乘用車副儀表板扶手開啟加載失效模式的研究

朱瑤潔 王建 盛浩

摘? 要：本文根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了乘用車副儀表板扶手開啟狀態(tài)下加載過程的主要失效模式。結(jié)合當(dāng)前乘用車副儀表板扶手結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點，依據(jù)力學(xué)原理對失效原因進行了理論分析。確定止位結(jié)構(gòu)發(fā)白斷裂是扶手開啟加載時最常見的失效形式，而止位力臂的長度、止位結(jié)構(gòu)的承載截面積，以及鉸鏈蓋板和扶手儲物箱所用材料的彎曲斷裂強度是影響失效的關(guān)鍵因素。并根據(jù)產(chǎn)品不同的設(shè)計開發(fā)階段，提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)與規(guī)范，對乘用車副儀表板扶手的結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)具有較高的參考價值。

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)飾; 副儀表板扶手; 開啟加載;結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：U463.83;U270.38;? ?文獻標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1005-2550（2018）06-0084-05

Research on Loading Failure Mode of folded up floor console armrest

ZHU Yao-jie1， WANG Jian2，3，4， SHENG Hao5

（ 1. Shanghai Yanfeng JinQiao Automotive Trim Systems Co.， Ltd.， Shanghai， 200233;

2. Shanghai Radio Equipment Research Institute， Shanghai， 200438; 3. Shanghai Engineering Research Center of Target Identification and Environment Percepetion， Shanghai， 200438

4. Shanghai Shentian Industrial Co.， Ltd. Shanghai， 200438;

5. School of Computer Science and Engineering， Beihang University， Beijing， 100191 ）

Abstract： Based on the experimental data， this paper analyzed and summarized the main failure modes when loading an abuse force on the armrest of the vehicle floor console. Referenced with the main characteristics of the current design of the passenger vehicle's floor console armrest， the failure causes are theoretically analyzed based on the mechanics principle. The most common failure mode during loading on the folded-up armrest is fracture or breaking on the stopping structure. And the length of the stopping arm， the bearing cross-sectional area of the stopping structure， and the materials bending strength of the hinge cover and the storage box， respectively， are the key factors affecting the failure. The corresponding structural design guidance and specifications are proposed for the different development phases of the product. It has a high reference value for the structural design of the passenger car floor console armrest.

引? ?言

隨著技術(shù)的進步和生活方式的改變，用戶對車的要求遠不限于載著乘客從A地駛向B地這么簡單，汽車的內(nèi)部空間已成為舒服家庭環(huán)境的延伸[1-3]。這意味汽車內(nèi)飾的設(shè)計目標(biāo)是使其具有和家庭環(huán)境同樣的功能性與舒適性，舒適程度和設(shè)計水平也正是大多數(shù)人購車選型的兩大首要因素[4]。在內(nèi)飾設(shè)計中，儲物設(shè)計是最重要的課題之一。收納物品的多樣適應(yīng)性、儲物空間的美觀舒適性，以及儲物功能件的安全性都越來越成為人們不斷追求的目標(biāo)，同時也對設(shè)計者提出了更高的要求[5，6]。

中央扶手作為汽車內(nèi)飾中主要功能件之一，通常置于副儀表板上（如圖1），關(guān)閉狀態(tài)可以供駕駛員舒適倚靠，開啟狀態(tài)下可以供車內(nèi)乘員取放儲物箱中的物品。中央扶手對于汽車內(nèi)飾的整體感觀效果至關(guān)重要，所以在設(shè)計制造時對于扶手功能的考察尤為苛刻。除了一般的法規(guī)對于內(nèi)部突出物[7]的要求以外，扶手開啟狀態(tài)的前后向靜力加載要求，是對扶手功能最基本的考察指標(biāo)之一，但也往往是開發(fā)過程中最容易發(fā)生失效的性能指標(biāo)之一。

本文從失效模式分析入手，通過不同項目不同形式的失效數(shù)據(jù)，邏輯歸納出對于扶手開啟狀態(tài)的前后向靜力加載時最常見的失效模式。然后借助理論力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析出影響失效的最關(guān)鍵因子，并通過實驗數(shù)據(jù)比對證明理論分析的一致性和科學(xué)性。對于這些關(guān)鍵因子，結(jié)合設(shè)計開發(fā)階段的實踐過程，論述了如何在不同設(shè)計開發(fā)階段關(guān)注不同的設(shè)計要素來最終滿足扶手開啟狀態(tài)的靜力加載性能要求。

