門飾板扶手按壓剛度性能的研究

王鎮(zhèn)龍，彭宏，滕永泉，黃少娟

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車已經(jīng)進(jìn)入千萬(wàn)中國(guó)家庭。伴隨著消費(fèi)水平的升級(jí)，人們對(duì)汽車的品質(zhì)要求越來(lái)越高。研究表明[1]：2019后中國(guó)汽車進(jìn)入存量市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，滿足用戶多樣需求，是各大整車企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。汽車內(nèi)飾零件如儀表板、門飾板、座椅等是用戶重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，些許的設(shè)計(jì)瑕疵都將極大影響客戶對(duì)整車的體驗(yàn)。

門飾板的扶手區(qū)域，不僅給顧客提供了手肘的舒適支撐，也保障車門玻璃升降開關(guān)等電器零件操作穩(wěn)定，扶手整體品質(zhì)設(shè)計(jì)的定將成為新的焦點(diǎn)。目前對(duì)于門飾板扶手的研究，主要集中在扶手注塑工藝的優(yōu)化[2]、扶手人機(jī)設(shè)計(jì)[3]，以及扶手結(jié)構(gòu)對(duì)于整車側(cè)碰性的影響[4-5]。對(duì)于扶手整體按壓剛度要求及設(shè)計(jì)規(guī)范方面很少有文章討論，本文將對(duì)扶手剛度設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探討。

1 門飾板扶手介紹

扶手按人機(jī)需求一般位于整個(gè)門板的中間部分，為手肘提供支撐，如圖1所示。扶手多為軟質(zhì)包覆結(jié)構(gòu)，包括表層（PVC、PU或織物等）、發(fā)泡層、骨架，如圖2所示。為保證強(qiáng)度，骨架多采用ABS材料注塑成型。發(fā)泡層多用聚氨酯發(fā)泡，可以采用與骨架一體發(fā)泡工藝；也可以單獨(dú)發(fā)泡后，與骨架膠粘固定。表層一般采用手工包覆工藝復(fù)合成總成零件。

扶手總成根據(jù)功能，可分為手肘區(qū)域和非手肘區(qū)域，如圖3所示。手肘區(qū)域不僅要求對(duì)用戶的手肘有足夠支撐，還要求滿足側(cè)碰中用戶腹部的保護(hù)功能，因此工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)平衡乘員安全性能及使用結(jié)構(gòu)剛度這一矛盾[6]。對(duì)手肘區(qū)域剛度性能要求比較明確，且有相應(yīng)的試驗(yàn)及仿真驗(yàn)證[4]，下文重點(diǎn)研究了非手肘區(qū)域剛度的影響因素。

圖1 扶手布置區(qū)域

圖2 扶手結(jié)構(gòu)組成

圖3 肘部與非肘部示意

2 扶手剛度影響因素

2.1 造型設(shè)計(jì)影響

造型因素主要包括扶手分件位置、門飾板本體型面等因素。如圖4中A、B兩車型造型對(duì)比， A車型的扶手分件靠下，Z向無(wú)本體支撐；且本體的造型面扁平無(wú)特征，剛度弱。B車型在Z向上與本體翻邊支撐匹配，同時(shí)本體采用半弧形造型，剛度強(qiáng)。

圖4 A、B車型造型示意

通過(guò)圖5的受力分析可知，當(dāng)Z向在扶手上端施力675N時(shí)，直接傳遞到與扶手連接的本體骨架上。若扶手與本體無(wú)支撐，且本體剛度弱時(shí)，扶手整體表現(xiàn)出晃動(dòng)量大，質(zhì)感松軟。圖6是兩個(gè)車型受力仿真分析結(jié)構(gòu)，顏色越紅表示位移量越大。在車型A的扶手最大位移量為42.12mm，而B車型僅為18.05mm。圖中可見扶手分件位置、門飾板本體造型面對(duì)扶手總成剛度影響很大。扶手分件在Z向有本體的支持，且本體型面避免平直面，能有效提高扶手剛度。

圖5 扶手Z向受力分析

圖6 A、B車型扶手受力仿真分析

2.2 配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響

門飾板總成由多個(gè)散件組裝后，如門飾板本體、嵌飾板、扶手、地圖袋等，一般通過(guò)焊接和螺釘?shù)确绞窖b配。各零件之間的配合結(jié)構(gòu)，會(huì)因周邊件空間等因素而設(shè)計(jì)不同。扶手總成通過(guò)焊接柱與其他零件緊固，并將會(huì)帶來(lái)不同的剛度影響。如圖7所示3個(gè)車型的配合結(jié)構(gòu)，包括扶手總成、嵌飾板、門本體，且都通過(guò)焊接柱連接，但各散件之間連接關(guān)系有區(qū)別。

