汽車手套箱設(shè)計(jì)及其模態(tài)分析

吳 琳

汽車手套箱設(shè)計(jì)及其模態(tài)分析

吳 琳

（江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

手套箱作為內(nèi)飾件的重要功能件之一，其設(shè)計(jì)的好壞決定了生產(chǎn)產(chǎn)品的性能能否符合顧客需求。文章介紹了手套箱的組成及其在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中相關(guān)重要參數(shù)如何設(shè)定，如手套箱容積的大小要求，手套箱焊接結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)及定位策略，鎖舌與鎖舌套的搭接設(shè)計(jì)，扣手開(kāi)口尺寸及手套箱開(kāi)啟限位塊的設(shè)計(jì)，目的是為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。同時(shí)結(jié)合車輛在路試過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的手套箱異響情況，利用有限元分析方法，對(duì)手套箱進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，手套箱的一階頻率及二階頻率均大于45 Hz，符合設(shè)計(jì)要求，通過(guò)文章的研究，可減少產(chǎn)品因設(shè)計(jì)缺陷而導(dǎo)致的修模費(fèi)用。

汽車手套箱；鎖舌；鎖舌套；模態(tài)分析

目前，隨著汽車市場(chǎng)的不斷發(fā)展壯大，市場(chǎng)可供選擇的汽車類型較多，消費(fèi)者不僅關(guān)注汽車的價(jià)格，更關(guān)注汽車的性能、外觀、舒適度等方面，這加劇了汽車制造商的競(jìng)爭(zhēng)[1]。汽車內(nèi)飾一定程度上為乘客營(yíng)造出家的氛圍，受到越來(lái)越多的關(guān)注。手套箱作為汽車內(nèi)飾件的重要組成部分，有必要加強(qiáng)設(shè)計(jì)研究，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考。并且根據(jù)路試過(guò)程中手套箱異響問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，有必要對(duì)手套箱進(jìn)行模態(tài)分析。

1 手套箱概述及要求

手套箱總成作為儀表板總成的重要部分[2]，是重要的儲(chǔ)物空間。目前，汽車上使用的手套箱主要有斗蓋分離式和斗蓋一體式，通常情況下，斗蓋分離式手套箱是通過(guò)卡扣與螺釘安裝在儀表板本體上；斗蓋一體式手套箱則通過(guò)自身轉(zhuǎn)軸卡接在本體的軸端位置。常用手套箱結(jié)構(gòu)一般由內(nèi)板（帶箱斗）、外板、安裝框，鎖機(jī)構(gòu)組成，有時(shí)還包含阻尼，氛圍燈等。安裝框固定在儀表板骨架上，內(nèi)、外板采用振動(dòng)摩擦焊接，然后通過(guò)內(nèi)板或外板上卡爪利用轉(zhuǎn)軸（可分件或與框架一體注塑成型）將內(nèi)外板固定在安裝框上，并保證箱斗轉(zhuǎn)動(dòng)。按開(kāi)鎖方式不同，手套箱鎖結(jié)構(gòu)分為單點(diǎn)鎖及雙點(diǎn)鎖，單點(diǎn)鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但由于鎖舌布置在手套箱上端中間位置，手套箱與周邊件的間隙面差不好控制，實(shí)際使用較少；雙點(diǎn)鎖鎖舌布置在手套箱上端兩側(cè)位置，手套箱與周邊件的間隙面差較容易控制，使用比較廣泛[3]。手套箱總成常用材料如表1所示。

表1 手套箱常用材料及表面工藝

1.1 布置要求

為了乘坐的舒適性，一般要求50%假人到手套箱外板的距離在100 mm～110 mm之間，且手套箱在開(kāi)啟最大角度時(shí)（通常情況是30°），腿到手套箱外板的距離在20 mm左右為宜。由于手套箱的作用是收儲(chǔ)檢車證件，用戶手冊(cè)等，它的容積大小需滿足：

