周劍奇，黃 奇，龔 琪

（1.江鈴汽車(chē)股份有限公司 整車(chē)工程研究院，江西 南昌 330200；2.南昌吳越塑料工業(yè)有限公司 技術(shù)部，江西 南昌 330200）

隨著汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)內(nèi)飾功能越來(lái)越豐富。中央扶手作為汽車(chē)內(nèi)飾中主要功能件之一，通常置于副儀表板上，關(guān)閉狀態(tài)可以供駕駛員舒適倚靠，開(kāi)啟狀態(tài)下可以供車(chē)內(nèi)乘員取放儲(chǔ)物箱中的物品[1]。所以在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)扶手的考核尤為重要，除最重要的安全性法規(guī)外，人機(jī)舒適性是體現(xiàn)汽車(chē)內(nèi)飾設(shè)計(jì)優(yōu)秀與否的重要方面[2]，還需著重考核其剛/強(qiáng)度和開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)的操作力，乘客的感知質(zhì)量[3]會(huì)直接影響乘客對(duì)品牌的認(rèn)知。

近年來(lái)，為了便于操作使用和保證使用安全，出現(xiàn)了能夠使箱蓋在任意位置懸停的鉸鏈結(jié)構(gòu)[4]，故多家主機(jī)廠(chǎng)的中央扶手采用了摩擦式鉸鏈。該類(lèi)型鉸鏈的優(yōu)點(diǎn)是摩擦式鉸鏈能提供阻尼，克服扶手自身重力，達(dá)到扶手在任意位置懸停目的。但這種扶手對(duì)鉸鏈提供的摩擦力矩的要求非常嚴(yán)苛。摩擦力矩太大會(huì)導(dǎo)致扶手開(kāi)啟力太大從而引起顧客抱怨；摩擦力矩太小會(huì)導(dǎo)致無(wú)法克服扶手自身重力從而扶手無(wú)法在任意位置懸停，或者會(huì)導(dǎo)致扶手在顛簸路面時(shí)產(chǎn)生異響。

本文在針對(duì)采用摩擦式鉸鏈的中央扶手，研究扶手的開(kāi)啟力、關(guān)閉力、鉸鏈摩擦力矩的關(guān)系。根據(jù)主機(jī)廠(chǎng)提供的操作力，指導(dǎo)供應(yīng)商鉸鏈摩擦力矩設(shè)計(jì)。

1 中央扶手開(kāi)啟關(guān)閉系統(tǒng)受力分析

本文介紹的中央扶手開(kāi)啟關(guān)閉系統(tǒng)是由扶手上蓋板總成、下蓋板總成、鉸鏈總成組成。其中鉸鏈總成由上鉸鏈、下鉸鏈及摩擦阻尼機(jī)構(gòu)組成，下鉸鏈固定不動(dòng)。上蓋板總成通過(guò)螺釘固定在上鉸鏈上，下蓋板通過(guò)塑料卡扣固定在上蓋板上，詳細(xì)的布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中央扶手開(kāi)啟關(guān)閉系統(tǒng)

1.1 中央扶手工作原理

當(dāng)扶手處于關(guān)閉狀態(tài)，客戶(hù)將力作用在扶手下蓋總成前端，向上提拉扶手，將扶手打開(kāi)；當(dāng)扶手處于開(kāi)啟狀態(tài)，客戶(hù)將力作用在上蓋板前端，向下推扶手，將扶手關(guān)閉。扶手開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程，手上的作用力用來(lái)克服扶手受到的各種力矩之和，包括扶手的重力力矩和鉸鏈的摩擦力矩。開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中的任意位置，顧客取消操作力，在鉸鏈阻尼機(jī)構(gòu)提供的摩擦力作用下，扶手都可在鉸鏈提供的摩擦力下保持靜止不動(dòng)，從而在任意位置懸停。

1.2 中央扶手操作力計(jì)算模型

圖2 中央扶手受力分析示意圖

圖3 重力力臂示意圖

圖中，O為鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸心；A為客戶(hù)手操作位置；B為扶手重心位置；Fh、Lh分別為手上操作力和操作力的力臂；G、Lg分別為中央扶手的重力和重力力臂。

