游 瀚

（江西五十鈴有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

隨著國內(nèi)汽車市場不斷發(fā)展成熟，消費(fèi)者對汽車內(nèi)飾的精致性要求越來越高，扶手總成作為汽車車廂內(nèi)重要儲物空間及手臂放置區(qū)域，其設(shè)計的好壞一定程度上決定了汽車是否能吸引潛在消費(fèi)者關(guān)注[1]。目前比較常見的扶手總成是繞著扶手后端的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的后翻扶手，其應(yīng)用實踐較長，價格相對實惠，使用范圍較為廣泛。

本文針對后翻式扶手總成，簡要說明了其在設(shè)計開發(fā)過程中的設(shè)計要點(diǎn)，比如：扶手的組成、材料選擇、內(nèi)外板的定位安裝策略、扶手表皮設(shè)計以及扶手的人機(jī)要求，并且利用HyperMesh和ABAQUS有限元分析軟件，對某皮卡車型后翻式扶手總成在關(guān)閉及打開兩種狀態(tài)下其剛度，強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析判斷后翻扶手總成在設(shè)計工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為后續(xù)車型后翻扶手設(shè)計提供設(shè)計參考。

1 扶手總成設(shè)計要點(diǎn)

1.1 扶手總成組成

副儀表板后翻扶手總成一般采用包覆工藝，主要由表皮、泡棉、扶手內(nèi)板、外板、鉸鏈、軸、限位簧片、扭簧及縫線等組成。泡棉可先裁切成設(shè)計形狀，再與扶手外板一起包覆，或是將扶手外板放置模具內(nèi)一體發(fā)泡成型，后者泡棉與扶手外板位置可控，包覆手感較好[2]。

扶手內(nèi)、外板采用卡接結(jié)構(gòu)，利用自身門型卡進(jìn)行固定，由于需考慮扶手在關(guān)閉時能承受一個成年人體重，因此，扶手內(nèi)外板之間應(yīng)盡可能多加支撐以增強(qiáng)其剛度。根據(jù)鉸鏈材料不同，可以將扶手分成塑料鉸鏈扶手和金屬鉸鏈扶手，塑料鉸鏈與扶手內(nèi)板為同一個件，塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但是鉸鏈的剛度較差，零件試制時扶手易變形；金屬鉸鏈剛度較大，其通過兩個鐵支架組成運(yùn)動副，其中一個鐵支架固定在扶手外板上，另一個鐵支架則固定在副儀表板本體上，兩個鐵支架通過轉(zhuǎn)軸，扭簧及限位簧片可相對轉(zhuǎn)動，應(yīng)用較為廣泛，如圖1所示。

圖1 扶手鉸鏈分類

1.2 扶手總成材料選擇

扶手材料選擇如表1所示，對于塑料鉸鏈扶手總成，扶手外板可選擇丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）或聚碳酸酯（PolyCarbonate, PC）/ABS。扶手內(nèi)板需考慮選擇剛度，強(qiáng)度較大材料，如：尼龍6（Poly Amide 6, PA6）+30%玻纖（Glass Fiber, GF），如果通過有限元分析計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足扶手強(qiáng)度、剛度要求，也可選擇 PA6+GF20材料，零件表面外觀較好控制。

表1 扶手總成材料

1.3 扶手表皮設(shè)計

副儀表板扶手表皮一般采用手工包覆，包覆表皮翻邊有效被壓接量不小于10 mm，如圖2所示A值，在表皮反包區(qū)域外板上不應(yīng)有其他特征，避免反包不夠?qū)е掳膊涣糩3]。扶手總成一般采用縫線工藝增加內(nèi)飾美觀，需造型定義縫線位置及縫線的針距等。常見的扶手采用的縫線方式有雙縫線和單縫線。雙縫線是在內(nèi)飾包覆件拼接時各自縫合一條線，也是目前應(yīng)用最多的包覆件拼接方式，具備良好裝飾效果，提升汽車的內(nèi)在品質(zhì)，而單縫線主要是給人一種視覺上的層次感。

圖2 扶手常見縫線形式

雙縫線時扶手泡棉上需要做縫線槽定位及隱藏縫線，否則縫線區(qū)域會凸起。雙縫線形式如圖3所示。兩縫線之間的間距2A一般為8～10 mm，50 mm長度內(nèi)縫線針數(shù)一般定義為11+/-1針。

圖3 雙縫線形式及設(shè)計參數(shù)

1）當(dāng)扶手為單層包覆時，表皮料厚T1=1.0 mm，則雙縫線設(shè)計參數(shù)需滿足以下要求：

A=4～5 mm，B=D+0.5 mm=2.5 mm，C=T1=1.0 mm，D=2 mm，E=0 mm。

2）當(dāng)扶手帶海綿層包覆時，表皮料厚T1=1.0 mm，海綿層料厚T2=2 mm，海綿層壓縮系數(shù)a，則雙縫線設(shè)計參數(shù)需滿足以下要求：

