靳煒

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基于被動(dòng)安全性能的汽車空調(diào)控制面板旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

靳煒

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200092）

在某車型空調(diào)控制面板產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，基于乘用車內(nèi)部凸出物法GB1152中關(guān)于被動(dòng)安全性能的要求，對(duì)凸出面板表面的旋鈕進(jìn)行潰縮結(jié)構(gòu)分析，通過CAE仿真，結(jié)合實(shí)際注塑模具樣件靜態(tài)頭碰測(cè)試的結(jié)果，分析和改進(jìn)旋鈕的結(jié)構(gòu)模型，最終得到滿足安全性法規(guī)要求的產(chǎn)品。

空調(diào)控制面板；被動(dòng)安全性能；潰縮結(jié)構(gòu)

前言

近年來(lái)，隨著汽車行業(yè)不斷發(fā)展，越來(lái)越多的家庭擁有汽車。人們除了關(guān)注汽車舒適性外，也越來(lái)越重視汽車駕駛的安全問題。汽車的安全性分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。汽車主動(dòng)安全性[1]，是指汽車本身防止或減少在道路上發(fā)生交通事故的性能。汽車被動(dòng)安全性[2]，是指減少事故發(fā)生時(shí)乘員傷亡的能力。主要包括：結(jié)構(gòu)吸能性、安全防護(hù)裝置、內(nèi)飾零件軟化、安全玻璃等幾方面。根據(jù)2012年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，中國(guó)國(guó)產(chǎn)的汽車與國(guó)外生產(chǎn)汽車相比，與車相關(guān)的安全事故占到25%[3]，

在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，他們投入了大量的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行汽車安全性的研究，并形成了國(guó)際典型的汽車技術(shù)安全法規(guī)，如歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)汽車法規(guī)ECE以及美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS[4]。2009年2月，歐洲推出了新版的新車安全評(píng)價(jià)體系Euro-NCAP[5]，力求更科學(xué)、更接近實(shí)際的新車安全性評(píng)價(jià)規(guī)程。我國(guó)在1989年頒布了GB 11552 -1989轎車內(nèi)部凸出物安全法規(guī)，目前版本為GB 11552-2009，為該標(biāo)準(zhǔn)第二次修訂。

乘用車內(nèi)部凸出物法規(guī)GB11552- 2009中對(duì)靜態(tài)頭部碰撞區(qū)域做了規(guī)定，在整車上，以三維假人座椅SgRP點(diǎn)作為轉(zhuǎn)點(diǎn)，裝置高度設(shè)置為736mm，通過旋轉(zhuǎn)與儀表板接觸求得頭部碰撞邊界[6]。

圖1 儀表板頭部碰撞區(qū)域

動(dòng)態(tài)頭部碰撞區(qū)域的確定，是以實(shí)車碰撞、滑車實(shí)驗(yàn)和模擬碰撞試驗(yàn)測(cè)定方法確定乘員與儀表接觸區(qū)域作為頭部碰撞基準(zhǔn)區(qū)域。由于實(shí)車和滑車碰撞試驗(yàn)成本較高，目前國(guó)內(nèi)整車廠大部分采用模擬碰撞實(shí)驗(yàn)法確定儀表板頭部碰撞區(qū)域。

在GB11552- 2009乘用車內(nèi)部凸出物法規(guī)中要求，用剛性材料制造的開關(guān)、拉鈕等構(gòu)件，按法規(guī)規(guī)定方法測(cè)量，當(dāng)凸出物高出儀表板表面大9.5mm時(shí)，用直徑不大于50mm的平端壓頭，施加378N縱向水平力，構(gòu)件應(yīng)能縮回儀表板或脫落。當(dāng)縮回時(shí)，凸出高度應(yīng)小于9.5mm。當(dāng)脫落時(shí)，在原位置，留下凸出物高度不能超過9.5mm，且距離凸出部分頂點(diǎn)6.5mm處橫截面積不應(yīng)小于650mm[7]。

本文研究的空調(diào)控制面板位于儀表板的頭部碰撞區(qū)域內(nèi)，且旋鈕凸出儀表板表面高度大于9.5mm，按照法規(guī)要求，旋鈕必須設(shè)計(jì)潰縮結(jié)構(gòu)。

