某越野車型后側圍肘靠內(nèi)飾件的開發(fā)

曹慧林，鐘廣亮

（北京汽車研究總院有限公司，北京 102600）

1　背景介紹

本文介紹作者所在公司新開發(fā)的某兩門款越野車型后排增加后側圍肘靠飾板的開發(fā)案例。由于該車型只有兩個前門，沒有后門，且后排座椅兩側原設計為輪包地毯，乘客在后排乘坐時，由于胳膊沒有地方休息，無處依靠，尤其在長期行駛時，乘客手臂會感覺到疲勞，原先設計示意圖見圖 1。由圖可見，后排乘客增加側圍肘靠飾板供乘客手臂休息十分必要。所以作者所在設計團隊考慮增加后排側圍肘靠內(nèi)飾板，不但可供后排乘客在乘車時使用，同時在肘靠飾板上增加后排儲物空間，如杯托、地圖袋等，還可以進一步提高乘坐的舒適性，增加后的側圍肘靠內(nèi)飾板及周邊環(huán)境件見圖2所示。

圖1　后側圍肘靠處設計示意圖（原先）

圖2　后側圍肘靠設計示意圖

本文通過對增加后側圍肘靠內(nèi)飾板時進行的方案分析、結構分析及 CAE分析等介紹了在汽車行業(yè)進入白熱化競爭階段的內(nèi)飾件的一般開發(fā)流程。即如何在較短的時間內(nèi)（一般少于6個月），快速適應市場的需求，開發(fā)出適合市場的、有競爭力的汽車內(nèi)飾件產(chǎn)品，同時借助現(xiàn)代化的分析手段，在設計過程中盡可能減少后期的更改風險，降低開發(fā)成本。

2　方案分析

考慮到汽車內(nèi)飾件在顧客購買車輛時所起到的作用，由于顧客對汽車內(nèi)飾的舒適性要求越來越高，同時，內(nèi)飾件的環(huán)保性要求也已逐漸深入人心[1]。綜合考慮產(chǎn)品成本、環(huán)保性、舒適性等多方面的因素，決定開發(fā) PP塑料的后側圍肘靠內(nèi)飾板，其不但經(jīng)濟環(huán)保，結構可靠且 VOC性能較好，不會引起用戶的反感。

2.1　后側圍肘靠飾板的安裝及定位

經(jīng)過分析，由于原車型后輪罩處鈑金為單層板，無法直接在鈑金上開孔為內(nèi)飾件提供安裝點，故只能新開發(fā)鈑金安裝支架與原輪罩內(nèi)鈑金先固定后，再通過新開發(fā)的支架上的安裝孔為內(nèi)飾件提供卡扣安裝結構。

后側圍肘靠支架安裝在后側圍輪罩鈑金上，在輪罩上預先焊接螺栓，通過螺母對后側圍肘靠安裝支架進行安裝。安裝支架的定位點設計在兩個螺栓固定點處。安裝支架通過自身的安裝孔（圓孔及長圓孔）為其在輪罩內(nèi)鈑金上的固定提供主、副定位結構。如圖3所示，后側圍肘靠內(nèi)飾板安裝支架主定位孔為一圓型孔，輔助定位孔為一長圓型孔。圖3所示1、2兩處與鈑金平面接觸，提供Y向定位，1處所開孔為?6.5的圓孔，配M6的螺栓，2處開?6.5×8的長圓孔，以防止支架發(fā)生轉動，從而確保了支架在車身的相對位置。其余還有兩個螺栓安裝點起到對安裝支架的固定作用。

圖3　后側圍肘靠飾板安裝支架示意圖

圖4　后側圍肘靠飾板定位結構示意圖

后側圍肘靠飾板總成通過螺栓與塑料卡扣分別在安裝在車身及金屬安裝支架上。后側圍肘靠內(nèi)飾板同車身的安裝是通過三個螺栓安裝點直接安裝在車身上。后側圍肘靠內(nèi)飾板同金屬安裝支架的安裝是采用卡扣的形式進行安裝。后側圍肘靠飾板的定位是通過其自身的卡扣安裝點為其安裝提供主、副定位結構。肘靠內(nèi)飾板的主定位在圖4所示位置1處，此處內(nèi)飾板的卡扣安裝孔為?5的圓孔，對應卡扣的直徑為?4.5，輔助定位放在圖4所示位置2處，內(nèi)飾板卡扣安裝孔為?5×7的長圓孔對應卡扣的直徑也為?4.5。這樣可以有效地防止側圍肘靠內(nèi)飾板安裝到車身上時發(fā)生轉動。