圖7 不同扶手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

A車型為“扶手→門本體→嵌飾板”的層疊結(jié)構(gòu)； C車型為“扶手→嵌飾板→門本體”的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)；D車型為“扶手→門本體←嵌飾板”的框架結(jié)構(gòu)。通過(guò)CAE分析，如圖8所示。在扶手上施加Z向675N時(shí)，分析結(jié)果如表1：

表1 受力變形結(jié)果

圖8 不同車型仿真分析對(duì)比

當(dāng)層疊結(jié)構(gòu)受Z向作用力時(shí)，各層之間結(jié)合力比較松散，不能形成一個(gè)聯(lián)動(dòng)的受力傳遞路徑，各層結(jié)構(gòu)之間易發(fā)生類似“脫離”變形，因此剛度差。框架結(jié)構(gòu)中門本體作為基礎(chǔ)架構(gòu)，扶手和嵌飾板嵌入到主框架中，形成互相牽制緊固的整體。而鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中，受Z向作用力時(shí)，力從扶手傳遞到門本體上，產(chǎn)生多個(gè)零件聯(lián)動(dòng)阻力，變形量小。由此可見，扶手與周邊件配合結(jié)構(gòu)，要盡量采用鏈?zhǔn)交蚩蚣芙Y(jié)構(gòu)，增加受力路徑，從而提高剛度，避免采用層疊結(jié)構(gòu)。

2.3 安裝點(diǎn)的布置影響

門飾板總成在扶手區(qū)域，一般設(shè)計(jì)1顆自攻釘與鈑金固定，通常布置在扶手肘部和非肘部交接區(qū)域。1顆自攻釘受力情況下，易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變形；按三角穩(wěn)定的原理，可以設(shè)計(jì)3個(gè)安裝點(diǎn)來(lái)提升扶手剛度。如圖9所示某車型，通過(guò)CAE分析了1顆和3顆自攻釘?shù)姆鍪质芰η闆r（Z向施加675N）。

圖9 布置不同螺釘方案對(duì)比

從仿真結(jié)果看到，增加自攻釘后，扶手的最大變形量由42.12mm減小為16.86mm，改善非常明顯。自攻釘?shù)牟贾檬艿解k金結(jié)構(gòu)、安裝便利性等的限制，適用性依各車型不同。此外，增加自攻釘還會(huì)涉及到成本增加、工時(shí)延長(zhǎng)，需要綜合評(píng)價(jià)方案的效益再使用。

2.4 材料物性的影響

如之前分析，扶手和門本體均受力，其原材料的抗變形性能對(duì)提高零件剛度有直接關(guān)系。某車型的扶手總成骨架采用ABS，門本體采用PP+EPDM-TD20。ABS材料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三種單體的三元共聚物，具有很強(qiáng)的抗沖擊性、耐劃、尺寸穩(wěn)定等特性。PP是聚丙烯的簡(jiǎn)稱，PP+EPDM+TD20是PP改性材料。TD20指的是20%滑石粉增強(qiáng)，另外加EPDM增韌耐低溫，改性后材料韌性剛性耐a候性都提高，是常用的內(nèi)飾零件選材。

在材料剛性和硬度方面，ABS材料是優(yōu)于PP改性材料。 因此在當(dāng)扶手受力時(shí)，門本體原材料抗變形性能，即彈性模量成為關(guān)鍵影響因素。通過(guò)CAE分析不同本體彈性模量材料對(duì)扶手變形量的變化。從圖10可以看到PP改性材料彈性模量提高，能顯著提升扶手整體剛度。但是材料彈性模量提高，也伴隨成本的上升，實(shí)際開發(fā)過(guò)程中需要兼顧考慮。

圖10 不同材料仿真對(duì)比

3 扶手剛度評(píng)價(jià)要求

扶手按壓剛度，實(shí)車評(píng)價(jià)主要集中于主觀評(píng)價(jià)，為盡量減少人為的因素影響，需要確定明確的要求，能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)A、B、C、D這4臺(tái)實(shí)車進(jìn)行按壓評(píng)價(jià)，并結(jié)合仿真分析，建議將扶手剛度要求定位：Z向施加675N的力，最大位移＜15.5mm，能夠保證實(shí)車扶手剛度評(píng)價(jià)滿足正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

扶手的性能包括很多方面，本文討論的影響因素有助于在項(xiàng)目前期，為非肘部區(qū)域的設(shè)計(jì)提供新的思路。在零件設(shè)計(jì)前期需要綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)、造型等因素，多借助計(jì)算機(jī)輔助軟件，得出最佳的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到提升扶手整體用戶體驗(yàn)的目的，提升整車競(jìng)爭(zhēng)力。