線膨脹在汽車內(nèi)飾設計中的影響和注意點

朱宏旃 喬梁

（一汽豐田技術開發(fā)有限公司）

線膨脹指的是材料在溫度升高時，材料的各種線度（如長度、寬度、厚度、直徑等）都要增長的物理現(xiàn)象。在相同條件下，不同材料的固體，其線膨脹的程度各不相同，一般用線膨脹系數(shù)來表征物質(zhì)的線膨脹特性。線膨脹系數(shù)是物質(zhì)的基本物理參數(shù)之一[1]。在所有的工程中都免不了要組合使用不同的材料，這就必須要根據(jù)不同材料的線膨脹系數(shù)來考慮結構件之間可能產(chǎn)生的應力，由此來確定各種結構件配合時所能夠允許的公差[2]。文章結合實例分析了線膨脹在汽車內(nèi)飾件設計中的影響因素，提供了減少其不良影響的思路和方法。

1 典型問題

通常來說，在汽車內(nèi)飾設計范疇內(nèi)，可以根據(jù)被研究對象被限制的自由度，將線膨脹造成的問題歸納為2 類：1）被研究對象被限制6 個自由度（即被完全定位）的情況；2）被研究對象被限制5 個自由度（僅能進行一維的平移或旋轉(zhuǎn)）。由于被研究對象線膨脹系數(shù)相比限制它的物體大，在溫度變化時，被研究對象相對于限制體的膨脹（或收縮）量更大，第1 類問題導致被研究對象發(fā)生變形，第2 類問題導致被研究對象在原長時的運動特性發(fā)生變化。

上述2 類問題都可以按照一維情況去理解。文章將結合實例進行說明。

1.1 第1 類問題

某車型成型頂棚（材料為聚氨酯）的背面天窗開口邊緣使用熱熔膠粘貼有樹脂加強件（材料為PP）。該頂棚在-10 ℃環(huán)境下，表面發(fā)生凹陷狀褶皺。

經(jīng)分析，褶皺發(fā)生機理如下：頂棚材料（聚氨酯）的線膨脹系數(shù)為2×10-5℃-1，樹脂加強件材料（PP）的線膨脹系數(shù)為11×10-5℃-1，為聚氨酯的5.5 倍。二者由于低溫環(huán)境下收縮量相差較大（如表1所示），而熱熔膠的粘接節(jié)距為150 mm，粘接節(jié)距內(nèi)頂棚本體受到趨于縮短的力，造成表面凹陷，其原理示意圖，如圖1所示。

表1 頂棚及樹脂加強件原長與收縮后的長度對比 mm

圖1 頂棚凹陷發(fā)生原理示意圖

針對該類問題，需要考慮被粘接雙方的線膨脹系數(shù)，如果二者線膨脹系數(shù)相差較大的話，在高溫或低溫環(huán)境下容易因線膨脹程度不同出現(xiàn)表面不良。

因此，通常要為被粘接雙方選擇線膨脹系數(shù)接近或者相同的材料，例如可以將PP 替換為ABS-GF30，其線膨脹系數(shù)約為3×10-5℃-1，可以估算出若采用ABS-GF30 做樹脂加強件，表1 中同樣條件下頂棚本體與樹脂加強件的收縮量相差僅為0.05 mm。

1.2 第2類問題

文章以拉桿式鎖止的手套箱為研究對象，首先鎖止拉桿在手套箱關閉狀態(tài)下，僅能在車輛寬度方向發(fā)生移動，屬于第2 類問題。

拉桿式鎖止機構通過鎖的內(nèi)部構造，將手扳動拉手的運動轉(zhuǎn)化為鎖芯連桿的旋轉(zhuǎn)運動，鎖芯連桿進而帶動鎖止桿向內(nèi)縮進，當縮進量大于鎖止桿與擋塊的重疊量時，鎖止解除，手套箱門將可以打開，其構造示意圖，如圖2所示。

圖2 手套箱構造示意圖

假設已知操作扳手可以實現(xiàn)的鎖止桿最大縮進量為10 mm，鎖止桿與擋塊的重疊量的設定需要注意以下方面。

需要明確手套箱鎖止機構的性能要求：不操作手套箱鎖的扳手時，鎖止應持續(xù)有效；扳動扳手時，鎖止應能順利解除。

首先應考慮公差的累積，必須保證在各個零件最大公差累積的情況下仍能達到上述性能要求；其次，通常內(nèi)飾件的使用溫度范圍為-30～80 ℃，需要保證各個零件在使用溫度范圍內(nèi)，不因線膨脹導致上述性能不滿足。