圖5　后側圍肘靠飾板結構爆炸圖

后側圍肘靠內(nèi)飾板為總成供貨，如圖5所示，在供應商處預先將肘靠內(nèi)飾板本體、杯托、肘靠地圖袋及安裝卡扣等件安裝好。在總裝線上先利用肘靠預先安裝的卡扣將肘靠內(nèi)飾板裝配在安裝支架上，再通過3個螺栓將肘靠內(nèi)飾板打緊固定在車身上，這樣即可將肘靠本體固定牢固。然后安裝圖5中所示的零件5，再在汽車頂蓋安裝完畢后安裝圖5所零示件4（單側兩個，左右對稱）。此兩個件均的安裝均依靠零件自身攜帶的卡接結構，不用借助其他的卡扣及螺釘即可實現(xiàn)安裝，裝配過程相對簡單。

2.2　后側圍肘靠飾板DTS設計

后側圍肘靠同周邊零件的匹配關系中，其與B柱下飾板的匹配最為關鍵，這是由于后側圍肘靠飾板同B柱下飾板的配合處正好處在后排乘客人眼直視的區(qū)域范圍內(nèi)，且在乘坐人員取放水杯時容易觀察到兩者之間的間隙等匹配問題。故在零部件DTS設計時需重點考慮兩者之間的匹配效果。

由于后側圍肘靠安裝支架通過與車身上的植焊螺栓進行定位與安裝，后側圍肘靠飾板通過支架上的開孔進行定位與安裝?；谝陨弦蛩兀谠O計結構時將后側圍肘靠飾板的主定位點設計在距離B柱內(nèi)飾板較近的安裝點上，從而能夠保證兩者之間的間隙在合理的公差范圍內(nèi)。另外，此處由于尺寸鏈較長，加之后側圍肘靠內(nèi)飾板X向長度超過1米，為防止公差累計造成零件安裝困難，在該產(chǎn)品的后側將肘靠內(nèi)飾板同周邊零件的匹配放開，以釋放公差。如肘靠內(nèi)飾板同防滾杠的間隙設計5mm，防滾杠外側用蒙皮遮擋，即使間隙不均勻也不容易察覺。

新開發(fā)后側圍肘靠的周邊環(huán)境件有B下柱內(nèi)飾板、后排座椅、后排安全帶、后地毯、車身頂蓋等零件。新開發(fā)后側圍肘靠同各周邊環(huán)境件的配接關系如1表所示：

表1　后側圍肘靠內(nèi)飾板同周邊零件的匹配關系

后側圍肘靠內(nèi)飾板總成內(nèi)部包含零件有，后側圍肘靠本體、后側圍肘靠杯托、后側圍肘靠地圖袋，后側圍肘靠安全帶固定蓋板，后側圍肘靠安裝蓋板。其相對位置如圖5所示。

其中各零部件與后側圍本體的配接關系如表2所示：

表2　后側圍肘靠內(nèi)飾板總成內(nèi)部各零件之間的匹配關系

3　方案驗證

由于采用金屬安裝支架安裝屬成熟結構，風險較小。故在方案驗證中只需對后側圍肘靠飾板的外觀及安裝結構進行簡單驗證。首先制作主要的結構斷面，借助專業(yè)曲面設計工具，完成首版CAS。在該版CAS的基礎上，完成簡單零件3D結構設計，滿足安裝接結構需要。然后用ABS塑料板進行 CNC加工成所需零件。將各零件按照設計組裝好后，再裝車即可進行方案評審。需要說明的是，現(xiàn)在由于3D打印的興起，對于某些結構簡單的零件可以直接用3D打印進行結構驗證，能夠實現(xiàn)快速驗證的目的。

4　數(shù)據(jù)制作

在上述方案評審的基礎上，繼續(xù)優(yōu)化外觀造型與內(nèi)部結構，以完成最終的零部件結構3D數(shù)據(jù)，達到滿足塑料件模具開發(fā)的要求。在制作3D結構時需保證該零件同周邊其他零件滿足DTS設計要求，并且零件內(nèi)部無干涉，同周邊零件保留有適當?shù)拈g隙，裝配滿足總裝工藝性要求、各零件自身滿足模具成型工藝要求，如拔模角、分型線、壁厚等均需充分考慮。

4.1　CAE分析

借助于計算機輔助分析工具，可快速有效地驗證零部件的結構強度。并且可對零部件產(chǎn)品的成型過程進行模擬計算，預判模具的設計及產(chǎn)品設計是否合理，從而減小產(chǎn)品的設計開發(fā)風險，提高開發(fā)成功率。在本開發(fā)案例中共需新開模具的件有肘靠支架（金屬）、后側圍肘靠飾板本體、地圖袋、杯托、堵蓋等。其中以后側圍肘靠飾板本體的產(chǎn)品及其注塑模具最為復雜，加工周期最長。且周邊零件均需與其發(fā)生匹配關系。后側圍肘靠飾板本體的開發(fā)直接決定了該項目的成敗。故以下重點介紹后側圍肘靠飾板本體在設計中進行的 CAE分析。