圖2 汽車空調(diào)控制面板簡(jiǎn)化模型

1 旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 旋鈕潰縮方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的旋鈕采用空調(diào)控制器整體潰縮方案，控制器周邊設(shè)計(jì)卡扣與面板配合，邊角增加四個(gè)螺釘固定。其中卡扣在生產(chǎn)打螺釘起到面板裝配預(yù)固定作用，將面板卡入前框后，在邊角6-9位置（圖4所示）打入四個(gè)M4x12的自攻螺釘將面板組件和前框鎖緊。然后整個(gè)產(chǎn)品安裝到儀表板預(yù)留位置和并通過螺釘固定在儀表板支架上。為了便于用戶操作和滿足眼橢圓視角要求，空調(diào)面板通常帶有一定裝車角度，即面板平面與垂直方向呈一定角度，如圖5所示。

圖3 空調(diào)控制面板組成

圖4 面板組件與前框連接點(diǎn)

當(dāng)面板旋鈕受到靜壓作用力時(shí)，空調(diào)面板卡扣首先從前框卡座中脫出，其次旋鈕受壓側(cè)螺釘固定孔加強(qiáng)筋斷裂，實(shí)現(xiàn)潰縮。撞擊力的傳播路徑為：1.旋鈕→2.面板→3.PWB→4.后蓋→5.前框。

圖5 空調(diào)面板裝車角度旋鈕靜壓潰縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖6 旋鈕截面構(gòu)成

1.2 旋鈕潰縮的靜態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變過程

在材料力學(xué)[8]中，對(duì)于所研究的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，當(dāng)載荷隨時(shí)間變化極緩慢或不變化的載荷，稱為靜載荷。其特征是在加載過程中，構(gòu)件的加速度很小，可以忽略不計(jì)。在外力作用下，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力。在截面上一點(diǎn)處內(nèi)力分布的集度，稱為應(yīng)力。物體受外力作用或環(huán)境溫度變化時(shí)，物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)會(huì)發(fā)生改變，這種坐標(biāo)位置的改變量稱為位移。構(gòu)件中由靜載荷引起的應(yīng)力和位移變化，稱為靜態(tài)應(yīng)力和靜態(tài)位移。

旋鈕凸出物使用直徑不大于50mm的平端壓頭施加378 N縱向力屬于靜載荷問題。參考文獻(xiàn)[9]中介紹，塑料材料在靜載荷外力作用下拉伸變形時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變過程可以分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。曲線起始部分，圖中的OA段，為彈性變形階段，此時(shí)應(yīng)力很低，材料的變形量也很小，彈性變形是一種可逆的變形。當(dāng)材料變形受外力作用增加后超過彈性極限后，就進(jìn)入塑性變形階段，圖7中A點(diǎn)以后為塑性變形階段。A點(diǎn)為屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榍?yīng)力和屈服應(yīng)變，AB 段叫應(yīng)變軟化，BC 段頸縮階段，CD 段取向硬化，D點(diǎn)發(fā)生斷裂。以屈服應(yīng)力作為聚合物材料的屈服強(qiáng)度，表示為s。

式（1）中 Ps表示材料的屈服載荷，A0表示試樣標(biāo)距部分原始截面積。

本文中模型中的材料主要參數(shù)見表1，表中E為彈性模量，其代表材料對(duì)彈性變形的抵抗能力。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求剛度高的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)該選擇彈性模量比較大的材料，表示材料密度。

表1 材料模型主要參數(shù)

2 旋鈕靜態(tài)頭碰CAE分析

2.1 仿真計(jì)算方法

本文仿真優(yōu)化分析主要使用Abaqus軟件，在Abaqus軟件進(jìn)行靜態(tài)進(jìn)行分析過程中通常忽略慣性和與時(shí)間相關(guān)的材料影響（如溶脹、黏彈性、黏塑性、蠕變等），但是考慮相關(guān)的超彈性材料的滯回和率相關(guān)的塑性行為，靜態(tài)應(yīng)力可以是線性的也可以是非線性的。線性靜態(tài)分析適用于指定載荷工況和合適的邊界約束條件的狀況。非線性靜態(tài)分析適用于材料非線性或摩擦和接觸的邊界條件非線性，在分析時(shí)必須考慮的狀況。如果能夠預(yù)見在分析步中存在幾何非線性行為，應(yīng)當(dāng)使用大變形公式[10]。參考文獻(xiàn)[11]，在靜態(tài)拉伸中，使用均勻形變假設(shè)中的真應(yīng)變公式估算最大塑性應(yīng)變公式為：

