一種解決汽車杯托功能失效的方法

朱文婕

（上海延鋒金橋汽車飾件系統(tǒng)有限公司 前期制造工程二部，上海 201206）

隨著用戶對汽車內(nèi)飾零件要求的提高，汽車內(nèi)飾中配置了越來越多的功能件，功能件的使用情況直接影響一款車的實用性和舒適性。對于汽車杯托這樣使用頻率高的功能件，其操作方式和功能質(zhì)量都會影響用戶體驗。

1 按壓開啟式杯托的結(jié)構(gòu)原理

汽車杯托零件一般布置在儀表板、副儀表板、門板和座椅等位置，便于用戶取放物品。常見的杯托根據(jù)造型可分為：開放式杯托和按壓開啟式杯托。開放式杯托結(jié)構(gòu)簡單、不帶門蓋，結(jié)構(gòu)上可與副儀表板本體合成一體，代表車型有大眾POLO、通用凱越等。按壓開啟式杯托為有面板的獨立組件，多用于中高端車型上，既滿足杯托的基本使用功能，又起到一定的裝飾作用。副儀表板的杯托處在駕乘人員的手部操作區(qū)域，因此杯托容易在頻繁使用中發(fā)生功能失效。本文所述問題來源售后反饋，E車型發(fā)生數(shù)例副儀表板杯托功能失效，表現(xiàn)為杯托面板無法正常開啟。對此需從該款杯托的具體特點出發(fā)，有針對性地分析解決該問題。

發(fā)生功能失效的杯托屬于按壓開啟式（簡稱Push-Push）結(jié)構(gòu)。杯托主要由面板、殼體、轉(zhuǎn)軸，以及可保證杯托面板平緩開啟的硅阻尼等零件組成，如如圖1所示。

圖1 杯托零件爆炸圖

該款杯托的面板開啟關(guān)閉的功能設計，運用了齒輪傳動原理。用戶按壓杯托面板可使門鎖解鎖，面板上的齒輪（行星輪）和杯托殼體上的齒條（太陽輪）在轉(zhuǎn)軸和硅阻尼的帶動下，面板繞軸轉(zhuǎn)動，齒輪齒條互相嚙合，杯托面板可平緩順暢地實現(xiàn)開啟、關(guān)閉的功能。

2 杯托功能失效問題分析

觀察發(fā)現(xiàn)失效件的杯托面板一側(cè)下陷，與對手件面目視嚴重超差，且下陷后的面板按不動，無法再次解鎖開啟。拆解零件后發(fā)現(xiàn)杯托殼體上的齒條頂端被壓潰損壞，但面板齒輪表面無明顯磨損痕跡，且面板齒輪與殼體齒條匹配發(fā)生錯齒，因此導致杯托面板開啟功能失效。

2.1 試驗驗證

根據(jù)對失效件狀態(tài)初步分析得出結(jié)論：杯托面板受到較大外力作用，超過齒輪結(jié)構(gòu)可承受的載荷，導致殼體齒條被壓潰，齒輪機構(gòu)錯齒失效。為驗證這一結(jié)論，選取兩件現(xiàn)生產(chǎn)的杯托總成產(chǎn)品，通過試驗模擬復現(xiàn)失效情況，并測量齒條的壓潰力。

試驗方法：使用φ20mm圓柱壓頭，測量杯托齒條的最大壓潰力。試驗樣件：現(xiàn)生產(chǎn)杯托總成2件。對杯托進行外加載荷試驗，如圖2所示。

圖2 對杯托進行外加載荷試驗

將試驗結(jié)果與客戶標準比較，雖滿足試驗大綱中濫用力大于100N的要求，但失效的杯托存在錯齒及齒端壓潰的問題。因此，杯托殼體上的齒強度不夠，是導致杯托功能失效的主要原因。兩組外加載荷試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 影響因素

影響齒強度的一個因素是材料。E車型杯托殼體材料為PP，對手件杯托面板材料為PA6+GF30，對手件材料的硬度和耐沖擊性能明顯高于PP。PP料相對偏軟，一旦受到超過材料可承受的外力作用后齒輪會被壓潰，導致運動機構(gòu)失效。

影響齒強度的另一個因素是齒的模數(shù)。由于杯托使用的硅阻尼模數(shù)為0.8，其齒輪設計模數(shù)受阻尼齒輪模數(shù)約束也為0.8。根據(jù)齒輪參數(shù)公式：齒厚s=πm/2，齒高h=2.25m，因此模數(shù)越小，齒形越小，則齒越容易損壞。選取另外兩個車型結(jié)構(gòu)相似的杯托，進行了同樣條件的加載試驗。其可承受的失效載荷明顯高于E車型。三種車型的杯托外加載荷試驗結(jié)果如表2所示。

表1 現(xiàn)生產(chǎn)件的外加載荷試驗結(jié)果

表2 三種車型的杯托外加載荷試驗結(jié)果

經(jīng)過對比，客戶要求提高E車型杯托齒輪結(jié)構(gòu)承載力，在現(xiàn)有試驗基礎上增加一項加載試驗，將杯托齒輪結(jié)構(gòu)失效載荷限定為500N。

