副儀表板后翻扶手設計要求及有限元分析

游 瀚

（江西五十鈴有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330001）

隨著國內汽車市場不斷發展成熟，消費者對汽車內飾的精致性要求越來越高，扶手總成作為汽車車廂內重要儲物空間及手臂放置區域，其設計的好壞一定程度上決定了汽車是否能吸引潛在消費者關注[1]。目前比較常見的扶手總成是繞著扶手后端的轉軸旋轉的后翻扶手，其應用實踐較長，價格相對實惠，使用范圍較為廣泛。

本文針對后翻式扶手總成，簡要說明了其在設計開發過程中的設計要點，比如：扶手的組成、材料選擇、內外板的定位安裝策略、扶手表皮設計以及扶手的人機要求，并且利用HyperMesh和ABAQUS有限元分析軟件，對某皮卡車型后翻式扶手總成在關閉及打開兩種狀態下其剛度，強度進行分析，分析判斷后翻扶手總成在設計工況下結構設計的合理性，為后續車型后翻扶手設計提供設計參考。

1 扶手總成設計要點

1.1 扶手總成組成

副儀表板后翻扶手總成一般采用包覆工藝，主要由表皮、泡棉、扶手內板、外板、鉸鏈、軸、限位簧片、扭簧及縫線等組成。泡棉可先裁切成設計形狀，再與扶手外板一起包覆，或是將扶手外板放置模具內一體發泡成型，后者泡棉與扶手外板位置可控，包覆手感較好[2]。

扶手內、外板采用卡接結構，利用自身門型卡進行固定，由于需考慮扶手在關閉時能承受一個成年人體重，因此，扶手內外板之間應盡可能多加支撐以增強其剛度。根據鉸鏈材料不同，可以將扶手分成塑料鉸鏈扶手和金屬鉸鏈扶手，塑料鉸鏈與扶手內板為同一個件，塑料鉸鏈結構簡單、價格便宜，但是鉸鏈的剛度較差，零件試制時扶手易變形；金屬鉸鏈剛度較大，其通過兩個鐵支架組成運動副，其中一個鐵支架固定在扶手外板上，另一個鐵支架則固定在副儀表板本體上，兩個鐵支架通過轉軸，扭簧及限位簧片可相對轉動，應用較為廣泛，如圖1所示。

圖1 扶手鉸鏈分類

1.2 扶手總成材料選擇

扶手材料選擇如表1所示，對于塑料鉸鏈扶手總成，扶手外板可選擇丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）或聚碳酸酯（PolyCarbonate, PC）/ABS。扶手內板需考慮選擇剛度，強度較大材料，如：尼龍6（Poly Amide 6, PA6）+30%玻纖（Glass Fiber, GF），如果通過有限元分析計算，結構設計需滿足扶手強度、剛度要求，也可選擇 PA6+GF20材料，零件表面外觀較好控制。

表1 扶手總成材料

1.3 扶手表皮設計

副儀表板扶手表皮一般采用手工包覆，包覆表皮翻邊有效被壓接量不小于10 mm，如圖2所示A值，在表皮反包區域外板上不應有其他特征，避免反包不夠導致包覆不良[3]。扶手總成一般采用縫線工藝增加內飾美觀，需造型定義縫線位置及縫線的針距等。常見的扶手采用的縫線方式有雙縫線和單縫線。雙縫線是在內飾包覆件拼接時各自縫合一條線，也是目前應用最多的包覆件拼接方式，具備良好裝飾效果，提升汽車的內在品質，而單縫線主要是給人一種視覺上的層次感。

圖2 扶手常見縫線形式

雙縫線時扶手泡棉上需要做縫線槽定位及隱藏縫線，否則縫線區域會凸起。雙縫線形式如圖3所示。兩縫線之間的間距2A一般為8～10 mm，50 mm長度內縫線針數一般定義為11+/-1針。