式中εpmax為最大塑性形變，lmax為位移載荷曲線中材料破壞前的最大位移，l0為測(cè)試樣件標(biāo)距。

2.1 CAE模型的建立

首先在Catia軟件中建立空調(diào)控制面板3D結(jié)構(gòu)模型，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為stp格式導(dǎo)入仿真分析軟件進(jìn)行旋鈕靜態(tài)頭碰潰縮試驗(yàn)分析，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件材料均為塑料材料，按照實(shí)際尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。邊界條件的定義水平方向施加378N作用力。

2.2 分析流程

旋鈕產(chǎn)品仿真優(yōu)化分析流程如下：

圖8

2.3 CAE仿真結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在完成旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)初步模型后，對(duì)旋鈕靜壓頭部碰撞進(jìn)行第一輪仿真分析，仿真結(jié)果縱坐標(biāo)為旋鈕作用力，橫坐標(biāo)為旋鈕潰縮位移，分析旋鈕潰縮凸出高度大于9.5mm時(shí)作用力為476.1N，超出乘用車凸出物法規(guī)規(guī)定的要求。

圖9 旋鈕靜壓潰縮第一輪仿真結(jié)果

在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，由于實(shí)際產(chǎn)品和設(shè)計(jì)模型往往存在一定的差異，沒有繼續(xù)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析。在產(chǎn)品第一次試模后，用樣品組裝后進(jìn)行旋鈕靜壓潰縮物理試驗(yàn)，并與第一輪CAE仿真結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)際測(cè)試用夾具固定模擬在裝車角度條件下，旋鈕潰縮到儀表板9.5mm以下時(shí)所需的最大壓力，測(cè)試旋鈕潰縮需要的縱向水平力為396.4N,也超出了法規(guī)中規(guī)定的378N。通過對(duì)比CAE分析和實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，潰縮力兩者存在約20%的誤差。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果差異原因分析

通過對(duì)比第一階段樣品和CAE模型，發(fā)現(xiàn)面板卡扣配合量與模型存在一定差異，原因是CAE分析時(shí)未考慮產(chǎn)品注塑變形因素，導(dǎo)致仿真分析結(jié)果與實(shí)際靜壓測(cè)試存在明顯差異。在模型中的單向搭接量為1.08mm，而樣件實(shí)際卡扣由于注塑變形只有0.43mm。

圖10 模型中卡扣搭接圖

針對(duì)產(chǎn)品注塑變形因素，將面板塑膠件變形量加載到CAE分析模型中，以提高仿真精度。調(diào)整后的旋鈕潰縮仿真分析數(shù)值為417.3NN，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果偏差為5%，在CAE分析正常誤差內(nèi)。

3 旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

由于產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試旋鈕潰縮力仍然超出乘用車凸出物法規(guī)規(guī)定的要求，需要對(duì)旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析分為以下幾個(gè)步驟完成：

a.如CAE仿真結(jié)果距離法規(guī)的規(guī)定要求過大，應(yīng)首先在CAE模型中進(jìn)行簡(jiǎn)單的概念優(yōu)化，尋找優(yōu)化方向。

b.根據(jù)CAE概念優(yōu)化模型，在3D設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。

c.對(duì)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)一步驗(yàn)證，驗(yàn)證是否正確。

按照以上步驟，首先分析螺釘固定孔加強(qiáng)筋對(duì)旋鈕潰縮的影響，對(duì)面板四個(gè)螺釘固定孔加強(qiáng)筋做了弱化處理，在其他條件不變時(shí)分別分析加強(qiáng)筋厚度為1.5mm，1.3mm和1.2 mm旋鈕潰縮力的變化。

在CAE分析中發(fā)現(xiàn)面板卡扣和前框卡座剛性很強(qiáng)，施壓靜壓作用力變形較小，較難脫出。針對(duì)此問題，將面板卡扣與卡座配合面改成大圓角弧面，有利于靜壓時(shí)卡扣變形，從卡座中脫出。