（1）當(dāng)手套箱完全關(guān)閉時(shí)，要求能放入一個(gè)275 mm×45 mm×170 mm的方塊（見(jiàn)圖1）；

圖1 手套箱關(guān)閉時(shí)容積要求

（2）手套箱完全打開(kāi)時(shí)，最小入口區(qū)域要求為275 mm×100 mm（見(jiàn)圖2）；

圖2 手套箱打開(kāi)時(shí)尺寸要求

（3）手套箱箱斗設(shè)計(jì)寬度應(yīng)大于手套箱內(nèi)部長(zhǎng)度的75%；

（4）手套箱完全打開(kāi)時(shí)，最小開(kāi)口尺寸要求大于120 mm；

（5）手套箱在向的最低點(diǎn)距離地板的最小高度為300 mm。

1.2 設(shè)計(jì)要求

1. 手套箱焊接及其定位策略

手套箱一般采用振動(dòng)摩擦焊工藝焊接內(nèi)外板。焊接筋通常向布置，厚度1 mm、高度15 mm左右，焊接深度1 mm，布置間距一般在13 mm～20 mm之間，為使內(nèi)外板搭接更美觀，一般內(nèi)、外板采用壓接方式，間隙一般為0.5 mm。手套箱是運(yùn)動(dòng)件，為了防止手套箱開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中左右晃動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)干涉或與儀表板的間隙左右不均，需設(shè)計(jì)好手套箱的向定位策略。手套箱一般靠?jī)?nèi)板或外板上的卡爪與安裝框上槽進(jìn)行定位。為保證手套箱與儀表板左右間隙一致，一般將向定位放在中間位置，定位間隙單邊0.1 mm，如圖3所示。手套箱的旋轉(zhuǎn)鉸鏈要求與向平行，手套箱開(kāi)啟后與門板的最小距離應(yīng)不小于10 mm，與儀表板的間隙一般定義為1.5 mm～2.0 mm。

圖3 手套箱定位策略

2.手套箱鎖舌及鎖舌套的設(shè)計(jì)

手套箱如果設(shè)計(jì)得不好，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)鎖舌卡滯，無(wú)法回彈或是手套箱假關(guān)的情況，因此，有必要探討下鎖舌及鎖舌套的匹配設(shè)計(jì)。鎖舌套是控制鎖桿位置的關(guān)鍵部件，其經(jīng)常要與鎖桿摩擦，因此，應(yīng)選擇有自潤(rùn)滑功能的聚甲醛（Polyformal- dehyde, POM）材料，鎖桿選擇聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物混合物（Polycarbonate/ Acrylonitrile Butadiene Styrene）PC/ABS材料，鎖舌套卡接在手套箱安裝框上。為了防止鎖舌在車輛行駛過(guò)程中有異響，一般鎖舌與鎖舌套會(huì)做 1.0 mm左右的干涉量，而鎖舌與鎖舌套的搭接量應(yīng)小于鎖桿的行程，一般建議為4.0 mm左右，鎖舌導(dǎo)入角為50°，便于裝配。為了保證鎖桿與向平行，一般在鎖舌兩側(cè)附近有鎖桿定位支架，確保鎖桿始終處于水平方向位置。由于手套箱關(guān)閉有過(guò)行程，避免因反彈原因?qū)е骆i桿不能進(jìn)入鎖套，在關(guān)閉方向上[4]，相對(duì)手套箱理論位置需要向前有不小于3 mm的緩沖行程，以便有鎖桿落入鎖套的反應(yīng)時(shí)間，但為了不產(chǎn)生間隙，此處需要增加緩沖塊[5]。如圖4所示。

圖4 手套箱鎖舌及鎖舌套匹配結(jié)構(gòu)

3.手套箱扣手設(shè)計(jì)

手套箱按扣手開(kāi)口方向的不同，可以分為橫向扣手（左右開(kāi)啟扣手）、縱向扣手（上下開(kāi)啟扣手）兩種。對(duì)于上下開(kāi)啟的扣手，為滿足造型的美觀性，橫向尺寸一般都能滿足三指寬度的操作要求?？凼窒路叫枞藱C(jī)校核，要預(yù)留手指操作空間，開(kāi)口的縱向尺寸最好大于35 mm。對(duì)于左右開(kāi)啟的扣手，縱向尺寸一般大于40 mm，橫向尺寸則需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置和運(yùn)動(dòng)校核?？凼洲D(zhuǎn)軸需與向平行，開(kāi)啟角度一般定義25°。

4.手套箱開(kāi)啟限位

手套箱最大開(kāi)啟角度一般為30°，手套箱安裝角度一般設(shè)計(jì)為60°，由于開(kāi)啟后手套箱會(huì)在重力作用下完全打開(kāi)，且有一定的慣性，如果這個(gè)慣性力超過(guò)了開(kāi)啟限位所能提供的阻力，那么手套箱將會(huì)脫落，這是不允許的，因此，手套箱需要增加開(kāi)啟限位，在手套箱開(kāi)啟到30°時(shí)，限位塊與手套箱的干涉量確保在3 mm以上，防止手套箱脫落[6]，同時(shí)在限位塊的另一端，增大安裝導(dǎo)向角，便于手套箱的裝配。