圖3 雙縫線形式及設計參數

1）當扶手為單層包覆時，表皮料厚T1=1.0 mm，則雙縫線設計參數需滿足以下要求：

A=4～5 mm，B=D+0.5 mm=2.5 mm，C=T1=1.0 mm，D=2 mm，E=0 mm。

2）當扶手帶海綿層包覆時，表皮料厚T1=1.0 mm，海綿層料厚T2=2 mm，海綿層壓縮系數a，則雙縫線設計參數需滿足以下要求：

A=4～5 mm，B=D+0.5 mm=3.5 mm，C=（T1+T2）×a=3amm，D=3 mm，E=0 mm。

1.4 扶手內外板定位及設計要點

扶手內外板采用定位銷定位，主定位放前端，副定位（限制Y向）放后端，如圖4(a)所示。扶手內外板之間除了卡子之外，還需要增加支撐結構，且外板上盡可能多做加強筋，加強筋高度約5 mm，保證扶手總成有足夠的剛度。后翻式扶手總成扶手開啟角度最小83°，且最好不要超過95°，應保證開啟后扶手的重心在轉軸的后面，確保扶手開啟后不會在重力作用下自動關閉。扶手在開啟過程中與周邊件（如后蓋板、副儀表板本體等）的間隙應保證3 mm以上運動[4]。

圖4 扶手定位策略

扶手內板上應有Y向限位結構，一般Y向限位結構與箱斗的間隙為0.5 mm，如圖4(b)所示。為了防止在顛簸路面上產生異響，Y向限位結構上會增加橡膠套，此時橡膠套與箱斗間隙可為零。

1.5 扶手總成人機要求

為了保證扶手在打開過程中不與座椅干涉及座椅在滑動過程中不與扶手干涉，扶手總成要滿足以下人機要求：

1）扶手總成與座椅靠背的包絡間隙需不小于12 mm；

2）扶手總成與座椅坐墊的包絡間隙需不小于15 mm。

為滿足扶手的舒適性，扶手設計應滿足如下要求：

1）扶手最前端在R點（設計位置）后端距離不小于76 mm；

2）扶手最后端在R點（最前位置）前端距離不小于50 mm；

3）扶手前端上表面與R點高度距離在152～203 mm之間；

4）扶手表面與水平傾角為±7°。

同時扶手總成需滿足內飾件內部突出物要求。

2 有限元仿真分析

為了驗證后翻扶手總成設計的合理性，在零件開模前需通過有限元方法驗證其關閉和開啟最大角度時的強度，本文采用通用的前處理軟件HyperMesh對某一塑料鉸鏈扶手副儀表板總成模型進行網格劃分，模型中網格多數為六面體單元，單元尺寸為3 mm，即可保證仿真分析結果的精度，又可使分析計算的時間不至于過長。約束副儀表板與主儀表板、儀表板橫梁及車身中央通道的所有連接點的六個自由度[5]。

2.1 扶手關閉狀態靜強度分析

工況：通過直徑80 mm的剛性圓盤，對扶手關閉狀態時上表面中心位置施加向下的法向壓力1 045 N荷載，扶手的應力值應小于材料的屈服強度，扶手材料是PA6+GF30，材料屈服強度170 MPa。

從圖5可知，后翻扶手在此工況下的最大應力為34.5 MPa，靜強度分析滿足本公司標準要求。

圖5 扶手關閉時的應力云圖

2.2 扶手打開狀態時強度分析

工況：通過直徑10 mm的剛性圓盤，在后翻扶手開啟最大角度時（95°開角）的扶手內板表面中央距頂部30 mm位置施加125 N法向載荷， 扶手的最大應力應小于材料的屈服強度。

從圖6可知，后翻扶手在此工況下的最大應力為65 MPa，小于材料的屈服強度，滿足本公司標準要求。

圖6 扶手開啟時的應力云圖

3 結論

1）本文介紹了市場上應用比較廣泛的后翻扶手總成及其組成、材料選擇、扶手表皮、雙縫線的設計以及扶手內外板的定位及其設計要點和扶手需滿足的人機要求，可為后續車型扶手總成的開發設計提供參考。

2）針對某一塑料鉸鏈扶手總成，利用Hyper Mesh 軟件建立其有限元網格模型，對后翻扶手在關閉及完全打開兩種情況下進行強度分析，通過有限元軟件計算結果與設計要求做對比，驗證扶手設計的合理性，通過本文的分析，可判斷此塑料鉸鏈扶手設計符合本公司標準要求。