汽車扶手滑動(dòng)操作力的研究與應(yīng)用

高巖

摘要：汽車中央通道的扶手幾乎是中高檔車型的標(biāo)準(zhǔn)配置，其中可滑動(dòng)的扶手為車型檔次的提升提供了較大的貢獻(xiàn)，在為車型贏得良好的舒適性評價(jià)的同時(shí)，也為主機(jī)廠帶來更好的銷售業(yè)績和利潤回報(bào)。本文針對我司在滑動(dòng)扶手操作力方面出現(xiàn)的超差問題進(jìn)行了抽絲剝繭的分析和研究，找到了影響滑動(dòng)操作力的關(guān)鍵因素并進(jìn)行了有針對性的更改優(yōu)化，不但滿足了主機(jī)廠的操作力要求，還從項(xiàng)目中提取了鋼管結(jié)構(gòu)形式的滑動(dòng)扶手操作力計(jì)算表和參數(shù)化模型，為今后的滑動(dòng)扶手項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了快速解決方案和前期力值計(jì)算的理論驗(yàn)證基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)飾；滑動(dòng)扶手；操作力；鋼管；彈片

汽車內(nèi)飾產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須滿足現(xiàn)有國家法律的各項(xiàng)規(guī)定，同時(shí)還要滿足主機(jī)廠的產(chǎn)品功能定義。除最重要的安全性法規(guī)外，人機(jī)舒適性是體現(xiàn)汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)優(yōu)秀與否的重要方面。恰到好處的人機(jī)設(shè)計(jì)可以讓駕駛者輕松駕馭車輛，舒適地使用各種功能。除操控系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)以外，作為內(nèi)飾區(qū)域功能件之一的中央通道扶手是體現(xiàn)設(shè)計(jì)舒適性的主要一員。根據(jù)最近三屆上海/北京車展的扶手信息調(diào)研和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，中央通道的滑動(dòng)扶手作為中高端車型提升舒適性的一種配置，已經(jīng)被越來越多的主機(jī)廠所采用，且市場占有率已逐年提升至接近50%。

主機(jī)廠對滑動(dòng)扶手的主要考核指標(biāo)有剛/強(qiáng)度和滑動(dòng)操作力兩項(xiàng)內(nèi)容，但各主機(jī)廠對滑動(dòng)操作力的各操作階段還有各不相同要求和評判指標(biāo)。扶手剛/強(qiáng)度的要求可以通過沿用成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）來模擬和驗(yàn)證性能指標(biāo)是否合格，但滑動(dòng)操作力的要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不但需要考慮材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且需要用到彈片結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)和控制不同階段的操作力，CAET具較難準(zhǔn)確模擬和預(yù)測，只能到后期采用產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。一旦驗(yàn)證性能指標(biāo)不合格，更改投入會(huì)比較大。而且不同項(xiàng)目的滑動(dòng)扶手產(chǎn)品各不相同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)難確定，制造過程工藝難控制，產(chǎn)品模塊化困難、相對成本偏高等較多問題，因此需要針對滑動(dòng)扶手操作力進(jìn)行深入研究！

1問題來源

在某項(xiàng)目產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，實(shí)測滑動(dòng)扶手的開啟力和關(guān)閉力都超出了主機(jī)廠要求的公差范圍。

2結(jié)構(gòu)拆解及因子分析

首先，我們對項(xiàng)目產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式拆解，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目采用了鋼管滑軌配合彈片的典型結(jié)構(gòu)形式。其中滑動(dòng)上蓋通過兩根鋼管滑軌與下蓋基座連接，上蓋和滑軌可以在下蓋基座上前后滑動(dòng)；在下蓋基座上設(shè)計(jì)了一個(gè)與上蓋筋槽橫向壓緊并摩擦的金屬彈片，通過調(diào)節(jié)上蓋筋槽的造型及彈片的進(jìn)入和滑出角度、彈片剛度、彈片過盈量等參數(shù)，可以使彈片在不同的運(yùn)動(dòng)階段產(chǎn)生不同的阻力效果，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)滑動(dòng)力的功能。

