磁打印技術(shù)在汽車內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件的應(yīng)用

施君鴻 周淑淵 吳堅(jiān) 周晨 王駿

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

磁感線是物理學(xué)家法拉第為了形象地描述磁場而引入的理想化模型，是一些假想的曲線，但它能客觀地表示出磁場的強(qiáng)弱和方向[1]。常規(guī)磁鐵的磁感線是空間發(fā)散的，容易對周邊物質(zhì)產(chǎn)生磁吸引和磁干擾。綜合考慮成本、技術(shù)局限及開發(fā)周期等因素，在汽車內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件上幾乎是沒有磁鐵應(yīng)用的。文章提出了一種新型的可編程磁打印技術(shù)集成方案，可自定義磁鐵的表現(xiàn)和功能，同時(shí)可以通過軟件，快捷精準(zhǔn)地分析磁感線分布，并在短時(shí)間內(nèi)交付新的原型。該研究建立了新的磁系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)磁鐵的技術(shù)局限，在一定程度上，其在內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件上的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，同時(shí)帶來與傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)不一樣的客戶感知體驗(yàn)。

1 理論依據(jù)

傳統(tǒng)磁鐵的磁感線從N極發(fā)出，S極進(jìn)入，且磁感線在空間中擴(kuò)散。而新的磁打印技術(shù)是由一段段N—S極的磁感線組合而成，其磁感線的形式、變化及范圍都是可以編程和精準(zhǔn)控制的。圖1示出磁打印技術(shù)與傳統(tǒng)磁鐵的磁感線狀態(tài)差異。

圖1 磁打印技術(shù)與傳統(tǒng)磁鐵的磁感線狀態(tài)差異

磁打印的原理可以理解為將一塊磁鐵的磁場設(shè)計(jì)分成許多小段，每一段都有自己特定的磁感線形態(tài)。通過不同段磁感線的設(shè)計(jì)，使整體磁鐵表現(xiàn)出不一樣的效果。圖2示出磁打印技術(shù)與傳統(tǒng)磁鐵的剪切力與保持力關(guān)系差異。從圖2可以看出，傳統(tǒng)的2塊磁鐵在滑動(dòng)時(shí)，其剪切力和保持力基本不存在關(guān)聯(lián)性，同時(shí)，剪切力基本處在恒定的水平；而磁打印設(shè)計(jì)后的磁鐵，由于磁鐵不同段的磁感線是有差異的，從而會(huì)使2塊磁鐵之間的剪切力和保持力存在關(guān)聯(lián)，這可以理解成一種對中功能，在某個(gè)距離下，保持力遠(yuǎn)大于剪切力，而在其他某個(gè)距離下，剪切力大于保持力，這種表現(xiàn)被大量應(yīng)用在消費(fèi)電子領(lǐng)域，例如蘋果的IPAD與皮套之間、微軟的Surface筆記本與鍵盤之間的對位安裝結(jié)構(gòu)，都是采用了這種磁打印的磁鐵，通過一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁場設(shè)計(jì)，達(dá)到了令客戶滿意的效果。

圖2 磁打印技術(shù)與傳統(tǒng)磁鐵的剪切力與保持力關(guān)系差異

磁感線的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以讓磁鐵表現(xiàn)出的力的形式、大小以及力與位移的變化關(guān)系更加豐富與多樣化，從而優(yōu)化和替代諸多傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)特征。

2 磁打印技術(shù)在汽車內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件的應(yīng)用

磁打印技術(shù)可以表現(xiàn)的形式包括力的優(yōu)化、開關(guān)功能及對齊功能。結(jié)合常見的汽車內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件的應(yīng)用場景（杯托、扶手、手套箱、儲(chǔ)物盒、出風(fēng)口等）可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)件中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，像解鎖結(jié)構(gòu)、阻尼結(jié)構(gòu)、鉸鏈結(jié)構(gòu)等，都可以嘗試采用磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，甚至是替換，同時(shí)正由于磁打印技術(shù)的可編譯性，在操作方式與操作力方面相比傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，客戶感知體驗(yàn)都會(huì)有不同程度的提升。

2.1 力的優(yōu)化

操作力是判斷機(jī)構(gòu)件操作性的客觀測量值，是將用戶感知轉(zhuǎn)化為工程指標(biāo)的數(shù)值，而手感，即客戶直觀感知，是與操作力有一定的關(guān)聯(lián)，但不存在直接關(guān)系的。在當(dāng)下機(jī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)概念中，滿足操作力要求已經(jīng)不存在技術(shù)難點(diǎn)，但是如何將用戶的手感、對操作力的感知做到最好、最優(yōu)，并且適用于傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，卻是一個(gè)不容易實(shí)現(xiàn)的課題。

磁打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了力與位移關(guān)系的可控化，例如，可以將遠(yuǎn)端的磁感線屏蔽，使指定距離內(nèi)的磁力隨著2塊磁鐵距離的減小而變大。通常，內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件的操作力都是通過機(jī)械機(jī)構(gòu)或者潤滑油來優(yōu)化的。這種操作力的優(yōu)化是經(jīng)驗(yàn)評(píng)估的，即通過以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累來設(shè)計(jì)配合機(jī)構(gòu)，從而影響客戶的操作感知，這種操作力的過程是缺少“反饋”的。而通過在機(jī)械機(jī)構(gòu)的末端配合特定設(shè)計(jì)的磁鐵，可以讓磁鐵“分擔(dān)”客戶的操作力，但是這種“分擔(dān)”是可以調(diào)整和設(shè)定。圖3示出滑動(dòng)某機(jī)構(gòu)過程中磁優(yōu)化與傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)操作力比較。從圖3可以看出，正常滑動(dòng)某機(jī)構(gòu)過程中，從開啟到關(guān)閉，客戶的操作力都維持在7.5 N左右，但是通過在止位結(jié)構(gòu)增加磁鐵，客戶在滑動(dòng)該機(jī)構(gòu)接近關(guān)閉時(shí)，操作力會(huì)均勻下降，至最終關(guān)閉那一刻，力值在5.5 N左右，這種力的“反饋”會(huì)極大地提升客戶的操作感知體驗(yàn)。同時(shí)，該類磁機(jī)構(gòu)形式也可以應(yīng)用在操作力本身的優(yōu)化，從而減少傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的更改、降低成本和由于變更導(dǎo)致修模的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 滑動(dòng)某機(jī)構(gòu)過程中磁優(yōu)化與傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)操作力比較