3.2 旋鈕潰縮力與產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度之間的矛盾

空調(diào)控制面板屬于汽車中控面板一部分，汽車中控面板一般都要求做機(jī)械振動(dòng)耐久試驗(yàn)來(lái)考察產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度。通常使用夾具將產(chǎn)品按照實(shí)際裝車位置和角度固定，在車身坐標(biāo)X、Y、Z三個(gè)不同方向上施加一定變化頻率的加速度載荷進(jìn)行試驗(yàn)。產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度越好，其耐機(jī)械振動(dòng)沖擊的性能就越好。而機(jī)械強(qiáng)度越好的產(chǎn)品，潰縮力也較大，其在靜態(tài)頭碰時(shí)潰縮效果則越差。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要平衡好同時(shí)滿足產(chǎn)品潰縮力和機(jī)械強(qiáng)度之間的矛盾，結(jié)合仿真分析，找到合適的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

圖11 空調(diào)面板整體應(yīng)力圖

圖12 旋鈕靜態(tài)仿真潰縮力和位移曲線

3.3 優(yōu)化后的產(chǎn)品驗(yàn)證

將優(yōu)化好的產(chǎn)品模型，減去產(chǎn)品注塑變形量，分別進(jìn)行靜態(tài)頭部碰撞仿真和機(jī)械振動(dòng)耐久分析，結(jié)果顯示改進(jìn)后的模型符合乘用車內(nèi)部凸出物法規(guī)要求。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也滿足客戶機(jī)械振動(dòng)沖擊強(qiáng)度的要求。

圖13 旋鈕靜壓潰縮測(cè)試

圖14 旋鈕靜壓潰縮力和位移曲線

產(chǎn)品通過實(shí)際物理靜壓頭部碰撞試驗(yàn)和機(jī)械振動(dòng)耐久測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果旋鈕潰縮力和CAE仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

通過對(duì)某項(xiàng)目汽車空調(diào)控制面板旋鈕靜態(tài)頭部碰撞出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，將物理試驗(yàn)與CAE分析進(jìn)行對(duì)比修正CAE仿真模型，并對(duì)影響靜態(tài)頭部碰撞的因素不同水平進(jìn)行仿真分析，再進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到滿足技術(shù)要求的設(shè)計(jì)方案。為汽車空調(diào)控制面板旋鈕潰縮結(jié)構(gòu)開發(fā)提供了一種可借鑒的方法和思路。

[1] 汽車百科全書編纂委員會(huì).汽車百科全書[M].北京:中國(guó)大百科全書出版社,2010.

[2] 被動(dòng)安全:可潰縮的頭枕,轉(zhuǎn)向柱和踏板.騰訊汽車http://auto.qq. com/a/20101122/000236_3.htm.

[3] 趙新勇:國(guó)內(nèi)與車相關(guān)安全事故比例已達(dá)25%.騰訊汽車http:// auto.qq.com/a/20130908/003261.htm.

[4] 司康.國(guó)內(nèi)外安全法規(guī)對(duì)比分析及發(fā)展動(dòng)向[J].商用汽車雜志, 2006(9).

[5] European New Car Assessment Program Pedestriantest Protocol [S]. Version 7.0 March 2013.

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[7] GB 11552-2009,乘用車內(nèi)部凸出物[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.

[8] 季順迎主編.材料力學(xué)[M].北京.科學(xué)出版社,2013.1.

[9] 何曼君,張紅東,陳維孝.高分子物理學(xué)[M].上海.復(fù)旦大學(xué)出版社.2007.3.

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[11] 何業(yè)磊.汽車儀表板材料與頭部碰撞模擬分析[D].大連.大連理工大學(xué). 2013.

Climate Control Panel Knob retract structure Optimization basing on passive safety Performance

Jin Wei

( School of Mechanical Engineering Tongji University, Shanghai 200092 )

Basing on car internal projections requirements in the regulations GB1152, analysis the retract knob structure of climate control panel in the actual project, contrast the static head impact CAE simulation and practical engineering samples results, seek the reason why the simulation and actual test have deviation, then revise the knob retract structure finite element model. And finally get the engineering sample which meet the technical development requirements.

Climate control panel; Passive safety; Retract structure

TH184

B

1671-7988(2018)24-181-04

TH184

B

1671-7988(2018)24-181-04

靳煒，機(jī)械工程在讀碩士，中級(jí)工程師，主要研究方向：汽車中控面板產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.065