4.2　后側圍肘靠飾板本體的強度分析

圖6　后側圍肘靠飾板本體背面筋位示意圖

由于后側圍肘靠內(nèi)飾板屬于新增加的功能件，區(qū)別于一般內(nèi)飾件如A、B柱內(nèi)飾板等，肘靠飾板的作用主要是為后排乘客的胳膊提供支撐，故對肘靠的強度需要在設計時重點考慮。為此，作者所在設計團隊通過對標門內(nèi)飾板的肘靠列出設計目標，即在乘客的胳膊與肘靠飾板接觸區(qū)域（28×63mm），在此面積內(nèi)施加 10kg的力要求肘靠飾板變形不能超過 2.5mm，同時考慮極限載荷，即在濫用 50kg負載的情況下，產(chǎn)品不能發(fā)生損壞。

設計時考慮到產(chǎn)品受力主要是Z方向的載荷，故需要在產(chǎn)品的Z方向背面通過增加加強筋的方式來提高產(chǎn)品的結構強度。利用CAE模擬計算出產(chǎn)品的變形量，從而簡化驗證，節(jié)省開發(fā)周期，確保產(chǎn)品開模后，一次成功。由于注塑件產(chǎn)品的加強筋主要起到增加產(chǎn)品結構強度的作用，但同時也會有在產(chǎn)品表面產(chǎn)生縮痕的風險，一般加強筋的厚度不能超出其產(chǎn)品壁厚的1/3。如本體壁厚為2.5mm則加強筋的根部不能超過0.8mm，否則縮痕風險較大。且考慮到產(chǎn)品的注塑模具在加工時，加強筋通常是采用電火花處理的方式，即先CNC出筋位的形狀，再在模具上進行放電，從而在模具上做出筋位的形狀。若加強筋太多，不但產(chǎn)品重量加大，成本增加，而且模具的加工周期也會相應延長。這對目前短周期的開發(fā)項目難以接受。此外，加強筋增多，還會影響產(chǎn)品的脫模，由于頂出力加大，有可能在產(chǎn)品的表面出現(xiàn)頂白等現(xiàn)象。故內(nèi)飾件產(chǎn)品在結構設計時，對加強筋的位置及數(shù)量一定要慎重考慮，加強筋數(shù)量不能太少，否則會影響產(chǎn)品強度，但也不能太多，以免產(chǎn)生其他的風險。

該產(chǎn)品通過對兩種筋位方案的 CAE模擬驗證，發(fā)現(xiàn) B方案基本可以滿足產(chǎn)品的設計要求，而A方案風險較大，產(chǎn)品的強度可能不滿足設計要求，因其在規(guī)定載荷下，產(chǎn)品的變形量較大。故產(chǎn)品開模時采用了B方案。最終在用產(chǎn)品進行實物驗證時，該處的實際變形量為2.3 mm和13.5 mm，在結構強度上完全滿足了當初的設計要求。產(chǎn)品的加強筋數(shù)量及其對產(chǎn)品結構強度的影響見表3所示。

表3　后側圍肘靠內(nèi)飾板總成加強筋數(shù)量與變形量直接的關系

圖7　后側圍肘靠飾板本體10kg負載，加強筋較少時的變形量分析

圖8　后側圍肘靠飾板本體10kg負載，加強筋增加后的變形量分析

圖 7到圖10分別為不同筋位的產(chǎn)品其在一定的載荷下變形量與受力時間的關系。由圖可見，產(chǎn)品在較短時間內(nèi)（0.1s左右）受力后變形量均能穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，產(chǎn)品發(fā)生塑性變形，沒有損壞發(fā)生。圖11及圖12為未增加加強筋數(shù)量時產(chǎn)品變形量的直觀示意圖，產(chǎn)品的變形以受力區(qū)域為中心向周邊成輻射狀散開，直觀圖上也可看出產(chǎn)品均未發(fā)生破壞性變形。

圖9　后側圍肘靠飾板本體50kg負載，加強筋較少時的變形量分析

圖10　后側圍肘靠飾板本體50kg負載，加強筋增加后的變形量分析

圖11　加強筋s較少時10kg負載的變形量圖示

圖12　加強筋較少時50kg負載的變形量圖示

4.3　后側圍肘靠飾板本體的加工成型性分析

4.3.1填充時間及溫度

圖13　后側圍肘靠飾板的填充時間分析

后側圍肘靠飾板本體模具采用熱流道加順序閥的控制方式，注塑時初步選用1600噸的注塑機。通過利用模具設計中常用的 Moldflow軟件模擬分析產(chǎn)品注塑時最長充填時間在4.7s，流道中無短射現(xiàn)象，不存在滯留，填充比較順暢。

