汽車立柱把手設(shè)計(jì)及其剛度分析

代士青 ，江 芹 ，黃 勤

（江西五十鈴汽車有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330010）

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，汽車內(nèi)飾系統(tǒng)日新月異，各種新材料、新工藝層出不窮。立柱把手是汽車內(nèi)飾的重要組成部分，一般在皮卡、大型SUV 及MPV 車上使用，主要作用是輔助乘客上車。其設(shè)計(jì)的好壞，一定程度上決定了車輛是否能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)上占有一席之地[1]。本文主要介紹了把手的組成、制造工藝以及材料，探討了立柱把手開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的布置要求以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并介紹了立柱把手需滿足的各種實(shí)驗(yàn)要求，最后利用有限元分析技術(shù)對(duì)立柱把手進(jìn)行了剛度分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。有助于提升后續(xù)車型的立柱把手設(shè)計(jì)水平，從而在設(shè)計(jì)階段規(guī)避一些不合理之處，減少后期修模的費(fèi)用。

1 把手制造工藝及材料

立柱把手一般安裝在A 立柱上，起到輔助乘客上車的作用，如圖1 所示，其主要由立柱把手本體、安裝支架、螺釘堵蓋以及金屬骨架等組成。把手本體是人體主要的握扶區(qū)域，螺釘堵蓋預(yù)卡在把手本體上，作用是遮蔽外露螺釘，金屬骨架的主要作用是增強(qiáng)把手的強(qiáng)度和剛度，安裝支架是用于安裝把手本體的。

為確保其表面質(zhì)量并降低立柱把手零件重量，把手一般采用氣體輔助注塑成型技術(shù)制作。氣體輔助注塑成型技術(shù)是指在注塑工藝中，在熔融塑料已適當(dāng)充填到型腔的時(shí)候（90%～100%）注入高壓氣體（一般為氮?dú)猓?，推?dòng)融熔塑料繼續(xù)充填滿型腔，使塑件內(nèi)部膨脹而形成中空，保持把手產(chǎn)品表面完整，用氣體保壓來代替塑料保壓的一種新興的注塑成型技術(shù)[2-6]。由于氣體具有高效的壓力傳遞性，可使氣道內(nèi)部各處的壓力保持一致，因而可消除內(nèi)部應(yīng)力，防止制品變形，氣體輔助注塑成型工藝一般用于成型中空的制品，其工藝流程如圖2所示。

圖2 氣體輔助注塑成型工藝流程

有時(shí)為了提高立柱把手的剛度和強(qiáng)度，把手內(nèi)部會(huì)放置金屬骨架，采用嵌件氣體輔助注塑工藝。把手的安裝順序是先將把手安裝支架固定在車身上，再通過2個(gè)螺釘將把手固定在安裝支架上，為了美觀，螺釘不允許外露，需用螺釘堵蓋遮蔽[7]，立柱把手的組成如圖3 所示。把手本體和螺釘堵蓋的材料為PP，金屬骨架為鑄鋁件，可降低零件重量，安裝支架材料為Steel。

圖3 立柱把手的組成

2 把手設(shè)計(jì)要點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)要求

2.1 把手布置要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立柱把手的作用是輔助乘客上車，因此其設(shè)計(jì)需滿足相應(yīng)的人機(jī)要求。為便于乘客握住把手，把手與立柱之間的距離應(yīng)不小于35 mm，把手豎直方向的長(zhǎng)度應(yīng)不小于80 mm，把手離車身地板的距離應(yīng)不大于1 000 mm[8]，把手的粗細(xì)適中，截面積在2 200 mm2～2 500 mm2之間，把手布置要求如圖4所示。

圖4 把手布置要求

立柱把手與立柱的配合采用壓接方式，把手設(shè)計(jì)要求如圖5 所示，兩者的搭接量不小于2 mm，X向間隙為0，把手上有定位銷與安裝支架配合，定位間隙為0.1 mm，為便于把手安裝，把手與立柱之間的Z向間隙為1 mm。

