兩廂乘用車衣帽架承載性研究與淺析

鄭家節，韋英林，韋智敏（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

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兩廂乘用車衣帽架承載性研究與淺析

鄭家節，韋英林，韋智敏
（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

研究兩廂乘用車后窗衣帽架的彎曲強度和彎曲模量。在衣帽架產品材料定義為木粉板，原材料力學性能都限定的前提下，通過CAE分析和物理試驗尋找影響產品強度和承載能力的控制參數，進一步得出最優控制參數值，兼顧產品造型外觀上的要求，從而達到設計低成本和高性能產品要求的目的。

木粉板；兩廂車；衣帽架；承載能力

引言

兩廂乘用車衣帽架是布置在整車后排座椅與后擋風玻璃之間的內飾零件，會隨著汽車尾門的打開而向上翻轉，是可以拆卸下來的裝飾零件。其功能是能夠放置一些隨身物品，同時也起到遮擋行李箱的作用。為了滿足顧客放置物品的需求，尤其是比較沉的物品，對衣帽架自身強度要求很高；而受制于整個衣帽架的布置，整個產品只在左右兩側才有支撐平臺，這對衣帽架的承載性能有很大的挑戰，本文也正是對此而展開的系列研究，從而找出影響承載性能的因子以便進行控制。

本文主要對材料為木粉板，通過熱壓成型的產品——兩廂乘用車后窗衣帽架進行強度分析，尋找到產品的最優復合方案及可靠結構，常見的衣帽架零件見圖1所示。木粉板為木塑復合材料的簡稱［1］，木塑復合材料（Wood Plastics Composites）是用木粉、木纖維或植物纖維填充、增強的改性熱塑性材料［2-3］。選擇木粉板作為研究材料是由于木粉板兼有木材和塑料的成本和性能的優點，其制品具有質量輕、成本低，對設備磨損小等優點，已經廣泛用于汽車、建筑、包裝、家具等領域。

1　增加復合材料（無紡布）對衣帽架力學性能的影響

1.1確認復合樣品的排布方式

常見衣帽架形式如圖1。

圖1　常見衣帽架形式

通過對比在衣帽架正反面復合無紡布［4］，并結合無紡布的取向方式，對復合材料進行取樣測試，每種復合方案的材料取樣數量為5塊，用材料試驗機得出不同樣品的彎曲應力應變曲線，如表1所示。

表1　樣品排布方式

1.2應力應變曲線對比

應力應變數據曲線［5］的對比見圖2、圖3。

1.3衣帽架增加復合材料的方案總結

根據不同的取樣方式所做試驗能夠得出以下兩點：

一是衣帽架表面增加無紡布覆蓋可以明顯提高樣品的彎曲模量，在面料已經確定的前提下，建議采用無紡布紋理橫向覆蓋基材；二是衣帽架背面增加無紡布對樣品的彎曲強度有所減弱，但能提高樣品的彎曲模量，可以視成本的壓力及造型的要求來決定是否選擇產品背面覆蓋無紡布。

2　衣帽架結構對產品剛度的影響

2.1確定衣帽架結構變量

通過對衣帽架模型數據的分析，影響衣帽架的結構特征主要有以下幾方面：A—衣帽架長度、B—衣帽架寬度、C—側邊沿到沉臺寬度、D—前邊沿到沉臺寬度、E—凸起寬度、F—沉臺到缺口的長度、G—缺口寬度、H—缺口長度、I—前翻邊高度、J—側翻邊角度、K—沉臺角度、L—側翻邊高度、M—側翻邊圓角、N—沉臺深度等，具體參數如圖4所示。