手套箱作為一個復雜零部件，在設計時還應考慮人機工程、箱門剛性、異響等諸多方面，文章僅從公差累積和線膨脹的疊加影響方面進行計算。根據(jù)各構成品的材質(zhì)、尺寸及線膨脹系數(shù)，可以將某車型外側鎖止桿的尺寸變化范圍進行總結，結果如表2所示。

表2 某車型手套箱外側鎖止桿尺寸變化范圍

通過公差統(tǒng)計法累積（尺寸公差為±1.21 mm）和間隙單純累加（設計間隙為±0.2 mm）的計算方法，得到室溫（23 ℃）時，尺寸變化量為±1.41 mm；高溫（80 ℃）時，最大膨脹量為 0.85 mm；低溫（-30 ℃）時，最大收縮量為0.8 mm。

為保證外側鎖止桿與擋塊重疊量（x）最小時仍能滿足性能要求，需滿足：x-1.41（最大公差）-0.8（低溫最大收縮）＞1（為保持鎖止至少重疊1 mm）；為保證x 最大時仍能滿足性能要求，需滿足：x+1.41（最大公差）+0.85（高溫最大膨脹）+0.5（解除鎖止時的間隙盈余）＜10，計算得出 3.21＜x＜7.24，因此將 x 設定為 5 mm。

同理，可以將內(nèi)側鎖止桿的尺寸變化范圍進行總結，如表3所示。

表3 某車型手套箱內(nèi)側鎖止桿尺寸變化范圍

通過公差統(tǒng)計法累積（尺寸公差為±1.21 mm）和間隙單純累加（設計間隙為±0.2 mm）的計算方法，得到室溫（23 ℃）時，尺寸變化量為±1.41 mm；高溫（80 ℃）時，最大膨脹量為0.18 mm；低溫（-30 ℃）時，最大收縮為0.17 mm。

為保證內(nèi)側鎖止桿與擋塊重疊量（y）最小時仍能滿足性能要求，需滿足：y-1.41（最大公差）-0.17（低溫最大收縮）＞1（為保持鎖止至少重疊1 mm）；為保證y 最大時仍能滿足性能要求，需滿足y+1.41（最大公差）+0.18（高溫最大膨脹）+0.5（解除鎖止時的間隙盈余）＜10，計算結果為2.58＜y＜7.91，因此可將y 設定為5 mm。

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，外側的鎖止桿由于長度較長，不僅自身尺寸公差值較大，線膨脹量也達到了0.8 mm，外側鎖止桿發(fā)生難以解鎖或自解鎖的風險都會比內(nèi)側高。通常為了駕駛員也能在自己的座位上打開手套箱，開鎖扳手的位置一定會偏向主駕駛一側，也就不可避免地造成了外側鎖止桿長度會明顯長于內(nèi)側。在設定重疊量的時候，設計工程師必須充分考慮尺寸鏈的公差累積及線膨脹量，并留有一定的緩沖余地。

1.3 補充

在解決第1 類問題時，除了上述方法外，還可以改變被研究對象的固定方式，例如將粘接定位改為一面兩銷定位（需要考慮成本、外觀、周邊零件等因素）。為了防止過定位和欠定位，通常遵循一面兩銷和3-2-1原則[3]，一面兩銷既可以吸收長度方向上的公差，也可以用來吸收線膨脹差異帶來的伸縮量差異。

關于第2 類問題，還有一種情況，即被研究對象在一維中轉(zhuǎn)動（例如軸在孔中轉(zhuǎn)動）。該情況需要考慮軸與孔在高溫和低溫條件下間隙的變動量，避免間隙過小或過大，超出許用范圍。設計思路與上述方法類似，在這里不再贅述。

2 結論

線膨脹作為基本的物理現(xiàn)象，是在進行各種產(chǎn)品設計開發(fā)時都不應該忽略的因素。然而由于汽車內(nèi)飾產(chǎn)品設計的尺寸有時并沒有那么大，使得線膨脹造成的尺寸變化量偏小，容易忽略，而且有些材料的線膨脹系數(shù)可能與人們的直觀感受相反，例如作為軟質(zhì)材料的聚氨酯、麻纖維等，線膨脹系數(shù)卻明顯小于硬質(zhì)的樹脂材料。作為工程設計人員，需要基于基本原理及事實，不斷學習積累設計相關的知識。