汽車中央扶手操作力的研究與應用

周劍奇，黃 奇，龔 琪

（1.江鈴汽車股份有限公司 整車工程研究院，江西 南昌 330200；2.南昌吳越塑料工業有限公司 技術部，江西 南昌 330200）

隨著汽車行業的飛速發展，汽車內飾功能越來越豐富。中央扶手作為汽車內飾中主要功能件之一，通常置于副儀表板上，關閉狀態可以供駕駛員舒適倚靠，開啟狀態下可以供車內乘員取放儲物箱中的物品[1]。所以在設計時對扶手的考核尤為重要，除最重要的安全性法規外，人機舒適性是體現汽車內飾設計優秀與否的重要方面[2]，還需著重考核其剛/強度和開啟關閉時的操作力，乘客的感知質量[3]會直接影響乘客對品牌的認知。

近年來，為了便于操作使用和保證使用安全，出現了能夠使箱蓋在任意位置懸停的鉸鏈結構[4]，故多家主機廠的中央扶手采用了摩擦式鉸鏈。該類型鉸鏈的優點是摩擦式鉸鏈能提供阻尼，克服扶手自身重力，達到扶手在任意位置懸停目的。但這種扶手對鉸鏈提供的摩擦力矩的要求非常嚴苛。摩擦力矩太大會導致扶手開啟力太大從而引起顧客抱怨；摩擦力矩太小會導致無法克服扶手自身重力從而扶手無法在任意位置懸停，或者會導致扶手在顛簸路面時產生異響。

本文在針對采用摩擦式鉸鏈的中央扶手，研究扶手的開啟力、關閉力、鉸鏈摩擦力矩的關系。根據主機廠提供的操作力，指導供應商鉸鏈摩擦力矩設計。

1 中央扶手開啟關閉系統受力分析

本文介紹的中央扶手開啟關閉系統是由扶手上蓋板總成、下蓋板總成、鉸鏈總成組成。其中鉸鏈總成由上鉸鏈、下鉸鏈及摩擦阻尼機構組成，下鉸鏈固定不動。上蓋板總成通過螺釘固定在上鉸鏈上，下蓋板通過塑料卡扣固定在上蓋板上，詳細的布置結構如圖1所示。

圖1 中央扶手開啟關閉系統

1.1 中央扶手工作原理

當扶手處于關閉狀態，客戶將力作用在扶手下蓋總成前端，向上提拉扶手，將扶手打開；當扶手處于開啟狀態，客戶將力作用在上蓋板前端，向下推扶手，將扶手關閉。扶手開啟關閉過程，手上的作用力用來克服扶手受到的各種力矩之和，包括扶手的重力力矩和鉸鏈的摩擦力矩。開啟、關閉過程中的任意位置，顧客取消操作力，在鉸鏈阻尼機構提供的摩擦力作用下，扶手都可在鉸鏈提供的摩擦力下保持靜止不動，從而在任意位置懸停。

1.2 中央扶手操作力計算模型

圖2 中央扶手受力分析示意圖

圖3 重力力臂示意圖

圖中，O為鉸鏈旋轉軸心；A為客戶手操作位置；B為扶手重心位置；Fh、Lh分別為手上操作力和操作力的力臂；G、Lg分別為中央扶手的重力和重力力臂。

圖中，鉸鏈軸線與重心的距離R保持不變，鉸鏈旋轉軸心O坐標(Ox,Oz)，重心B坐標(Bx,Bz)，α為扶手開啟角度，β為扶手關閉狀態與地平線的夾角。

根據力矩平衡原理，可以得到開啟關閉過程中的力矩平衡公式。

開啟過程：

關閉過程：

針對考試大綱側重內容，依據學情、導游職業素養能力要求及考試題型，廣泛收集資料，選取多種教學素材，進行課前、課中、課后整個教學過程的教學資源準備與課件設計，并將其上傳到智慧課堂網絡平臺，以供教學和學生學習與保存。