在該產(chǎn)品模型中，上蓋、下蓋基座、鋼管滑軌、儲(chǔ)油環(huán)、彈片等零件的重量、材料、表面處理、結(jié)構(gòu)參數(shù)（厚度、寬度、預(yù)壓縮量）、性能參數(shù)（硬度、剛度）等，以及各零件間的匹配間隙、過盈尺寸等都對最終的滑動(dòng)力存在影響，因此我們將這些參數(shù)進(jìn)行了收集，并根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際波動(dòng)范圍進(jìn)行了評估，匯總到組件變量表中。

然后，我們根據(jù)產(chǎn)品滑動(dòng)操作力超差的問題點(diǎn)進(jìn)行失效模式和失效結(jié)果分析，可以評估出各組件的各相關(guān)參數(shù)對結(jié)果的影響程度，再應(yīng)用變量重要性表，根據(jù)影響程度、重要度等指標(biāo)對相關(guān)變量進(jìn)行綜合打分，最終確定出需要深入研究的重要變量，針對不重要的變量，先進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)鎖定。

最終，經(jīng)過細(xì)致的分析工作，我們可以得到鋼管滑軌配合彈片形式的滑動(dòng)扶手模型操作力的系統(tǒng)分析總結(jié)：鋼管材質(zhì)/外觀處理、彈片剛度、彈片過盈量和接觸面角度為影響開啟、過程和關(guān)閉操作力考核指標(biāo)的重要參數(shù)。

3模型簡化及力學(xué)研究

由于該項(xiàng)目已到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，大部分設(shè)計(jì)參數(shù)（包括產(chǎn)品重量、材質(zhì)、匹配間隙等）都已經(jīng)鎖定，如果進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)更改會(huì)帶來較大的工程更改費(fèi)用問題，而在系統(tǒng)分析總結(jié)中作為關(guān)鍵可控因素的彈片結(jié)構(gòu)相對容易調(diào)節(jié)且更改成本低，對操作力影響占比大，因此被作為進(jìn)一步研究和優(yōu)化的對象。

根據(jù)《材料力學(xué)教程》中“梁的變形”章節(jié)中對撓曲軸的微分方程理論，將彈簧片簡化為矩形截面簡支梁后，根據(jù)彈片設(shè)計(jì)參數(shù)可對其進(jìn)行變形及受力的分析計(jì)算，得到現(xiàn)有彈片在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中提供的作用力，再根據(jù)力的合成與分解法則，進(jìn)一步得到其對滑動(dòng)操作力的影響。根據(jù)產(chǎn)品狀態(tài)實(shí)測重量、摩擦系數(shù)等參數(shù)，代入計(jì)算公式發(fā)現(xiàn)，按照主機(jī)廠的滑動(dòng)操作力要求，彈片在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足特定范圍的插入角（18°～29°）和拔出角（35°～45°）。

通過檢查彈片實(shí)物發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)并沒有滿足此要求。因此，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)不更改的前提下，我們對彈片的兩處折彎角度進(jìn)行了設(shè)計(jì)更改：插入角度降低至27°，拔出角度降低至35°。當(dāng)然，僅僅依靠理論計(jì)算并不能確保產(chǎn)品狀態(tài)滿足主機(jī)廠要求，后續(xù)我們進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的工作。

4測量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

只有保證數(shù)據(jù)測量結(jié)果的真實(shí)性和有效性，才能通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證前期的分析是否正確。良好的測量系統(tǒng)既要滿足測量穩(wěn)定性和測量精度的要求，又要能夠有效排除測量環(huán)境、測量人員及其交互作用對測量結(jié)果的影響，即滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的重復(fù)性和再現(xiàn)性（GR&R）。測量系統(tǒng)的分析從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來說就是雙因子方差分析，通過變換一定數(shù)量的測量人員、測量樣本、測量次數(shù)并進(jìn)行隨機(jī)測量，然后對測量結(jié)果進(jìn)行雙因子方差分析，來判斷測量系統(tǒng)是否有良好的表現(xiàn)。主要的判斷依據(jù)是合計(jì)量具R&R和可區(qū)分類別數(shù)（NDC），當(dāng)前者小于30%、NDC不小于4才為合格，且合計(jì)量具R&R越小越好，NDC越大越好。

