汽車空調面板觸摸振動結構的設計與仿真

陳杰　方建中　韓后繼　劉國承

【摘? 要】為實現汽車觸摸面板的振動效果，通過運用ABAQUS軟件的動力學仿真技術對金屬彈片進行設計，并對面板整體結構強度進行校核，最終設計出符合要求的觸摸振動結構。結果表明：金屬彈片作為振動的發生結構，其剛度不僅會影響最終加速度的輸出，還會關系到整車振動時是否會引起觸摸面板共振。對于整個觸摸面板的動力學強度校核時，需重點關注金屬彈片及面板安裝位置，其余部位視情況而定。

【關鍵詞】ABAQUS；觸摸振動；空調面板；動力學

中圖分類號：U463.851? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0071-03

Design and Simulation of Vibration Structure of Automobile Air Conditioner Panel

CHEN Jie，FANG Jian-zhong，HAN Hou-ji，LIU Guo-cheng

（Zhejiang Changjiang Automobile Electronic System Co.，Ltd.，Wenzhou 325000，China）

【Abstract】In order to achieve the vibration effect of automotive touch panel，the dynamic simulation technology of ABAQUS software is used to design the metal shrapnel and check the strength of the overall structure of the panel，and finally design the touch vibration structure that meets the requirements. The results show that the stiffness of the metal shrapnel，as the structure of vibration，not only affects the output of the final acceleration，but also affects the resonance of the touch panel when the vehicle vibrates. When checking the dynamic strength of the whole touch panel，it is necessary to focus on the metal shrapnel and the installation position of the panel，and the rest of the parts depend on the situation.

【Key words】ABAQUS；touch with vibration；air conditioning panel；dynamic

車載觸摸面板因具有操作直觀、軟件靈活以及節省體積與成本等優點，已經逐步替代傳統的機械開關。觸摸面板不僅加大了防水、防塵等的可靠性，也大大提高開關的耐久性及鍵位布置的靈活性。但是，由于缺乏機械按鈕所具有的觸覺反饋體驗，觸摸屏也引發了其它一些人機交互方面的問題。最簡單的解決方案是在觸摸面板內增加觸覺反饋結構，從而同時提供觸摸屏和鍵盤的最佳特性。

觸摸面板的信號處理技術及原理與手機等消費電子類似[1]，但作為觸摸面板的核心，機械振動結構卻與手機完全不同，其設計至關重要，不僅關系到整個面板的使用壽命，也直接影響用戶的觸感體驗。目前已成為各大主機廠內飾供應商的研究及開發重點內容[2]。

本文采用ABAQUS有限元軟件，對某車型空調面板的觸摸振動結構進行設計并仿真分析，最終實現面板整體的強度、剛度要求。

1? 觸摸振動結構及原理

觸摸振動的基本結構如圖1所示，主要分上下兩部分，上半部分通常由觸摸屏及傳感器等組成，下半部分由殼體、固定支架等組成，上下部分由金屬彈片連接。裝車時，下半部分固定到整車骨架上，上半部分實現自由振動。振動激勵由固定于下半部分的電磁鐵提供。

其中，金屬彈片作為上下兩部分結構的支撐，是振動結構的核心部件，其關乎著面板的整體剛度及強度。當手指觸摸屏上符號區域時，傳感器收集并發出信號，此時，PCB上芯片接收信號后為電磁鐵發出脈沖電流，電磁鐵在接收到電流后，鐵芯快速向前沖擊鐵支架接收臂，鐵支架受到沖擊后帶動屏幕形成一定的加速度反饋，此時手指即可感受到振感。

2? 金屬彈片設計

3? 面板總成仿真校核

使用ABAQUS建立有限元模型，各零件材料及參數如表2所示。

按客戶要求，對面板總成進行動態強度校核[6]。仿真時外殼與整車骨架連接處固定，對面板總成分別進行X、Y、Z方向隨機振動仿真分析[7-8]，客戶提供振動所用功率譜密度（PSD）數據如圖3所示。

建立面板總成有限元網格，如圖4所示，各零件網格信息見表3。

圖6為面板整體1階模態滿足大于75Hz要求的面板的隨機振動均方根應力結果[9]。由于工作過程中，面板總成中金屬彈片的變形最大，且為主要支撐結構，而其余塑料件均與鐵支架等固定，經校核應變均遠遠小于材料的許用應變，所以圖6中僅列出金屬彈片的均方根應力結果。

如圖6所示，彈片的最大應力為X向振動時產生，最大值為328.6MPa，此值小于材料的強度極限，因此最終選用方案4彈片作為開模方案。

4? 結論

通過對觸摸振動結構的設計及運用ABAQUS軟件對整個設計過程的仿真分析，可得到如下結論。

1）金屬彈片的剛度是影響振動加速度輸出的主要因素，作為設計時的主要變量，但同時還需綜合考慮鐵支架等剛度。彈片剛度越大，面板上的加速度越小；鐵支架剛度越大，LENS上的加速度一致性更好。

2）彈片的剛度不能過小，以避免整車振動過程中引起觸摸面板自振。此項可通過面板整體的模態進行校核。

3）對于觸摸振動結構，在進行隨機振動強度校核時，一般開裂風險較大的零件為金屬彈片結構，其余零部件強度視情況進行驗證。

參考文獻：

[1] 王碩. 淺析觸摸屏手機系統中的觸覺反饋設計[J]. 貴陽學院學報（自然科學版），2012，7（1）：30-33.

[2] 周堯，張豐華，楊林，等. 觸摸屏觸感振動反饋設計研究[J]. 制造業信息化，2014（1）：90-91.

[3] 趙玫，周海亭，陳光冶，等. 機械振動與噪聲學[M]. 北京：科學出版社，2004.

[4] 曹金鳳，石亦平. ABAQUS有限元分析常見問題解答[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[5] 莊茁，張帆，岑松. ABAQUS非線性有限元分析與實例[M]. 北京：科學出版社，2005.

[6] 李明. 工程仿真精度可信的CAD模型簡化[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2015，27（8）：1363-1375.

[7] 王明珠. 結構振動疲勞壽命分析方法研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2009.

[8] 孟凡濤，胡愉愉. 基于頻域法的隨機振動載荷下飛機結構疲勞分析[J]. 南京航空航天大學學報，2012，44（1）：32-35.

[9] 金奕山，李琳. 隨機振動載荷作用下結構Von Mises應力過程的研究[J]. 應用力學學報，2004，21（3）： 13-16.

（編輯? 凌? 波）