圖中，鉸鏈軸線(xiàn)與重心的距離R保持不變，鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸心O坐標(biāo)(Ox,Oz)，重心B坐標(biāo)(Bx,Bz)，α為扶手開(kāi)啟角度，β為扶手關(guān)閉狀態(tài)與地平線(xiàn)的夾角。

根據(jù)力矩平衡原理，可以得到開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中的力矩平衡公式。

開(kāi)啟過(guò)程：

關(guān)閉過(guò)程：

針對(duì)考試大綱側(cè)重內(nèi)容，依據(jù)學(xué)情、導(dǎo)游職業(yè)素養(yǎng)能力要求及考試題型，廣泛收集資料，選取多種教學(xué)素材，進(jìn)行課前、課中、課后整個(gè)教學(xué)過(guò)程的教學(xué)資源準(zhǔn)備與課件設(shè)計(jì)，并將其上傳到智慧課堂網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以供教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)與保存。

式中，F(xiàn)hk為開(kāi)啟過(guò)程手上操作力，即開(kāi)啟力；Fhg為關(guān)閉過(guò)程手上操作力，即關(guān)閉力；Tf為鉸鏈提供的摩擦力矩。

由工作原理及力學(xué)分析，影響操作力的因素有摩擦力矩、重力、重力力臂及操作力力臂，輸入上述值，可精確計(jì)算扶手操作力，操作力的計(jì)算模型為

1.2.1 開(kāi)啟及關(guān)閉力力臂

手上的作用力一直垂直于手操作位置和鉸鏈軸的連線(xiàn)，故手上作用力的力臂在扶手開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中保持不變。所以可以通過(guò)鉸鏈軸心和手操作位置坐標(biāo)計(jì)算力臂：

式中，(Ax0,Az0)為扶手關(guān)閉狀態(tài)客戶(hù)手操作位置坐標(biāo)。

1.2.2 重力力臂

扶手重力力臂是隨著扶手開(kāi)啟角度變化而變化的，如圖2 所示。扶手在開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中，鉸鏈軸心與重心的距離R保持不變。

式中，(Bx0,Bz0)為扶手關(guān)閉狀態(tài)扶手重心坐標(biāo)。

任意時(shí)刻重心力臂：

α+β= 90°時(shí)是一個(gè)臨界點(diǎn)，此時(shí)扶手重心與鉸鏈軸心在x方向重合，即Ox=Bx，臨界點(diǎn)前后重力做功效果不同。

開(kāi)啟過(guò)程，從關(guān)閉狀態(tài)到達(dá)臨界點(diǎn)前，重力做負(fù)功，開(kāi)啟力需克服重力和摩擦力矩做功，過(guò)了臨界點(diǎn)到完全開(kāi)啟狀態(tài)，重力做正功，開(kāi)啟力和重力共同克服摩擦力矩做功。

關(guān)閉過(guò)程，從完全開(kāi)啟狀態(tài)到臨界點(diǎn)，重力做負(fù)功，關(guān)閉力需克服重力和摩擦力矩做功，從臨界點(diǎn)到關(guān)閉狀態(tài)，重力做正功，關(guān)閉力和重力共同克服摩擦力矩做功。

2 某車(chē)型操作力的計(jì)算模型應(yīng)用

事實(shí)上，在設(shè)計(jì)階段，鉸鏈的摩擦力矩很難準(zhǔn)確地獲取[6]，需要基于扶手的操作力性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)，獲得摩擦力矩，指導(dǎo)鉸鏈設(shè)計(jì)。

2.1 某車(chē)型力臂計(jì)算

在CATIA中建立材料庫(kù)，并設(shè)置中央扶手總成中每個(gè)子零件的材料屬性，關(guān)鍵零件材料屬性如表1所示。

表1 零件材料屬性

完成以上操作后，選中中央扶手總成，點(diǎn)擊測(cè)量慣量命令，可獲得扶手關(guān)閉狀態(tài)扶手重心坐標(biāo)及質(zhì)量，如圖4所示，(Bx0,Bz0)=(3 434.495,2 070.158)，中央扶手質(zhì)量m=1.869 kg。

