基于被動安全性能的汽車空調控制面板旋鈕潰縮結構優化設計

靳煒

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基于被動安全性能的汽車空調控制面板旋鈕潰縮結構優化設計

靳煒

（同濟大學機械工程學院，上海 200092）

在某車型空調控制面板產品設計開發中，基于乘用車內部凸出物法GB1152中關于被動安全性能的要求，對凸出面板表面的旋鈕進行潰縮結構分析，通過CAE仿真，結合實際注塑模具樣件靜態頭碰測試的結果，分析和改進旋鈕的結構模型，最終得到滿足安全性法規要求的產品。

空調控制面板；被動安全性能；潰縮結構

前言

近年來，隨著汽車行業不斷發展，越來越多的家庭擁有汽車。人們除了關注汽車舒適性外，也越來越重視汽車駕駛的安全問題。汽車的安全性分為主動安全性和被動安全性。汽車主動安全性[1]，是指汽車本身防止或減少在道路上發生交通事故的性能。汽車被動安全性[2]，是指減少事故發生時乘員傷亡的能力。主要包括：結構吸能性、安全防護裝置、內飾零件軟化、安全玻璃等幾方面。根據2012年國家統計局公布的數據，中國國產的汽車與國外生產汽車相比，與車相關的安全事故占到25%[3]，

在汽車工業發達的國家中，他們投入了大量的人力、財力、物力進行汽車安全性的研究，并形成了國際典型的汽車技術安全法規，如歐洲經濟委員會汽車法規ECE以及美國聯邦機動車安全標準FMVSS[4]。2009年2月，歐洲推出了新版的新車安全評價體系Euro-NCAP[5]，力求更科學、更接近實際的新車安全性評價規程。我國在1989年頒布了GB 11552 -1989轎車內部凸出物安全法規，目前版本為GB 11552-2009，為該標準第二次修訂。

乘用車內部凸出物法規GB11552- 2009中對靜態頭部碰撞區域做了規定，在整車上，以三維假人座椅SgRP點作為轉點，裝置高度設置為736mm，通過旋轉與儀表板接觸求得頭部碰撞邊界[6]。

圖1 儀表板頭部碰撞區域

動態頭部碰撞區域的確定，是以實車碰撞、滑車實驗和模擬碰撞試驗測定方法確定乘員與儀表接觸區域作為頭部碰撞基準區域。由于實車和滑車碰撞試驗成本較高，目前國內整車廠大部分采用模擬碰撞實驗法確定儀表板頭部碰撞區域。

在GB11552- 2009乘用車內部凸出物法規中要求，用剛性材料制造的開關、拉鈕等構件，按法規規定方法測量，當凸出物高出儀表板表面大9.5mm時，用直徑不大于50mm的平端壓頭，施加378N縱向水平力，構件應能縮回儀表板或脫落。當縮回時，凸出高度應小于9.5mm。當脫落時，在原位置，留下凸出物高度不能超過9.5mm，且距離凸出部分頂點6.5mm處橫截面積不應小于650mm[7]。

本文研究的空調控制面板位于儀表板的頭部碰撞區域內，且旋鈕凸出儀表板表面高度大于9.5mm，按照法規要求，旋鈕必須設計潰縮結構。

圖2 汽車空調控制面板簡化模型

1 旋鈕潰縮結構設計

1.1 旋鈕潰縮方案設計

本文設計的旋鈕采用空調控制器整體潰縮方案，控制器周邊設計卡扣與面板配合，邊角增加四個螺釘固定。其中卡扣在生產打螺釘起到面板裝配預固定作用，將面板卡入前框后，在邊角6-9位置（圖4所示）打入四個M4x12的自攻螺釘將面板組件和前框鎖緊。然后整個產品安裝到儀表板預留位置和并通過螺釘固定在儀表板支架上。為了便于用戶操作和滿足眼橢圓視角要求，空調面板通常帶有一定裝車角度，即面板平面與垂直方向呈一定角度，如圖5所示。

圖3 空調控制面板組成

圖4 面板組件與前框連接點

當面板旋鈕受到靜壓作用力時，空調面板卡扣首先從前框卡座中脫出，其次旋鈕受壓側螺釘固定孔加強筋斷裂，實現潰縮。撞擊力的傳播路徑為：1.旋鈕→2.面板→3.PWB→4.后蓋→5.前框。

圖5 空調面板裝車角度旋鈕靜壓潰縮試驗模型

圖6 旋鈕截面構成

1.2 旋鈕潰縮的靜態應力和應變過程

在材料力學[8]中，對于所研究的構件來說，當載荷隨時間變化極緩慢或不變化的載荷，稱為靜載荷。其特征是在加載過程中，構件的加速度很小，可以忽略不計。在外力作用下，材料內部會產生相互作用的內力。在截面上一點處內力分布的集度，稱為應力。物體受外力作用或環境溫度變化時，物體內各質點的坐標會發生改變，這種坐標位置的改變量稱為位移。構件中由靜載荷引起的應力和位移變化，稱為靜態應力和靜態位移。

