高度能顯著提高剛度；2）前/后翻邊高度定義：在前/后翻邊高度＜45mm時(shí)，增加前/后翻邊高度有利于提高剛度。在前/后翻邊高度＜35mm左右時(shí)，增加前/后翻邊高度能顯著提高剛度；3）衣帽架A面最好設(shè)計(jì)凹坑，且凹坑越深，衣帽架剛度越好。

3　實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)用

通過(guò)以上產(chǎn)品物理實(shí)驗(yàn)及CAE分析確定的主要控制因素，選定材料為表面橫向紋理無(wú)紡布覆蓋，背面不帶無(wú)紡布，對(duì)某車(chē)型衣帽架前期的造型數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，并進(jìn)一步進(jìn)行CAE模擬分析得出優(yōu)化前后衣帽架的模態(tài)和強(qiáng)度分析。

優(yōu)化前方案：衣帽架沉臺(tái)深度為5mm，側(cè)翻邊高度為20mm；

優(yōu)化后方案：調(diào)整沉臺(tái)深度為20mm，調(diào)整側(cè)翻邊高度為35mm。

兩種方案CAE模擬分析的模態(tài)及強(qiáng)度分別參見(jiàn)圖7和圖8。

圖7　優(yōu)化前方案CAE分析結(jié)果

圖8　優(yōu)化后方案CAE分析結(jié)果

4　結(jié)論

在整車(chē)尺寸及成本限定前提下，定義衣帽架基材為木粉板即為了體現(xiàn)低成本的開(kāi)發(fā)策略，如何在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出高性能的衣帽架產(chǎn)品也正是本文研究的目的所在。兩廂車(chē)衣帽架承載性要求主要是靠?jī)煞矫鎭?lái)衡量：承受的載荷和變形量，對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)即為彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和剛度。通過(guò)取樣試驗(yàn)和CAE的模擬分析，細(xì)化到表面無(wú)紡布的取樣方向，及產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制參數(shù)，由此而得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

［1］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.2008，4.

［2］泛亞內(nèi)飾教材編寫(xiě)組.汽車(chē)內(nèi)飾設(shè)計(jì)概論［M］.人民交通出版社.2012，2.

［3］中國(guó)航空研究院編著.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.航空工業(yè)出版社，2001.

［4］喬生儒主編.復(fù)合材料細(xì)觀(guān)力學(xué)性能［M］.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［5］李思遠(yuǎn)，楊偉，史煒等.木粉/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能及結(jié)晶行為研究［J］.塑料工業(yè)，2005，5.

鄭家節(jié)（1984-），男，廣西桂林人，本科，現(xiàn)工作于上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，主要負(fù)責(zé)汽車(chē)內(nèi)飾零件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作。

E-mail: jiajie.zheng@sgmw.com.cn

Rear Window Trim Stiffness Research On Hatchback Vehicle

JiaJie Zheng， Yinglin Wei， Zhimin Wei
（SAIC GM Wuling Auto Co.，Ltd.， Liuzhou， Guangxi， 545007， China）

Research the stiffness and mode of hatchback rear window trim. Based on the material is wood flour composites with the mechanical performance limiting， find the control factors of product stiffness and load capacity through the CAE analyses and physic test and get the optimized value of control factors to achieve the low cost and high performance target and fulfill the styling requirement.

PP/Wood Flour Composites； Hatchback； Rear Window Trim； Load Capacity

U463.6

A

2095-8412 （2016） 03-510-04