汽車扶手箱的設計及有限元分析*

魯春艷，張宇航，韋毅恒

(蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215100)

0 引言

隨著汽車產業的蓬勃發展，汽車保有量急速攀升，人們對汽車的要求越來越高，使得汽車新品的開發頻率加快，汽車設計工作量也與日俱增。汽車內外飾是整車的重要組成部分，其設計工作量已經達到整車設計工作量的60%，遠遠超過汽車外形以及車身的設計工作量，是整車設計最為重要的部分之一。內外飾零件不僅僅具有裝飾的作用，還具有一定的功能性、安全性、吸能性、減震隔音性以及工程屬性[1]。

扶手箱是汽車內飾系統中的重要零件，對其有著較高的外觀要求和力學性能要求，其模態和振動特性對整車的乘坐舒適性和駕駛員操作平順性有著重大影響[2]。為了提高扶手箱的設計效率，本文總結了扶手箱的設計要點，建立了扶手箱的三維幾何模型，進行了曲面光順分析及拔模分析，并對扶手箱進行了靜力學分析及模態分析。

1 汽車扶手箱概述

汽車扶手箱的結構如圖1所示，由扶手上蓋、扶手下蓋、鉸鏈和開關總成組成，扶手箱通過鉸鏈與儲物盒相連，向后翻轉就可以打開扶手，使用下面的儲物盒；其開關通過卡扣嵌在儲物盒的凹槽內，起到固定扶手蓋的作用，防止在汽車顛簸時將儲物盒中的物品彈出。扶手骨架一般采用PC/ABS等材料。

圖1 扶手箱結構圖

2 扶手箱三維數據的設計

2.1 扶手箱的布置

扶手箱的功能是用于擱放手臂，緩解駕駛疲勞。在布置上不僅要符合人體工程學，還要滿足GB11552-2009《乘用車內部凸出物法規》的要求，根據法規規定的測量方法可確定扶手箱上、前邊界線。

扶手箱上邊界線的確定方法：將換擋手柄置于中間最后的位置，以手柄球頭的最高點為圓心，作半徑為40 mm的圓，由于扶手箱前端傾角為8°,作一條與此圓相切且與水平軸呈8°的直線，此直線即為扶手箱上邊界線。為避免換擋時手臂與扶手箱發生干涉，設計扶手箱時，扶手箱截面最高處須在此邊界線之下[3]。

扶手箱前邊界線的確定方法：將手剎置于拉起狀態，以手剎手柄前端的中點為圓心，作半徑為50 mm的圓，再作一條與此圓相切且與手柄軸線呈105°的直線，再將此直線向下方偏移40 mm，即為扶手箱的前邊界線。為避免操作手剎時手臂與扶手箱發生干涉，設計扶手箱時，扶手箱最前端截面不得超過此邊界線[3]。

2.2 扶手箱的尺寸設計

H點是指二維或三維人體模型中大腿與軀干相連的旋轉點即胯點，也是汽車的設計參考點，如圖2所示。扶手箱在Z向(汽車垂向)到H點的距離為h，應為160 mm～180 mm；扶手箱前端到H點的水平距離為S1，應為100 mm～140 mm；扶手箱后端上部到H點的水平距離為S2，應大于240 mm；扶手箱前端傾角為8°；扶手箱的寬度為d，應不小于140 mm；扶手箱平面在Y向(汽車橫向)與H點的距離為g，應為350 mm～500 mm，如圖3所示。扶手箱前端圓角半徑應不小于5 mm，扶手箱開啟角度要求不小于87°；一般扶手箱開扣手的Y向操作空間應不小于65mm，手指按壓面寬度不小于15 mm，按壓行程不小于5 mm，手指操作空間不小于20 mm[4]。

圖2 汽車的設計參考點H point

圖3 扶手箱基本尺寸

2.3 扶手箱的細節設計

2.3.1 扶手箱出模方向的定義

由于扶手箱屬于副儀表的一部分，因此其出模方向要與整體式副儀表的出模方向相同。一般為汽車的垂直方向，根據出模方向分析扶手箱外表面的各個地方能否順利脫模，其中扶手箱表面屬于細皮紋，拔模角度至少要5°；不可見區域拔模角度應不小于3°，如果小于3°可能拉傷零件表面，產生痕跡[5]。

2.3.2 扶手箱厚度的定義

按照國內一般標準，扶手箱本體厚度一般定為2.5 mm。由于扶手箱為熱塑性塑料件，壁厚設計應均勻一致，如果零件中壁厚之間的差別超過了25%，將會在零件中產生較大的內應力，導致零件發生縮痕、氣泡以及變形等缺陷。

2.3.3 扶手箱加強筋的分布

在零件上布置加強筋可以大大增強零件的強度。在加強筋的設計過程中，需要考慮加強筋的拔模角度、加強筋厚度與根部圓角的關系以及加強筋的布局等因素。

加強筋的拔模角度一般設置為0.25°～2°，若角度設置小，會使零件難于脫離模腔；角度設置過大，會使加強筋頂端太薄，難以保證物料填充完全。加強筋的根部厚度一般為1.0 mm～1.5 mm，而加強筋的根部圓角半徑一般為0.5 mm～1 mm。如果加強筋的根部圓角過渡太快，會使零件產生內應力。加強筋的布局一般選擇十字交叉的形式，能夠有效保障成品的應力分布均勻。