圖5 把手設(shè)計(jì)要求

2.2 把手實(shí)驗(yàn)要求

立柱把手除需在設(shè)計(jì)階段滿足上述布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求外，還需滿足各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)的要求，包括法規(guī)項(xiàng)及一般的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)。其中，法規(guī)項(xiàng)如表1 所示，《乘用車內(nèi)部凸出物》要求把手所有圓角半徑不小于2.5 mm，《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》要求把手的燃燒速率不大于100 mm/min，《汽車禁用物質(zhì)要求》要求把手需滿足汽車及其零部件產(chǎn)品中每一均質(zhì)材料中的鉛、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過0.1%，鎘的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過0.01%[9]。

表1 立柱把手需滿足的法規(guī)項(xiàng)

把手需滿足的一般實(shí)驗(yàn)項(xiàng)如下：

1）短周期熱老化實(shí)驗(yàn)。根據(jù)以下條件進(jìn)行一個(gè)循環(huán)，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為24 h，要求把手的裝配、外觀、功能、尺寸不受影響。

將把手在-30 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在90 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在50 ℃+/-2 ℃和95%RH+/-5%RH 環(huán)境下放置2 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在-30 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在90 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h。

2）長(zhǎng)周期熱老化實(shí)驗(yàn)。在90 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置7 d，要求把手的裝配、外觀、功能、尺寸不受影響。

3）耐候性實(shí)驗(yàn)。也叫氙燈老化實(shí)驗(yàn)，一般實(shí)驗(yàn)方法需參照標(biāo)準(zhǔn)SAE J2412—2003，實(shí)驗(yàn)后要求零件不褪色、翹曲，間隙面差符合要求。

4）霧化實(shí)驗(yàn)。目前主要的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為I S O 6452—2021、SAE J1756—2006 等，試驗(yàn)儀器為霧化儀，要求霧化值不大于70。

5）濫用力循環(huán)耐久實(shí)驗(yàn)。立柱把手需在450 N的外力作用3 000 次的情況下功能正常，不被破壞，把手耐久實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況如圖6所示。

圖6 把手耐久實(shí)驗(yàn)

3 把手剛度分析

本文利用常用的有限元分析方法，計(jì)算把手在特定工況下的變形量。根據(jù)江西五十鈴汽車有限公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在立柱把手上施加1 000 N 的載荷，分析計(jì)算把手的變形量應(yīng)不大于0.5 mm[10]。首先將分析模型（包含立柱、把手、安裝支架）導(dǎo)入HyperMesh軟件中，利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行3D 網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格類型為四面體單元，單元尺寸為1.5 mm。將劃分網(wǎng)格后的文件導(dǎo)入ABAQUS 中施加約束及荷載，并利用該求解器進(jìn)行分析計(jì)算，約束把手安裝支架到車身以及把手到安裝支架的所有固定點(diǎn)的6 個(gè)自由度，此有限元模型單元數(shù)為75 682 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為76 558 個(gè)。把手變形云圖如圖7 所示，由此可知，把手在1 000 N 的載荷作用下的最大變形量為0.432 mm，滿足公司規(guī)范要求。

圖7 把手變形云圖

4 結(jié)論

1）本文首先介紹了立柱把手的組成、制造成型工藝以及材料的選擇，然后介紹了立柱把手的布置要求以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如與立柱的匹配要求，零件試制后，把手還需滿足法規(guī)項(xiàng)及一般實(shí)驗(yàn)項(xiàng)的要求，能夠?yàn)楹罄m(xù)車型的把手設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2）根據(jù)實(shí)際使用情況，利用有限元分析軟件對(duì)把手進(jìn)行剛度分析，分析結(jié)果表明：把手在1 000 N的外力作用下，其最大變形量為0.432 mm，滿足江西五十鈴汽車有限公司規(guī)范變形量不大于0.5 mm的設(shè)計(jì)要求。