旋鈕凸出物使用直徑不大于50mm的平端壓頭施加378 N縱向力屬于靜載荷問題。參考文獻[9]中介紹，塑料材料在靜載荷外力作用下拉伸變形時，其應力-應變過程可以分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。曲線起始部分，圖中的OA段，為彈性變形階段，此時應力很低，材料的變形量也很小，彈性變形是一種可逆的變形。當材料變形受外力作用增加后超過彈性極限后，就進入塑性變形階段，圖7中A點以后為塑性變形階段。A點為屈服點，對應的應力和應變為屈服應力和屈服應變，AB 段叫應變軟化，BC 段頸縮階段，CD 段取向硬化，D點發生斷裂。以屈服應力作為聚合物材料的屈服強度，表示為s。

式（1）中 Ps表示材料的屈服載荷，A0表示試樣標距部分原始截面積。

本文中模型中的材料主要參數見表1，表中E為彈性模量，其代表材料對彈性變形的抵抗能力。對于產品設計要求剛度高的結構件，應該選擇彈性模量比較大的材料，表示材料密度。

表1 材料模型主要參數

2 旋鈕靜態頭碰CAE分析

2.1 仿真計算方法

本文仿真優化分析主要使用Abaqus軟件，在Abaqus軟件進行靜態進行分析過程中通常忽略慣性和與時間相關的材料影響（如溶脹、黏彈性、黏塑性、蠕變等），但是考慮相關的超彈性材料的滯回和率相關的塑性行為，靜態應力可以是線性的也可以是非線性的。線性靜態分析適用于指定載荷工況和合適的邊界約束條件的狀況。非線性靜態分析適用于材料非線性或摩擦和接觸的邊界條件非線性，在分析時必須考慮的狀況。如果能夠預見在分析步中存在幾何非線性行為，應當使用大變形公式[10]。參考文獻[11]，在靜態拉伸中，使用均勻形變假設中的真應變公式估算最大塑性應變公式為：

式中εpmax為最大塑性形變，lmax為位移載荷曲線中材料破壞前的最大位移，l0為測試樣件標距。

2.1 CAE模型的建立

首先在Catia軟件中建立空調控制面板3D結構模型，然后將數據轉換為stp格式導入仿真分析軟件進行旋鈕靜態頭碰潰縮試驗分析，產品結構件材料均為塑料材料，按照實際尺寸進行網格劃分。邊界條件的定義水平方向施加378N作用力。

2.2 分析流程

旋鈕產品仿真優化分析流程如下：

圖8

2.3 CAE仿真結果與物理試驗結果對比

在完成旋鈕潰縮結構初步模型后，對旋鈕靜壓頭部碰撞進行第一輪仿真分析，仿真結果縱坐標為旋鈕作用力，橫坐標為旋鈕潰縮位移，分析旋鈕潰縮凸出高度大于9.5mm時作用力為476.1N，超出乘用車凸出物法規規定的要求。

圖9 旋鈕靜壓潰縮第一輪仿真結果

在產品開發時，由于實際產品和設計模型往往存在一定的差異，沒有繼續進行仿真優化分析。在產品第一次試模后，用樣品組裝后進行旋鈕靜壓潰縮物理試驗，并與第一輪CAE仿真結果進行比較。實際測試用夾具固定模擬在裝車角度條件下，旋鈕潰縮到儀表板9.5mm以下時所需的最大壓力，測試旋鈕潰縮需要的縱向水平力為396.4N,也超出了法規中規定的378N。通過對比CAE分析和實際測試發現，潰縮力兩者存在約20%的誤差。

2.4 試驗結果差異原因分析

通過對比第一階段樣品和CAE模型，發現面板卡扣配合量與模型存在一定差異，原因是CAE分析時未考慮產品注塑變形因素，導致仿真分析結果與實際靜壓測試存在明顯差異。在模型中的單向搭接量為1.08mm，而樣件實際卡扣由于注塑變形只有0.43mm。

圖10 模型中卡扣搭接圖

針對產品注塑變形因素，將面板塑膠件變形量加載到CAE分析模型中，以提高仿真精度。調整后的旋鈕潰縮仿真分析數值為417.3NN，與實際試驗結果偏差為5%，在CAE分析正常誤差內。