2.3.4 扶手箱定位銷設計

設計扶手箱的定位銷時,定位銷頭部要有導向斜角，與其對應的安裝孔也要有倒斜角，以便能順利裝配。

2.4 扶手箱上蓋光順度和工藝性的檢查

為滿足造型美觀的要求，要對扶手箱上蓋進行光順度分析，曲面光順度分析采用的方法有曲率分析、反射線法、等照度線法、高光線法和班馬線法等。利用CATIA軟件提供的反射分析功能，對扶手箱進行光順性、連續性檢查，分析效果如圖4所示。等高線比較光順，且疏密變化比較均勻，說明曲面比較光順。

圖4 扶手箱上蓋光順度檢查

一般轎車的扶手箱都采用一體注塑成型，因此，在上蓋曲面建模的同時，應根據設定的出模方向，檢查曲面能否出模，是否有倒扣現象，如發現有倒扣現象，應對曲面的控制線進行修改或者重構曲面。采用CATIA軟件提供的“拔模角分析”功能對扶手箱上蓋進行拔模角分析。在該命令中，首先設定拔模方向，一般為扶手箱的垂直方向，其次調整拔模角的最小限制角度，一般設為3°，扶手箱采用正向拔模，設置外部顏色為綠色。點擊確定后，分析結果如圖5所示，扶手箱全部顯示為綠色，說明其每一部分的拔模角均大于等于3°，不存在倒扣現象，表明工藝性良好[6]。

圖5 扶手箱拔模角分析

3 扶手箱模態分析

先用CATIA建立扶手箱的三維幾何模型，再將其導入到ANSYS中，建立扶手箱有限元模型如圖6所示。扶手箱總成的材料參數如表1所示。由于扶手箱一端是通過鉸鏈連接在儲物盒上的，扶手箱只能繞著鉸鏈軸轉動，另一端利用兩個卡扣卡接在儲物盒上，扶手箱未開啟狀態下是約束在儲物盒上的，因此進行模態分析時，對鉸鏈軸孔和開關卡扣面進行固定約束，如圖7所示。計算出的扶手箱的前6階固有頻率如表2所示。扶手箱前6階模態振型如圖8所示。

圖6 扶手箱總成有限元模型

圖7 扶手箱總成約束示意圖

表1 扶手箱總成的材料參數

為避免汽車行駛時與其他系統產生共振，副儀表板子系統的第1階模態頻率須大于45 Hz，由表2可知，扶手箱總成第1階模態頻率為78.47 Hz，表明所設計的扶手箱總成符合副儀表系統的設計要求。

表2 扶手箱約束模態前6階固有頻率

由圖8可知，扶手箱總成前6階模態最大振動量基本上都在邊緣或者拐角處，表明這些部位的剛度相對其余部位有些不足。在設計扶手箱時，加強筋的布置可以在邊緣處密集一些；在局部振動過大的地方可以布置卡扣等結構來減小振動量；或者在副儀表板下部加放隔音棉進行吸音減振。

圖8 扶手箱前6階模態振型圖

4 扶手箱鉸鏈強度分析

對扶手箱鉸鏈進行靜強度分析，校核其承載能力是否滿足使用要求，若強度過剩，可對鉸鏈進行輕量化設計；若強度不足，需要根據分析結果優化鉸鏈的設計。根據扶手箱的工作狀況，要求在扶手箱開啟到最大位置時對其縱向施加98 N的力，扶手箱鉸鏈不失效。因此鉸鏈強度分析的邊界條件為：將儲物盒邊界的表面固定，對扶手蓋內表面縱向施加98 N的力，如圖9所示。

圖9 鉸鏈強度分析邊界條件

通過計算，鉸鏈最大變形為0.878 mm，位于鉸鏈的上端，此端是與扶手相連接的部分,因為力臂相對較長所以變形最大(如圖10所示)，該值小于塑料件的極限變形3 mm,滿足設計要求。鉸鏈的最大應力為70.504 MPa，位于鉸鏈螺釘以及加強筋處(如圖11所示)，遠小于25%GFPOM材料的屈服極限182 MPa，且存在2.5倍安全系數，滿足設計要求。對結果分析可知，在設計鉸鏈時應著重考慮加強筋的設計，尤其是加強筋的位置、厚度以及高度，以減小加強筋處的應力集中。

圖10 鉸鏈變形云圖 圖11 鉸鏈應力云圖

5 結論

(1) 本文總結了扶手箱的設計要點，建立了扶手箱的三維幾何模型，并對扶手箱表面進行了曲面光順分析及拔模分析。

(2) 通過對扶手箱進行靜力學分析及模態分析，驗證了設計的正確性和合理性，可為扶手箱的設計提供借鑒和參考。