我們的數(shù)據(jù)采集使用實(shí)驗(yàn)室的數(shù)控測量系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，扶手產(chǎn)品通過對接工裝穩(wěn)定而精確地裝配到位，電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)工裝的推板完成扶手滑動(dòng)過程模擬，通過電腦精確控制滑動(dòng)起止位置、速度、角度等，并進(jìn)行全程操作力的數(shù)據(jù)采集。

依據(jù)GR&R標(biāo)準(zhǔn)方法，我們針對開啟力、過程力、關(guān)閉力三組輸出變量分別進(jìn)行了三組產(chǎn)品樣本、四位測量人員、六次重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和結(jié)果的GR&R分析工作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)控測量系統(tǒng)的合計(jì)量具R&R值為27.2%，NDC=7，由此可知數(shù)控測量系統(tǒng)滿足GR&R要求，是一套可信的測量系統(tǒng)。

應(yīng)用這套數(shù)控測量系統(tǒng)，我們對彈片結(jié)構(gòu)調(diào)整后的滑動(dòng)操作力進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示滑動(dòng)開啟力、過程力和關(guān)閉力均能滿足主機(jī)廠要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)更改是有效的，成功地解決了項(xiàng)目問題。

5應(yīng)用推廣

筆者針對我司常用的多款滑動(dòng)扶手結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了匯總和對比，發(fā)現(xiàn)鋼管滑軌配合彈片的結(jié)構(gòu)形式具有剛/強(qiáng)度好、實(shí)驗(yàn)性能優(yōu)、成本投入低等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此，可作為滑動(dòng)扶手的平臺(tái)化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)固化。但在推廣應(yīng)用時(shí)如何能夠在設(shè)計(jì)前期就根據(jù)主機(jī)廠要求快速設(shè)計(jì)出滿足操作力性能指標(biāo)的產(chǎn)品，成為了新的難點(diǎn)。

依據(jù)前面完成的系統(tǒng)分析總結(jié)，我們將設(shè)計(jì)前期與主機(jī)廠A面定義相關(guān)的扶手滑蓋重量作為輸入因子，鋼管材質(zhì)/外觀處理、彈片剛度、彈片過盈量、和接觸面角度作為控制因子，并根據(jù)控制因子的不同參數(shù)范圍設(shè)置了對應(yīng)的高低水平，再運(yùn)用Minitab軟件對各因子和水平進(jìn)行排列組合并隨機(jī)加入六個(gè)中心點(diǎn)后，完成全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣。針對三個(gè)階段的操作力分別進(jìn)行測量，我們共進(jìn)行了162次實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。

將所有物理實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果放入Minitab軟件進(jìn)行分析和擬合，分別得到了滑動(dòng)開啟力、過程力和關(guān)閉力的擬合方程，并將公式匯總成計(jì)算表。經(jīng)其他多個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果可以滿足客戶偏差范圍要求。再結(jié)合參數(shù)化的鋼管滑軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊和圖紙，此模塊化結(jié)構(gòu)可供設(shè)計(jì)工程師直接應(yīng)用，不但可以提升前期設(shè)計(jì)效率，同時(shí)可以減少后期更改。

6結(jié)語

本次研究來源于項(xiàng)目需求，借助產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測量、統(tǒng)計(jì)學(xué)歸納等方法和工具，針對汽車滑動(dòng)扶手操作力問題，從眾多影響因素中找到了關(guān)鍵因子，并通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量得到了可行的解決方案。同時(shí)，從項(xiàng)目中提取了鋼管滑軌結(jié)構(gòu)形式的滑動(dòng)扶手操作力計(jì)算表和參數(shù)化模塊，為今后的滑動(dòng)扶手項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了快速解決方案和設(shè)計(jì)前期力值計(jì)算的驗(yàn)證基礎(chǔ)。