式中，Fhk為開啟過程手上操作力，即開啟力；Fhg為關閉過程手上操作力，即關閉力；Tf為鉸鏈提供的摩擦力矩。

由工作原理及力學分析，影響操作力的因素有摩擦力矩、重力、重力力臂及操作力力臂，輸入上述值，可精確計算扶手操作力，操作力的計算模型為

1.2.1 開啟及關閉力力臂

手上的作用力一直垂直于手操作位置和鉸鏈軸的連線，故手上作用力的力臂在扶手開啟關閉過程中保持不變。所以可以通過鉸鏈軸心和手操作位置坐標計算力臂：

式中，(Ax0,Az0)為扶手關閉狀態客戶手操作位置坐標。

1.2.2 重力力臂

扶手重力力臂是隨著扶手開啟角度變化而變化的，如圖2 所示。扶手在開啟關閉過程中，鉸鏈軸心與重心的距離R保持不變。

式中，(Bx0,Bz0)為扶手關閉狀態扶手重心坐標。

任意時刻重心力臂：

α+β= 90°時是一個臨界點，此時扶手重心與鉸鏈軸心在x方向重合，即Ox=Bx，臨界點前后重力做功效果不同。

開啟過程，從關閉狀態到達臨界點前，重力做負功，開啟力需克服重力和摩擦力矩做功，過了臨界點到完全開啟狀態，重力做正功，開啟力和重力共同克服摩擦力矩做功。

關閉過程，從完全開啟狀態到臨界點，重力做負功，關閉力需克服重力和摩擦力矩做功，從臨界點到關閉狀態，重力做正功，關閉力和重力共同克服摩擦力矩做功。

2 某車型操作力的計算模型應用

事實上，在設計階段，鉸鏈的摩擦力矩很難準確地獲取[6]，需要基于扶手的操作力性能指標進行參數化驅動正向設計，獲得摩擦力矩，指導鉸鏈設計。

2.1 某車型力臂計算

在CATIA中建立材料庫，并設置中央扶手總成中每個子零件的材料屬性，關鍵零件材料屬性如表1所示。

表1 零件材料屬性

完成以上操作后，選中中央扶手總成，點擊測量慣量命令，可獲得扶手關閉狀態扶手重心坐標及質量，如圖4所示，(Bx0,Bz0)=(3 434.495,2 070.158)，中央扶手質量m=1.869 kg。

圖4 重心坐標

通過CATIA測量得客戶手操作位置坐標：

鉸鏈旋轉軸心坐標：

以上數值代入式（5）、式（7）可得

操作力力臂Lh=0.289 m；重量力臂：

2.2 某車型鉸鏈摩擦力矩計算

假設扶手運動過程鉸鏈摩擦力矩為恒定值，將計算得到的Lg、Lh代入操作力計算模型式（3）、式（4）得

當α=0時，扶手處于完全關閉狀，此時有最大開啟力：

當α= 90°時，扶手處于完全開啟狀態，此時有最大關閉力：

根據本公司開發的 3款摩擦式鉸鏈的中央扶手經驗，開啟力為20 N時，顧客手感最佳，因實際測量扶手操作力時得到的是開啟、關閉過程中的最大值，故定義最大開啟力為 20 N。在 2.1節已知扶手重量m=1.869 kg，故G=mg=18.32 N，代入式（11）、式（12）得摩擦力矩Tf=3.87 Nm，最大關閉力Fhgmax=15 N。

2.3 扶手開啟角度與操作力對應關系

基于前兩節計算的操作力力臂、重力力臂、摩擦力矩，構建扶手操作力與開啟角度的關系如圖5所示。

圖5 開啟力及關閉力與開啟角度關系圖

如圖5所示，隨著開啟角度越大，所需的開啟力越小，所需的關閉力越大，最大開啟力20 N，最大關閉力15 N。所以設計時扶手性能指標定開啟力名義值定義20 N，扶手關閉力名義值定義15 N，此處所描述的扶手開啟力和關閉力指的是最大開啟力和最大關閉力。