圖4 重心坐標(biāo)

通過(guò)CATIA測(cè)量得客戶(hù)手操作位置坐標(biāo)：

鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸心坐標(biāo)：

以上數(shù)值代入式（5）、式（7）可得

操作力力臂Lh=0.289 m；重量力臂：

2.2 某車(chē)型鉸鏈摩擦力矩計(jì)算

假設(shè)扶手運(yùn)動(dòng)過(guò)程鉸鏈摩擦力矩為恒定值，將計(jì)算得到的Lg、Lh代入操作力計(jì)算模型式（3）、式（4）得

當(dāng)α=0時(shí)，扶手處于完全關(guān)閉狀，此時(shí)有最大開(kāi)啟力：

當(dāng)α= 90°時(shí)，扶手處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)有最大關(guān)閉力：

根據(jù)本公司開(kāi)發(fā)的 3款摩擦式鉸鏈的中央扶手經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)啟力為20 N時(shí)，顧客手感最佳，因?qū)嶋H測(cè)量扶手操作力時(shí)得到的是開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中的最大值，故定義最大開(kāi)啟力為 20 N。在 2.1節(jié)已知扶手重量m=1.869 kg，故G=mg=18.32 N，代入式（11）、式（12）得摩擦力矩Tf=3.87 Nm，最大關(guān)閉力Fhgmax=15 N。

2.3 扶手開(kāi)啟角度與操作力對(duì)應(yīng)關(guān)系

基于前兩節(jié)計(jì)算的操作力力臂、重力力臂、摩擦力矩，構(gòu)建扶手操作力與開(kāi)啟角度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 開(kāi)啟力及關(guān)閉力與開(kāi)啟角度關(guān)系圖

如圖5所示，隨著開(kāi)啟角度越大，所需的開(kāi)啟力越小，所需的關(guān)閉力越大，最大開(kāi)啟力20 N，最大關(guān)閉力15 N。所以設(shè)計(jì)時(shí)扶手性能指標(biāo)定開(kāi)啟力名義值定義20 N，扶手關(guān)閉力名義值定義15 N，此處所描述的扶手開(kāi)啟力和關(guān)閉力指的是最大開(kāi)啟力和最大關(guān)閉力。

3 扶手操作力的主要影響因素

因?qū)嶋H測(cè)量扶手操作力時(shí)得到的是開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中的最大值，故本節(jié)分析影響因素對(duì)最大開(kāi)啟力與最大關(guān)閉力的影響。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不同車(chē)型鉸鏈軸線(xiàn)與重心的距離R及β變化很小，忽略其對(duì)操作力的影響，主要分析摩擦力矩、扶手質(zhì)量、操作力的力臂對(duì)最大開(kāi)啟力與最大關(guān)閉力的影響。

3.1 摩擦力矩對(duì)最大開(kāi)啟力、關(guān)閉力的影響

根據(jù)第2節(jié)計(jì)算值，假設(shè)R=0.11 m、β=16.1°、m=1.869 kg及Lh=0.289 m為定值，Tf對(duì)操作力的影響如圖6所示。

圖6 摩擦力矩與操作力的關(guān)系圖

如圖6所示，最大開(kāi)啟力和最大關(guān)閉力都隨著摩擦力矩的增大而增大，且兩者在任意摩擦力矩值時(shí)有恒定差值。摩擦力矩變化1 Nm，對(duì)應(yīng)操作力變化3.5 N。

根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，扶手開(kāi)啟力大于25 N時(shí)乘客會(huì)感覺(jué)操作費(fèi)力，扶手開(kāi)啟力小于15 N時(shí)會(huì)導(dǎo)致整車(chē)路試測(cè)試時(shí)扶手易產(chǎn)生晃動(dòng)敲擊異響，故建議扶手開(kāi)啟力設(shè)置±5 N的公差，根據(jù)圖6得到關(guān)閉力公差也會(huì)是±5 N，摩擦力矩公差為±1.43 Nm，結(jié)合 2.3節(jié)摩擦力矩與最大開(kāi)啟力、關(guān)閉力名義值，三者關(guān)系如表2所示。