3 杯托零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及驗證

根據(jù)問題的分析和試驗結(jié)果，須提高杯托殼體齒條部分的強度，加強齒輪機構(gòu)的承載能力，保證更改后杯托齒輪機構(gòu)壓潰力大于500N。針對改進目標提出了兩種更改方案。方案1將杯托殼體材料由目前的PP更換為強度更高的PC/ABS。方案2更改杯托零件的結(jié)構(gòu)，提升杯托齒輪機構(gòu)的強度。兩種方案如表3所示。

表3 更改方案價值分析評估

綜合考慮功能和成本的關(guān)系，方案1中，由于PP和PC/ABS兩種材料收縮率不一致，更換材料意味著杯托殼體模具需重新開發(fā)，增加了更改周期和成本。因此，選擇方案2，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來解決杯托功能失效問題。

針對失效情況，從以下幾方面對杯托殼體和面板零件做結(jié)構(gòu)優(yōu)化：將非阻尼側(cè)齒輪模數(shù)從0.80增大到1.25，齒輪設計模數(shù)增大代表杯托殼體和面板上的齒尺寸增大，齒所能承受的載荷隨之增大；將阻尼側(cè)齒輪最上方三個齒的模數(shù)從0.80增大到1.25，提高易壓潰位置齒的承載能力，其余齒和硅阻尼匹配，因此模數(shù)保持不變；增加杯托兩側(cè)齒條的根部壁厚，同時在磨損最嚴重的三個齒根部布置加強筋，防止齒條根部受外力變形導致輪齒嚙合不良；增加杯托面板齒輪處壁厚，提高與齒條的嚙合重疊量，改善齒輪機構(gòu)的承壓能力。由于齒條和齒輪的分度圓直徑不變，即傳動比保持不變，因此齒模數(shù)增大不會改變杯托面板的運動行程。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的對比如圖3所示。

圖3 齒輪和齒條結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比

4 更改驗證

4.1 驗證一

選取6件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的杯托總成進行加載試驗，檢測杯托齒輪結(jié)構(gòu)的壓潰力值是否滿足設定目標。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后杯托外加載荷試驗結(jié)果

本次試驗的6個零件承受的失效壓潰力均大于500N，滿足設定目標。試驗后零件齒端均存在一定程度的壓損，但不影響杯托的正常開啟關(guān)閉功能。由于杯托材料為PP材質(zhì)，故齒端不可避免存在被壓損的情況。

4.2 驗證二

根據(jù)客戶批準的試驗大綱對更改后的杯托送樣檢測。杯托面板正常開啟過程中無停頓及卡滯，手感舒適。操作循環(huán)疲勞試驗中操作力和開啟時間的結(jié)果與更改前無明顯差異，均符合試驗大綱要求。裝配后杯托面板與對手件匹配間隙和面差也符合客戶DTS，檢測結(jié)果合格。

5 結(jié)語

優(yōu)化杯托零件齒輪部分結(jié)構(gòu)提高零件關(guān)鍵位置的強度，可有效解決杯托面板開啟功能失效的問題。比起換材料的方案，極大縮短更改周期。杯托零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案受現(xiàn)有運動機構(gòu)條件限制。由于傳動比和中心位置在設計時已確定，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時不能對齒輪嚙合的重要參數(shù)進行改動，否則會影響杯托面板開啟軌跡，使更改方案變得復雜。因此，在設計開發(fā)類似帶面板杯托的功能件時，要綜合評估材料、單件結(jié)構(gòu)、運動匹配等各方面的因素。

在材料選擇方面，開發(fā)初期選擇合適的材料非常重要，尤其對需要進行高低溫循環(huán)疲勞試驗的功能件，優(yōu)先選擇剛度高且耐磨性能好的材料，如PC/ABS、PA6等。在單件結(jié)構(gòu)設計方面，零件局部需要受力或易發(fā)生變形的位置，通常采用加壁厚、布置加強筋等方法提高零件強度，從結(jié)構(gòu)上彌補材料性能的不足。在運動件的匹配方面，相對運動的兩個零件之間要保證合適的搭接量，起相互支撐或限位的作用。本案例中采用增加輪齒寬度的優(yōu)化方法，可有效提高齒形結(jié)構(gòu)承壓能力，減少因零件局部結(jié)構(gòu)受損而導致總成件功能失效的情況。

考慮到杯托在實際應用中可能面臨的濫用操作，在項目開發(fā)階段增設多種條件下的功能件受力模擬分析要求，應用CAE分析幫助識別功能件結(jié)構(gòu)的風險點，完善設計來保證產(chǎn)品的可靠性。對于批產(chǎn)后零件因材料物理性能限制而發(fā)生功能失效的問題，優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)增加零件強度是一種快速有效的解決方法。更改方案的同時，人們要考慮降低零件的更改周期和成本，提高客戶滿意度。