3 扶手操作力的主要影響因素

因實際測量扶手操作力時得到的是開啟、關閉過程中的最大值，故本節分析影響因素對最大開啟力與最大關閉力的影響。

項目設計經驗，不同車型鉸鏈軸線與重心的距離R及β變化很小，忽略其對操作力的影響，主要分析摩擦力矩、扶手質量、操作力的力臂對最大開啟力與最大關閉力的影響。

3.1 摩擦力矩對最大開啟力、關閉力的影響

根據第2節計算值，假設R=0.11 m、β=16.1°、m=1.869 kg及Lh=0.289 m為定值，Tf對操作力的影響如圖6所示。

圖6 摩擦力矩與操作力的關系圖

如圖6所示，最大開啟力和最大關閉力都隨著摩擦力矩的增大而增大，且兩者在任意摩擦力矩值時有恒定差值。摩擦力矩變化1 Nm，對應操作力變化3.5 N。

根據項目經驗，扶手開啟力大于25 N時乘客會感覺操作費力，扶手開啟力小于15 N時會導致整車路試測試時扶手易產生晃動敲擊異響，故建議扶手開啟力設置±5 N的公差，根據圖6得到關閉力公差也會是±5 N，摩擦力矩公差為±1.43 Nm，結合 2.3節摩擦力矩與最大開啟力、關閉力名義值，三者關系如表2所示。

表2 摩擦力矩、開啟力、關閉力公差對應關系

3.2 扶手質量對最大開啟力、關閉力的影響

根據本文第 2節計算值，假設R=0.11 m、β=16.1°、Tf=3.87 Nm及Lh=0.289 m為定值， 扶手質量m對操作力的影響如圖7所示。

圖7 扶手質量與操作力的關系圖

如圖7所示，最大開啟力和最大關閉力都隨著摩扶手質量的增大而線性增大，但扶手質量對最大開啟力的影響比對最大關閉力的影響大。扶手質量變化0.1 kg，對應最大開啟力變化0.35 N，對應最大關閉力變化0.1 N。

3.3 扶手力臂對最大開啟力、關閉力影響

根據第2節計算值，假設R=0.11 m、β=16.1°、Tf=3.87 Nm及m=1.869 kg為定值，質量m對操作力的影響如圖8所示。

圖8 操作力臂與操作力的關系圖

如圖8所示，最大開啟力和最大關閉力都隨著操作力臂的增大而減小，但是非線性的，且操作力力臂越大，其變化對最大開啟、關閉力的影響越小。

4 總結

扶手設計開發的主要工作就是量化扶手的性能指標，即開啟力與關閉力，以扶手性能指標驅動扶手鉸鏈的設計。

將終端主觀感受—扶手開啟關閉手感輕重，轉化成扶手設計指標—扶手開啟力、關閉力。再通過扶手工作原理及力學分析，建立扶手操作力的計算模型。

根據構建的扶手操作力與開啟角度的關系，扶手操作力的主要影響因素分析獲得：

1）扶手處于完全關閉狀，此時有最大開啟力，且開啟力隨之開啟角度增加而減小；

2）扶手處于完全開啟狀態，此時有最大關閉力，且關閉力隨之開啟角度增加而增加；

3）最大開啟力和最大關閉力都隨著扶手質量的增大而線性增大，但扶手質量對最大開啟力的影響比對最大關閉力的影響大。扶手質量變化0.1 kg，對應最大開啟力變化0.35 N，對應最大關閉力變化0.1 N；

4）扶手開啟力設計指標為（20±5）N時，扶手關閉力設計指標應為（15±5）N，摩擦力矩為（3.87±1.43）Nm；

5）最大開啟力和最大關閉力都隨著操作力臂的增大而減小，但是非線性的，且操作力力臂越大，其變化對最大開啟、關閉力的影響越小。

本文利用操作力計算模型，基于扶手的性能指標（開啟力）進行參數化驅動正向設計，獲得摩擦力矩，從而指導供應商鉸鏈設計。并且得到鉸鏈摩擦力矩、扶手質量、操作力臂對對應關系，為以后的采用摩擦式鉸鏈的中央扶手項目設計提供參考以及解決方案。