3 旋鈕潰縮結構優化設計

3.1 旋鈕潰縮結構改進方案

由于產品實際測試旋鈕潰縮力仍然超出乘用車凸出物法規規定的要求，需要對旋鈕潰縮結構進行進一步優化。

旋鈕潰縮結構改進分析分為以下幾個步驟完成：

a.如CAE仿真結果距離法規的規定要求過大，應首先在CAE模型中進行簡單的概念優化，尋找優化方向。

b.根據CAE概念優化模型，在3D設計中對產品結構進行相應優化。

c.對改進的結構模型進一步驗證，驗證是否正確。

按照以上步驟，首先分析螺釘固定孔加強筋對旋鈕潰縮的影響，對面板四個螺釘固定孔加強筋做了弱化處理，在其他條件不變時分別分析加強筋厚度為1.5mm，1.3mm和1.2 mm旋鈕潰縮力的變化。

在CAE分析中發現面板卡扣和前框卡座剛性很強，施壓靜壓作用力變形較小，較難脫出。針對此問題，將面板卡扣與卡座配合面改成大圓角弧面，有利于靜壓時卡扣變形，從卡座中脫出。

3.2 旋鈕潰縮力與產品機械強度之間的矛盾

空調控制面板屬于汽車中控面板一部分，汽車中控面板一般都要求做機械振動耐久試驗來考察產品機械強度。通常使用夾具將產品按照實際裝車位置和角度固定，在車身坐標X、Y、Z三個不同方向上施加一定變化頻率的加速度載荷進行試驗。產品機械強度越好，其耐機械振動沖擊的性能就越好。而機械強度越好的產品，潰縮力也較大，其在靜態頭碰時潰縮效果則越差。在設計時，需要平衡好同時滿足產品潰縮力和機械強度之間的矛盾，結合仿真分析，找到合適的產品設計方案。

圖11 空調面板整體應力圖

圖12 旋鈕靜態仿真潰縮力和位移曲線

3.3 優化后的產品驗證

將優化好的產品模型，減去產品注塑變形量，分別進行靜態頭部碰撞仿真和機械振動耐久分析，結果顯示改進后的模型符合乘用車內部凸出物法規要求。產品結構也滿足客戶機械振動沖擊強度的要求。

圖13 旋鈕靜壓潰縮測試

圖14 旋鈕靜壓潰縮力和位移曲線

產品通過實際物理靜壓頭部碰撞試驗和機械振動耐久測試，試驗結果旋鈕潰縮力和CAE仿真結果基本一致。

4 結論

通過對某項目汽車空調控制面板旋鈕靜態頭部碰撞出現的問題進行分析，將物理試驗與CAE分析進行對比修正CAE仿真模型，并對影響靜態頭部碰撞的因素不同水平進行仿真分析，再進行產品結構優化設計，最終得到滿足技術要求的設計方案。為汽車空調控制面板旋鈕潰縮結構開發提供了一種可借鑒的方法和思路。

[1] 汽車百科全書編纂委員會.汽車百科全書[M].北京:中國大百科全書出版社,2010.

[2] 被動安全:可潰縮的頭枕,轉向柱和踏板.騰訊汽車http://auto.qq. com/a/20101122/000236_3.htm.

[3] 趙新勇:國內與車相關安全事故比例已達25%.騰訊汽車http:// auto.qq.com/a/20130908/003261.htm.

[4] 司康.國內外安全法規對比分析及發展動向[J].商用汽車雜志, 2006(9).

[5] European New Car Assessment Program Pedestriantest Protocol [S]. Version 7.0 March 2013.

[6] 轎車內部凸出物試驗方法[J].汽車工程師.2010(3):42-46.

[7] GB 11552-2009,乘用車內部凸出物[S].北京:中國標準出版社, 2010.

[8] 季順迎主編.材料力學[M].北京.科學出版社,2013.1.

[9] 何曼君,張紅東,陳維孝.高分子物理學[M].上海.復旦大學出版社.2007.3.

[10] 王鷹宇.Abaqus分析用戶手冊[M].分析卷.北京:機械工業出版社, 2017.2.

[11] 何業磊.汽車儀表板材料與頭部碰撞模擬分析[D].大連.大連理工大學. 2013.

Climate Control Panel Knob retract structure Optimization basing on passive safety Performance

Jin Wei

( School of Mechanical Engineering Tongji University, Shanghai 200092 )

Basing on car internal projections requirements in the regulations GB1152, analysis the retract knob structure of climate control panel in the actual project, contrast the static head impact CAE simulation and practical engineering samples results, seek the reason why the simulation and actual test have deviation, then revise the knob retract structure finite element model. And finally get the engineering sample which meet the technical development requirements.

Climate control panel; Passive safety; Retract structure

TH184

B

1671-7988(2018)24-181-04

TH184

B

1671-7988(2018)24-181-04

靳煒，機械工程在讀碩士，中級工程師，主要研究方向：汽車中控面板產品開發與設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.065