A=4～5 mm，B=D+0.5 mm=3.5 mm，C=（T1+T2）×a=3amm，D=3 mm，E=0 mm。

1.4 扶手內(nèi)外板定位及設(shè)計要點(diǎn)

扶手內(nèi)外板采用定位銷定位，主定位放前端，副定位（限制Y向）放后端，如圖4(a)所示。扶手內(nèi)外板之間除了卡子之外，還需要增加支撐結(jié)構(gòu)，且外板上盡可能多做加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋高度約5 mm，保證扶手總成有足夠的剛度。后翻式扶手總成扶手開啟角度最小83°，且最好不要超過95°，應(yīng)保證開啟后扶手的重心在轉(zhuǎn)軸的后面，確保扶手開啟后不會在重力作用下自動關(guān)閉。扶手在開啟過程中與周邊件（如后蓋板、副儀表板本體等）的間隙應(yīng)保證3 mm以上運(yùn)動[4]。

圖4 扶手定位策略

扶手內(nèi)板上應(yīng)有Y向限位結(jié)構(gòu)，一般Y向限位結(jié)構(gòu)與箱斗的間隙為0.5 mm，如圖4(b)所示。為了防止在顛簸路面上產(chǎn)生異響，Y向限位結(jié)構(gòu)上會增加橡膠套，此時橡膠套與箱斗間隙可為零。

1.5 扶手總成人機(jī)要求

為了保證扶手在打開過程中不與座椅干涉及座椅在滑動過程中不與扶手干涉，扶手總成要滿足以下人機(jī)要求：

1）扶手總成與座椅靠背的包絡(luò)間隙需不小于12 mm；

2）扶手總成與座椅坐墊的包絡(luò)間隙需不小于15 mm。

為滿足扶手的舒適性，扶手設(shè)計應(yīng)滿足如下要求：

1）扶手最前端在R點(diǎn)（設(shè)計位置）后端距離不小于76 mm；

2）扶手最后端在R點(diǎn)（最前位置）前端距離不小于50 mm；

3）扶手前端上表面與R點(diǎn)高度距離在152～203 mm之間；

4）扶手表面與水平傾角為±7°。

同時扶手總成需滿足內(nèi)飾件內(nèi)部突出物要求。

2 有限元仿真分析

為了驗證后翻扶手總成設(shè)計的合理性，在零件開模前需通過有限元方法驗證其關(guān)閉和開啟最大角度時的強(qiáng)度，本文采用通用的前處理軟件HyperMesh對某一塑料鉸鏈扶手副儀表板總成模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型中網(wǎng)格多數(shù)為六面體單元，單元尺寸為3 mm，即可保證仿真分析結(jié)果的精度，又可使分析計算的時間不至于過長。約束副儀表板與主儀表板、儀表板橫梁及車身中央通道的所有連接點(diǎn)的六個自由度[5]。

2.1 扶手關(guān)閉狀態(tài)靜強(qiáng)度分析

工況：通過直徑80 mm的剛性圓盤，對扶手關(guān)閉狀態(tài)時上表面中心位置施加向下的法向壓力1 045 N荷載，扶手的應(yīng)力值應(yīng)小于材料的屈服強(qiáng)度，扶手材料是PA6+GF30，材料屈服強(qiáng)度170 MPa。

從圖5可知，后翻扶手在此工況下的最大應(yīng)力為34.5 MPa，靜強(qiáng)度分析滿足本公司標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 扶手關(guān)閉時的應(yīng)力云圖

2.2 扶手打開狀態(tài)時強(qiáng)度分析

工況：通過直徑10 mm的剛性圓盤，在后翻扶手開啟最大角度時（95°開角）的扶手內(nèi)板表面中央距頂部30 mm位置施加125 N法向載荷， 扶手的最大應(yīng)力應(yīng)小于材料的屈服強(qiáng)度。

從圖6可知，后翻扶手在此工況下的最大應(yīng)力為65 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足本公司標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 扶手開啟時的應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1）本文介紹了市場上應(yīng)用比較廣泛的后翻扶手總成及其組成、材料選擇、扶手表皮、雙縫線的設(shè)計以及扶手內(nèi)外板的定位及其設(shè)計要點(diǎn)和扶手需滿足的人機(jī)要求，可為后續(xù)車型扶手總成的開發(fā)設(shè)計提供參考。

2）針對某一塑料鉸鏈扶手總成，利用Hyper Mesh 軟件建立其有限元網(wǎng)格模型，對后翻扶手在關(guān)閉及完全打開兩種情況下進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過有限元軟件計算結(jié)果與設(shè)計要求做對比，驗證扶手設(shè)計的合理性，通過本文的分析，可判斷此塑料鉸鏈扶手設(shè)計符合本公司標(biāo)準(zhǔn)要求。