圖4　衣帽架的控制變量

2.2變量變化對產品剛度的影響

通過CAE對以上變量的分析計算，得出不同變量對剛度貢獻量的影響程度（如圖5），右下圖可知，影響產品剛度的主要因素為側翻邊高度、前后翻邊的高度、沉坑深度和長度。

圖5　衣帽架剛度貢獻量分析

進一步通過變量變化對剛度的影響分析（見圖6），可以看出：1）影響衣帽架剛度的主要因素：衣帽架側翻邊高度，前翻邊的高度，沉坑深度，長度；2）在0-40%區域，變量對剛度的影響最劇烈；之后尤其是產品翻邊的高度變量影響趨于穩定，但是中間坑的高度增加對剛度增加有一定幫助；3）側翻邊高度，前翻邊高度在0-20%，對剛度影響最大；4）衣帽架長度對剛度有顯著的負影響。

圖6　衣帽架變量對剛度影響分析

2.3不同產品結構對衣帽架剛度變化的影響總結

對兩廂車衣帽架而言，由于衣帽架長度及寬度可變范圍很小，因此，翻邊高度及沉坑深度是影響衣帽架剛度的主要因素。1）側翻邊高度定義：在側翻邊高度＜45mm時，增加翻邊高度有利于提高剛度。在側翻邊高度＜30mm左右時，增加側翻邊高度能顯著提高剛度；2）前/后翻邊高度定義：在前/后翻邊高度＜45mm時，增加前/后翻邊高度有利于提高剛度。在前/后翻邊高度＜35mm左右時，增加前/后翻邊高度能顯著提高剛度；3）衣帽架A面最好設計凹坑，且凹坑越深，衣帽架剛度越好。

3　實際項目的運用

通過以上產品物理實驗及CAE分析確定的主要控制因素，選定材料為表面橫向紋理無紡布覆蓋，背面不帶無紡布，對某車型衣帽架前期的造型數據進行了優化處理，并進一步進行CAE模擬分析得出優化前后衣帽架的模態和強度分析。

優化前方案：衣帽架沉臺深度為5mm，側翻邊高度為20mm；

優化后方案：調整沉臺深度為20mm，調整側翻邊高度為35mm。

兩種方案CAE模擬分析的模態及強度分別參見圖7和圖8。

圖7　優化前方案CAE分析結果

圖8　優化后方案CAE分析結果

4　結論

在整車尺寸及成本限定前提下，定義衣帽架基材為木粉板即為了體現低成本的開發策略，如何在此基礎上開發出高性能的衣帽架產品也正是本文研究的目的所在。兩廂車衣帽架承載性要求主要是靠兩方面來衡量：承受的載荷和變形量，對應的物理參數即為彎曲強度、彎曲模量和剛度。通過取樣試驗和CAE的模擬分析，細化到表面無紡布的取樣方向，及產品設計結構的關鍵控制參數，由此而得出最優的設計方案。

［1］劉鴻文.材料力學［M］.2008，4.

［2］泛亞內飾教材編寫組.汽車內飾設計概論［M］.人民交通出版社.2012，2.

［3］中國航空研究院編著.復合材料結構設計手冊［M］.航空工業出版社，2001.

［4］喬生儒主編.復合材料細觀力學性能［M］.西北工業大學出版社，1997.

［5］李思遠，楊偉，史煒等.木粉/聚丙烯復合材料力學性能及結晶行為研究［J］.塑料工業，2005，5.

鄭家節（1984-），男，廣西桂林人，本科，現工作于上汽通用五菱汽車股份有限公司，主要負責汽車內飾零件的設計和開發工作。

E-mail: jiajie.zheng@sgmw.com.cn

Rear Window Trim Stiffness Research On Hatchback Vehicle

JiaJie Zheng， Yinglin Wei， Zhimin Wei
（SAIC GM Wuling Auto Co.，Ltd.， Liuzhou， Guangxi， 545007， China）

Research the stiffness and mode of hatchback rear window trim. Based on the material is wood flour composites with the mechanical performance limiting， find the control factors of product stiffness and load capacity through the CAE analyses and physic test and get the optimized value of control factors to achieve the low cost and high performance target and fulfill the styling requirement.

PP/Wood Flour Composites； Hatchback； Rear Window Trim； Load Capacity

U463.6

A

2095-8412 （2016） 03-510-04