2.2 開關(guān)功能

開關(guān)功能是磁鐵的基本功能。傳統(tǒng)汽車內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件有大量應(yīng)用解鎖結(jié)構(gòu)的場景，以副儀表板扶手的解鎖為例，這類機(jī)構(gòu)通常采用機(jī)械式解鎖，這種解鎖結(jié)構(gòu)由于采用的是鎖鉤鉤住本體特征結(jié)構(gòu)來保持鎖止?fàn)顟B(tài)，其扶手在鎖機(jī)構(gòu)的面和副儀表板本體配合面都需要布置結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致鎖機(jī)構(gòu)所在界面不平整和不美觀，如圖4所示。而通過磁鐵的應(yīng)用可以規(guī)避該問題。由于扶手和副儀表板本體材料并不影響磁鐵的磁性，所以磁鐵可以布置在機(jī)構(gòu)件的內(nèi)表面，保證了鎖機(jī)構(gòu)表面的光潔和平整。

圖4 副儀表板扶手開關(guān)示意圖

與此同時(shí)，希望在扶手開啟后的一小段行程內(nèi)存在克服扶手重力的反饋，這通常都是通過扶手鉸鏈處的金屬彈片實(shí)現(xiàn)的，但是這種金屬彈片的力不容易控制，且容易產(chǎn)生異響。而僅通過解鎖磁的打印技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)解鎖的吸合功能，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)一定距離上的排斥，這種排斥力可以克服重力，從而大大提升客戶在開啟扶手時(shí)的操作感。經(jīng)設(shè)計(jì)的磁感線可以實(shí)現(xiàn)磁鐵吸合、排斥與距離的不同效果，且這種效果隨著距離的變化是可以轉(zhuǎn)化的。

2.3 對齊功能

磁打印技術(shù)的對齊功能實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的對中、定位和防錯(cuò)，如圖5和圖6所示，磁感線成段分布可以保證剪切力與吸引力在不同距離時(shí)，產(chǎn)生差異，從而實(shí)現(xiàn)在特定位置的對齊要求。

圖5 磁感線示意圖

圖6 磁打印技術(shù)對齊功能的磁鐵布置示意圖

隨著客戶體驗(yàn)需求的不斷提高，設(shè)計(jì)師們對儲(chǔ)物盒的多功能性提出了更高的要求，而隨之帶來的問題是機(jī)械結(jié)構(gòu)的局限性。例如：要想設(shè)計(jì)一個(gè)可移動(dòng)杯托，平時(shí)可以放在副儀表板中部儲(chǔ)物盒中，不用時(shí)可以放在扶手中，從而使儲(chǔ)物盒的空間因少了杯托而變得更大，可以讓客戶擺放小型手包等物件。傳統(tǒng)的機(jī)械定位及安裝結(jié)構(gòu)都難以實(shí)現(xiàn)這類效果。不管是做Snap、卡子還是螺釘，都會(huì)形成“坑洼”的表面，而且還容易產(chǎn)生異響。然而，采用磁機(jī)構(gòu)可以有效規(guī)避這些問題，令裝接的表面光潔，同時(shí)，由于磁感線的配對設(shè)計(jì)和剪切力、保持力的有效編譯，可移動(dòng)杯托的安裝就像客戶拆裝IPAD一樣高效，并且不會(huì)因?yàn)榭蛻舻恼`操作而導(dǎo)致杯托安裝位置不正確。圖7示出可移動(dòng)杯托布置示意圖。

圖7 可移動(dòng)杯托布置示意圖

3 結(jié)論

通過磁打印技術(shù)中剪切力與保持力的特殊關(guān)聯(lián)性，以及其對磁感線的精準(zhǔn)控制，使得未來汽車內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件中將會(huì)有越來越多的結(jié)構(gòu)采用磁鐵來實(shí)現(xiàn)。其準(zhǔn)確的磁力控制能對車內(nèi)扶手打開力的調(diào)節(jié)等實(shí)現(xiàn)定量控制。磁機(jī)構(gòu)不僅改變了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)對空間需求的現(xiàn)狀，而且拓展了機(jī)構(gòu)件的功能。不過也要指出，研究表明，滿足機(jī)構(gòu)操作力的前提是2塊磁鐵的布置距離不能超過5 mm，這對空間和使用環(huán)境提出了挑戰(zhàn)，其主要受限于磁鐵的體積和本身的磁感強(qiáng)度。文章探討了磁鐵在汽車內(nèi)飾機(jī)構(gòu)件的諸多應(yīng)用場景，通過磁打印技術(shù)的可編譯性，使機(jī)構(gòu)外表面光潔、機(jī)構(gòu)使用形式多樣。磁鐵除了永磁鐵外，另一主要應(yīng)用是電磁鐵，可以進(jìn)一步將電磁鐵的使用引入到機(jī)構(gòu)件尤其是鎖機(jī)構(gòu)中。