1? ? 失效模式分析

1.1? ?失效項目數(shù)據(jù)統(tǒng)計

考慮到不同整車廠對于扶手開啟狀態(tài)的靜力加載性能要求存在差異，包括不同的加載力值、壓頭尺寸等實驗條件，為了排除由于技術(shù)要求造成的分析偏差，且保證足夠的樣本數(shù)量，因此選取某汽車公司11個副儀表板項目在開發(fā)階段的實驗數(shù)據(jù)作為研究對象。

1.2? ?失效模式分析

某汽車公司對于扶手開啟狀態(tài)靜力加載性能的技術(shù)要求為：對于開啟的扶手組件，從車前向車后方向水平加載Fhb=200 N的力，加載過后不允許有永久功能失效和破壞（見圖4）。

為了便于統(tǒng)計，將各項目的失效模式進行歸納整理，得到圖2：

可以看出，加載過程中發(fā)生的主要失效模式有5種類型，分別是：

[1] 開啟止位結(jié)構(gòu)脫出

[2] 開啟止位表面發(fā)白斷裂

[3] 扶手內(nèi)外蓋板脫開

[4] 扶手內(nèi)蓋或外蓋局部斷裂

[5] 扶手轉(zhuǎn)軸發(fā)生彎曲

其中，開啟止位表面發(fā)白斷裂（模式2）的發(fā)生概率最高（圖3）。開發(fā)過程中往往需要多次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化甚至更換材料才可以滿足性能要求，所以深入分析的必要性很高。

2? ? 失效原因分析

2.1? ?扶手開啟止位發(fā)白斷裂的理論力學(xué)分析

從扶手的受力分析可以得到：

其中，? ? ? ? ? ? ? 。對于每個止位結(jié)構(gòu)承受的彎曲應(yīng)力：

其中，s為止位結(jié)構(gòu)的承載截面積。當(dāng)δ大于或接近材料自身的“彎曲斷裂強度”時，止位結(jié)構(gòu)就會發(fā)白或斷裂。

承擔(dān)止位功能的零件分別為扶手鉸鏈蓋板和儲物箱，所以對于扶手的止位結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，所受的彎曲應(yīng)力最先達到了自身彎曲斷裂強度的零件會首先發(fā)白或斷裂。

而從公式（3）里可以看出，影響失效的關(guān)鍵因素為：

[1] 技術(shù)要求的靜力載荷F32

[2] 扶手長度L1

[3] 止位力臂L2

[4] 止位結(jié)構(gòu)的承載截面積s

[5] 鉸鏈蓋板和儲物盒材料的彎曲斷裂強度δ

2.2? ?實際項目對理論計算的結(jié)果驗證

按照上述的力學(xué)分析，分別計算每個項目的扶手鉸鏈蓋板和儲物箱止位結(jié)構(gòu)所承受的彎曲應(yīng)力，然后分別和該零件材料的彎曲斷裂強度進行對比，驗證是否滿足上述分析原理。

其中，在實際的測量和計算過程中，鉸鏈蓋板和儲物盒止位所承受的應(yīng)力還需要考慮支點的數(shù)量，承載截面積也需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況來選取和測量。

表1是各項目的扶手鉸鏈蓋板和儲物箱材料的彎曲斷裂強度和實際承受彎曲應(yīng)力的對照表。從表1可以看出，項目B、C、D、I、K出現(xiàn)過止位發(fā)白斷裂，其儲物盒原先設(shè)計狀態(tài)所承受的彎曲應(yīng)力都是在原材料的彎曲強度的下限，考慮到實際的測量和制造偏差，失效的風(fēng)險確實很高，這和實際的驗證結(jié)果一致。

根據(jù)項目的設(shè)計變更記錄，又按照上述方法重新計算了更改后的狀態(tài)（表2）。從表2可以看出，經(jīng)過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化后，儲物盒止位結(jié)構(gòu)所承受的彎曲應(yīng)力都低于材料自身彎曲斷裂強度，也和實際的復(fù)測驗證結(jié)果一致。