表2 摩擦力矩、開(kāi)啟力、關(guān)閉力公差對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 扶手質(zhì)量對(duì)最大開(kāi)啟力、關(guān)閉力的影響

根據(jù)本文第 2節(jié)計(jì)算值，假設(shè)R=0.11 m、β=16.1°、Tf=3.87 Nm及Lh=0.289 m為定值， 扶手質(zhì)量m對(duì)操作力的影響如圖7所示。

圖7 扶手質(zhì)量與操作力的關(guān)系圖

如圖7所示，最大開(kāi)啟力和最大關(guān)閉力都隨著摩扶手質(zhì)量的增大而線(xiàn)性增大，但扶手質(zhì)量對(duì)最大開(kāi)啟力的影響比對(duì)最大關(guān)閉力的影響大。扶手質(zhì)量變化0.1 kg，對(duì)應(yīng)最大開(kāi)啟力變化0.35 N，對(duì)應(yīng)最大關(guān)閉力變化0.1 N。

3.3 扶手力臂對(duì)最大開(kāi)啟力、關(guān)閉力影響

根據(jù)第2節(jié)計(jì)算值，假設(shè)R=0.11 m、β=16.1°、Tf=3.87 Nm及m=1.869 kg為定值，質(zhì)量m對(duì)操作力的影響如圖8所示。

圖8 操作力臂與操作力的關(guān)系圖

如圖8所示，最大開(kāi)啟力和最大關(guān)閉力都隨著操作力臂的增大而減小，但是非線(xiàn)性的，且操作力力臂越大，其變化對(duì)最大開(kāi)啟、關(guān)閉力的影響越小。

4 總結(jié)

扶手設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的主要工作就是量化扶手的性能指標(biāo)，即開(kāi)啟力與關(guān)閉力，以扶手性能指標(biāo)驅(qū)動(dòng)扶手鉸鏈的設(shè)計(jì)。

將終端主觀(guān)感受—扶手開(kāi)啟關(guān)閉手感輕重，轉(zhuǎn)化成扶手設(shè)計(jì)指標(biāo)—扶手開(kāi)啟力、關(guān)閉力。再通過(guò)扶手工作原理及力學(xué)分析，建立扶手操作力的計(jì)算模型。

根據(jù)構(gòu)建的扶手操作力與開(kāi)啟角度的關(guān)系，扶手操作力的主要影響因素分析獲得：

1）扶手處于完全關(guān)閉狀，此時(shí)有最大開(kāi)啟力，且開(kāi)啟力隨之開(kāi)啟角度增加而減??；

2）扶手處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)有最大關(guān)閉力，且關(guān)閉力隨之開(kāi)啟角度增加而增加；

3）最大開(kāi)啟力和最大關(guān)閉力都隨著扶手質(zhì)量的增大而線(xiàn)性增大，但扶手質(zhì)量對(duì)最大開(kāi)啟力的影響比對(duì)最大關(guān)閉力的影響大。扶手質(zhì)量變化0.1 kg，對(duì)應(yīng)最大開(kāi)啟力變化0.35 N，對(duì)應(yīng)最大關(guān)閉力變化0.1 N；

4）扶手開(kāi)啟力設(shè)計(jì)指標(biāo)為（20±5）N時(shí)，扶手關(guān)閉力設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)為（15±5）N，摩擦力矩為（3.87±1.43）Nm；

5）最大開(kāi)啟力和最大關(guān)閉力都隨著操作力臂的增大而減小，但是非線(xiàn)性的，且操作力力臂越大，其變化對(duì)最大開(kāi)啟、關(guān)閉力的影響越小。

本文利用操作力計(jì)算模型，基于扶手的性能指標(biāo)（開(kāi)啟力）進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)，獲得摩擦力矩，從而指導(dǎo)供應(yīng)商鉸鏈設(shè)計(jì)。并且得到鉸鏈摩擦力矩、扶手質(zhì)量、操作力臂對(duì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，為以后的采用摩擦式鉸鏈的中央扶手項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考以及解決方案。