熔體前沿溫度如圖 14所示，可見整個產(chǎn)品表面溫度較高，普遍在 220℃左右，且分布均勻，僅個別筋位溫度略低（200℃左右）。說明產(chǎn)品及模具設計合理，可滿足成型要求。

圖14　后側圍肘靠飾板的熔體前沿溫度分析

圖15　后側圍肘靠飾板的速度壓力切換時的壓力

后側圍肘靠飾板本體 V/P切換時的填充百分比為98.03%。圖 15所示灰色部位為后續(xù)保壓時填充，如果此時填充滿，則在保壓階段容易出現(xiàn)飛邊等現(xiàn)象。

4.3.2產(chǎn)品外觀分析

后側圍肘靠飾板本體由于帶有較大的環(huán)形開口結構，注塑時兩股熔體需要交匯，塑料熔體在匯合處難免會產(chǎn)生熔接痕。比較明顯的溶解痕，不但外觀難看，也會影響產(chǎn)品的強度。由于肘靠本身需要承受乘員胳膊的壓力，并需考慮產(chǎn)品在受到濫用載荷時的耐受力，故產(chǎn)品背面需要作一定的加強筋，以起到增加產(chǎn)品強度的作用。但是筋位的設置需考慮到產(chǎn)品的外觀面，否則會因產(chǎn)品的收縮外觀面產(chǎn)生縮痕導致。一般的設計經(jīng)驗是加強筋的厚度不超過產(chǎn)品壁厚的1/3，通過Moldflow軟件亦可以直觀的判斷出加強筋對產(chǎn)品縮痕的影響。圖16所示為后側圍肘靠飾板本體的熔接痕位置。

如圖16所示，通過調(diào)整對澆口位置，可以將熔接痕優(yōu)化在地圖袋的下方，此處不太容易察覺。另外可以在熔接痕產(chǎn)生的位置，在其相應的模具處設計排氣槽，以避免因氣穴導致注塑時發(fā)生的填充困難現(xiàn)象[2]。如圖17所示，通過模擬算出產(chǎn)品加強筋處的縮痕較小，理論上不會明顯影響到產(chǎn)品的外觀。

圖16　后側圍肘靠飾板的熔界線位置分析

圖17　后側圍肘靠飾板的縮痕估算

受制于產(chǎn)品結構、成型工藝等方面的原因，內(nèi)飾件塑料制品多存在一定的變形。如針對PP塑料，一般收縮率為1%左右。產(chǎn)品由于在長、寬、高等方向的收縮不均勻，即會造成產(chǎn)品的變形。通過軟件模擬可估算出產(chǎn)品在各個方向的變形量，并且能夠從產(chǎn)品及模具設計的多種角度去優(yōu)化設計，從而控制產(chǎn)品的變形量[3]。圖18顯示產(chǎn)品的最大變形為5mm左右，且變形較大處均在產(chǎn)品的最前端與最后端，此兩處位置已經(jīng)通過固定結構與車身進行了硬點安裝，可以矯正產(chǎn)品的變形量，而產(chǎn)品在裝車后受關注度比較高的中間部位，變形量較小，故認為該產(chǎn)品的變形在設計上相對可以接受。若變形較大處在產(chǎn)品的中間部位，則需在模具設計時考慮對產(chǎn)品進行預變形設計以矯正產(chǎn)品的變形。

圖18　后側圍肘靠飾板的變形分析

5　零件開發(fā)

由于后側圍肘靠飾板總成左右對稱，為節(jié)省模具開發(fā)費用，后側圍肘靠本體左右件共用一套模具，地圖帶、安全帶護蓋及杯托也是左右件共用一套模具。

后側圍肘靠內(nèi)飾板為檢測總成的輪廓度及安裝定位結構，新開發(fā)有檢具，檢具模擬在總成車身的安裝位置，周邊匹配件用鑲塊代替，通過通止規(guī)可快速檢測零件的尺寸是否合理。每一批次的零件通過檢具檢測確保了零件的整體尺寸不能超出允許的公差范圍。

后側圍肘靠內(nèi)飾板總成安裝在整車上的照片如圖 19所示：

圖19　后側圍肘靠飾板實車照片

6　結論

本設計團隊在較短的時間內(nèi)（5個月），完成了后側圍肘靠內(nèi)飾板的斷面、方案及產(chǎn)品結構設計、開發(fā)。最終產(chǎn)品經(jīng)驗證后滿足設計要求，目前已經(jīng)量產(chǎn)。通過在設計過程中引入各種CAE的分析手段，極大地節(jié)省了開發(fā)周期，減小了零件的開發(fā)風險，可為今后其他內(nèi)飾件的開發(fā)提供了參考。

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