門飾板扶手按壓剛度性能的研究

王鎮龍，彭宏，滕永泉，黃少娟

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車已經進入千萬中國家庭。伴隨著消費水平的升級，人們對汽車的品質要求越來越高。研究表明[1]：2019后中國汽車進入存量市場競爭，滿足用戶多樣需求，是各大整車企業競爭的焦點。汽車內飾零件如儀表板、門飾板、座椅等是用戶重點關注區域，些許的設計瑕疵都將極大影響客戶對整車的體驗。

門飾板的扶手區域，不僅給顧客提供了手肘的舒適支撐，也保障車門玻璃升降開關等電器零件操作穩定，扶手整體品質設計的定將成為新的焦點。目前對于門飾板扶手的研究，主要集中在扶手注塑工藝的優化[2]、扶手人機設計[3]，以及扶手結構對于整車側碰性的影響[4-5]。對于扶手整體按壓剛度要求及設計規范方面很少有文章討論，本文將對扶手剛度設計方面進行探討。

1 門飾板扶手介紹

扶手按人機需求一般位于整個門板的中間部分，為手肘提供支撐，如圖1所示。扶手多為軟質包覆結構，包括表層（PVC、PU或織物等）、發泡層、骨架，如圖2所示。為保證強度，骨架多采用ABS材料注塑成型。發泡層多用聚氨酯發泡，可以采用與骨架一體發泡工藝；也可以單獨發泡后，與骨架膠粘固定。表層一般采用手工包覆工藝復合成總成零件。

扶手總成根據功能，可分為手肘區域和非手肘區域，如圖3所示。手肘區域不僅要求對用戶的手肘有足夠支撐，還要求滿足側碰中用戶腹部的保護功能，因此工程師在設計時需要同時平衡乘員安全性能及使用結構剛度這一矛盾[6]。對手肘區域剛度性能要求比較明確，且有相應的試驗及仿真驗證[4]，下文重點研究了非手肘區域剛度的影響因素。

圖1 扶手布置區域

圖2 扶手結構組成

圖3 肘部與非肘部示意

2 扶手剛度影響因素

2.1 造型設計影響

造型因素主要包括扶手分件位置、門飾板本體型面等因素。如圖4中A、B兩車型造型對比， A車型的扶手分件靠下，Z向無本體支撐；且本體的造型面扁平無特征，剛度弱。B車型在Z向上與本體翻邊支撐匹配，同時本體采用半弧形造型，剛度強。

圖4 A、B車型造型示意

通過圖5的受力分析可知，當Z向在扶手上端施力675N時，直接傳遞到與扶手連接的本體骨架上。若扶手與本體無支撐，且本體剛度弱時，扶手整體表現出晃動量大，質感松軟。圖6是兩個車型受力仿真分析結構，顏色越紅表示位移量越大。在車型A的扶手最大位移量為42.12mm，而B車型僅為18.05mm。圖中可見扶手分件位置、門飾板本體造型面對扶手總成剛度影響很大。扶手分件在Z向有本體的支持，且本體型面避免平直面，能有效提高扶手剛度。

圖5 扶手Z向受力分析

圖6 A、B車型扶手受力仿真分析

2.2 配合結構設計影響

門飾板總成由多個散件組裝后，如門飾板本體、嵌飾板、扶手、地圖袋等，一般通過焊接和螺釘等方式裝配。各零件之間的配合結構，會因周邊件空間等因素而設計不同。扶手總成通過焊接柱與其他零件緊固，并將會帶來不同的剛度影響。如圖7所示3個車型的配合結構，包括扶手總成、嵌飾板、門本體，且都通過焊接柱連接，但各散件之間連接關系有區別。

圖7 不同扶手結構設計示意

A車型為“扶手→門本體→嵌飾板”的層疊結構； C車型為“扶手→嵌飾板→門本體”的鏈式結構；D車型為“扶手→門本體←嵌飾板”的框架結構。通過CAE分析，如圖8所示。在扶手上施加Z向675N時，分析結果如表1：

表1 受力變形結果

圖8 不同車型仿真分析對比

當層疊結構受Z向作用力時，各層之間結合力比較松散，不能形成一個聯動的受力傳遞路徑，各層結構之間易發生類似“脫離”變形，因此剛度差。框架結構中門本體作為基礎架構，扶手和嵌飾板嵌入到主框架中，形成互相牽制緊固的整體。而鏈式結構中，受Z向作用力時，力從扶手傳遞到門本體上，產生多個零件聯動阻力，變形量小。由此可見，扶手與周邊件配合結構，要盡量采用鏈式或框架結構，增加受力路徑，從而提高剛度，避免采用層疊結構。

2.3 安裝點的布置影響

門飾板總成在扶手區域，一般設計1顆自攻釘與鈑金固定，通常布置在扶手肘部和非肘部交接區域。1顆自攻釘受力情況下，易產生旋轉變形；按三角穩定的原理，可以設計3個安裝點來提升扶手剛度。如圖9所示某車型，通過CAE分析了1顆和3顆自攻釘的扶手受力情況（Z向施加675N）。

圖9 布置不同螺釘方案對比

從仿真結果看到，增加自攻釘后，扶手的最大變形量由42.12mm減小為16.86mm，改善非常明顯。自攻釘的布置受到鈑金結構、安裝便利性等的限制，適用性依各車型不同。此外，增加自攻釘還會涉及到成本增加、工時延長，需要綜合評價方案的效益再使用。

2.4 材料物性的影響

如之前分析，扶手和門本體均受力，其原材料的抗變形性能對提高零件剛度有直接關系。某車型的扶手總成骨架采用ABS，門本體采用PP+EPDM-TD20。ABS材料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三種單體的三元共聚物，具有很強的抗沖擊性、耐劃、尺寸穩定等特性。PP是聚丙烯的簡稱，PP+EPDM+TD20是PP改性材料。TD20指的是20%滑石粉增強，另外加EPDM增韌耐低溫，改性后材料韌性剛性耐a候性都提高，是常用的內飾零件選材。

在材料剛性和硬度方面，ABS材料是優于PP改性材料。 因此在當扶手受力時，門本體原材料抗變形性能，即彈性模量成為關鍵影響因素。通過CAE分析不同本體彈性模量材料對扶手變形量的變化。從圖10可以看到PP改性材料彈性模量提高，能顯著提升扶手整體剛度。但是材料彈性模量提高，也伴隨成本的上升，實際開發過程中需要兼顧考慮。

圖10 不同材料仿真對比

3 扶手剛度評價要求

扶手按壓剛度，實車評價主要集中于主觀評價，為盡量減少人為的因素影響，需要確定明確的要求，能夠指導設計。通過對A、B、C、D這4臺實車進行按壓評價，并結合仿真分析，建議將扶手剛度要求定位：Z向施加675N的力，最大位移＜15.5mm，能夠保證實車扶手剛度評價滿足正常使用。

4 結語

扶手的性能包括很多方面，本文討論的影響因素有助于在項目前期，為非肘部區域的設計提供新的思路。在零件設計前期需要綜合考慮成本、結構、造型等因素，多借助計算機輔助軟件，得出最佳的設計方案，達到提升扶手整體用戶體驗的目的，提升整車競爭力。