2 模態(tài)分析

手套箱作為內(nèi)飾件的重要功能件，路試時(shí)手套箱異響的情況時(shí)有發(fā)生，實(shí)驗(yàn)路譜如圖5所示，一般有兩方面原因，一是手套箱鎖舌及鎖舌套設(shè)計(jì)不合理，沒(méi)有設(shè)計(jì)干涉量等導(dǎo)致路試異響，另一方面是手套箱的振動(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)艙的頻率接近，從而產(chǎn)生共振異響，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。

2.1 理論基礎(chǔ)

模態(tài)是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)，包括固有頻率和振型，是振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、動(dòng)載荷的產(chǎn)生和傳播以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)的形式等具有重要影響。作為具有有限個(gè)自由度的彈性系統(tǒng)，振動(dòng)微分方程為

在無(wú)阻尼自由振動(dòng)情況下，進(jìn)行傅式變換可得

變換為特征方程：

（3）

式中，為系統(tǒng)固有頻率；為系統(tǒng)振型。

2.2 有限元模型及分析

將手套箱模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中，利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格類型為四面體單元，單元尺寸為4 mm，在確保計(jì)算精度的同時(shí)，節(jié)約計(jì)算所需要的時(shí)間。此模型單元數(shù)為36 773個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為35 126個(gè)。約束連接手套箱到儀表板骨架上的所有安裝點(diǎn)上6個(gè)自由度。根據(jù)本公司內(nèi)部規(guī)范要求，手套箱各階模態(tài)頻率不小于45 Hz，方可避免手套箱產(chǎn)生共振。由圖6和7可知，手套箱的一階頻率為66 Hz，二階頻率為79 Hz，滿足本公司規(guī)范要求。

圖6 一階頻率

圖7 二階頻率

3 結(jié)論

本文概述了汽車手套箱的組成及其定位安裝策略，同時(shí)探討了鎖舌與鎖舌套搭接設(shè)計(jì)，扣手及其開(kāi)啟限位塊設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要參數(shù)，給后續(xù)手套箱的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

根據(jù)手套箱路試中存在的異響問(wèn)題，針對(duì)其中的共振異響，本文通過(guò)對(duì)某一手套箱的模態(tài)分析，介紹了本企業(yè)的模態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果表明，手套箱的模態(tài)滿足規(guī)范要求。

[1] 劉曉鋒,王亞振.談汽車產(chǎn)業(yè)中儀表板手套箱設(shè)計(jì)的分析[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2016(4):177- 178.

[2] 李桂麗,張娟,張騰躍.淺議汽車儀表臺(tái)上手套箱的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[C]//第十五屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.鄭州:河南省汽車工程學(xué)會(huì),2018:89-91.

[3] 李德群.基于Moldflow的汽車手套箱框本體注塑模設(shè)計(jì)[J].模具技術(shù),2022(1):9-13.

[4] 朱瑤潔,盛浩,王建.乘用車手套箱性能要求綜述[J].汽車設(shè)計(jì),2018(7):105-107.

[5] 程丹.基于ANSYS的汽車儀表板側(cè)蓋板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].裝備維修技術(shù),2020(1):19.

[6] 程世奇,孔君麗,秦穎,等.汽車手套箱技術(shù)方案選擇策略[J].汽車工程師,2018(9):43-46.

Design and Modal Analysis of Automobile Glove Box

WU Lin

( General Institute of Product Research and Development,Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

As one of the important functional parts of interior trim, the design of glove box determines whether the performance of produced products can meet the needs of customers. This paper introduces the composition of the glove box and how to define some important parameters in the design and development process, such as the volume requirements of the glove box, the design and positioning strategy of the welding structure parameters of the glove box, the overlapping design of the lock tongue and the lock tongue sleeve, the size of the buckle opening and the design of the opening limit block of the glove box, in order to provide corresponding reference for the subsequent design of similar structures. At the same time, combined with the abnormal noise of glove box often occurred in the process of vehicle road test, this paper introduces the modal analysis of glove box by using the finite analysis ways. The analysis results show that the first-order frequency and second-order frequency of glove box are greater than 45Hz, which meets the design requirements. Through the research of this paper, the mold repair cost caused by design defects can be reduced.

Automobile glove box; Lock tongue; Lock tongue sleeve; Modal analysis

U463.8

A

1671-7988(2023)03-79-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.015

吳琳（1986—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠噧?nèi)外飾設(shè)計(jì)及布置，E-mail:253085579@qq.com。