因此，說明在項目的初始設(shè)計階段，CAE分析開始之前，通過上述的理論計算方法，可以作為判定扶手開啟狀態(tài)靜力加載性能的有力依據(jù)，可以提前預(yù)判風(fēng)險，提高項目的開發(fā)效率和進度。

3? ? 設(shè)計開發(fā)中的應(yīng)用推廣

3.1? ?材料選擇

通過上述分析可以看出，金屬材料的彎曲強度要比塑料件的彎曲斷裂強度高出許多，所以相對容易滿足開啟靜力加載的要求。而由于成本、重量、專利等諸多因素，很多項目會采用塑料鉸鏈的設(shè)計。

PP材料的彎曲斷裂強度相對較低（一般在50 MPa以下），如果選擇普通的PP材料則對于其他關(guān)鍵因素的要求較高。因此，對于鉸鏈蓋板和儲物盒的材料，建議選擇增加玻纖的PP材料，使得彎曲斷裂強度能至少提高到接近100 Mpa或以上。

3.2? ?力學(xué)分析在不同設(shè)計階段的作用

前文已經(jīng)分析了影響扶手開啟靜力加載的關(guān)鍵因素，其中F32是技術(shù)要求，一般標(biāo)準(zhǔn)不發(fā)生修訂時更改的幾率不大;L1是扶手的長度，由整體內(nèi)飾造型決定，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計而言也不大會有較大變更。因此，可調(diào)整的要素集中在材料選擇、止位力臂的布置以及止位結(jié)構(gòu)的形式上。

在以往的眾多項目中，最常犯的錯誤就是忽略止位力臂的影響，又由于空間的限制，導(dǎo)致在2D斷面布置階段將止位力臂L2布置的太小。等到3D數(shù)據(jù)階段[8]，對于止位形式的優(yōu)化空間就非常有限，甚至需要花費大量的精力用增大斷裂截面積s去彌補布置過小的L2。

3.3? ?止位結(jié)構(gòu)形式的建議

關(guān)于鉸鏈蓋板上的止位結(jié)構(gòu)，可以參照實驗通過的項目的成熟結(jié)構(gòu)形式，盡量做空心圓柱，避免用單根的筋來止位。

關(guān)于儲物盒上的止位結(jié)構(gòu)，往往容易被忽略并且失效問題較多。建議做成封閉的盒狀結(jié)構(gòu)，而避免做成懸臂的結(jié)構(gòu)。

另外，沿著止位接觸面的方向應(yīng)盡量增加有效止位力臂布置。

4? ? 結(jié)論與展望

本文基于實際項目在開發(fā)過程中失效問題，分析了副儀表板扶手開啟靜力加載的主要失效模式。并選取發(fā)生概率最高、影響風(fēng)險最大的失效模式——止位結(jié)構(gòu)發(fā)白斷裂，進一步深入剖析，根據(jù)理論力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，分析出影響該失效的關(guān)鍵因子，并運用項目的實際實驗數(shù)據(jù)進行了分析驗證，證明了理論模型的有效性和科學(xué)性。此外，結(jié)合內(nèi)飾項目開發(fā)的不同階段，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方案及材料選擇給出了重要的指導(dǎo)性建議。

基于靜力分析的簡單計算可以快速方便的判斷止位發(fā)白或斷裂的風(fēng)險?？梢詮捻椖繂与A段對于鉸鏈蓋板及儲物盒就選擇合適的原材料，在斷面布置階段打下良好的設(shè)計基礎(chǔ)，再加上3D階段的設(shè)計優(yōu)化，關(guān)于扶手開啟靜力加載的性能要求就會很容易滿足，從而大大降低設(shè)計驗證的開發(fā)費用。另外，涉及到內(nèi)飾件剛度強度的類似要求，都可以在CAE分析前進行初步的理論計算[9]，提高項目的開發(fā)效率和進度，降低CAE的開發(fā)工時。

當(dāng)然，由于不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式不同，對關(guān)鍵尺寸的測量結(jié)果會有差異，綜合的受力變形分析還是需要依靠CAE來支持更加準(zhǔn)確直觀。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及用戶需求的不斷變化，扶手的功能也會隨著內(nèi)飾設(shè)計理念的提升而不斷擴展。高性能、輕質(zhì)量、易操作、安全可靠、智能、環(huán)保、美觀實用將是扶手未來發(fā)展的主要方向。

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