乘用车副仪表板扶手开启加载失效模式的研究

朱瑶洁 王建 盛浩

摘  要：本文根据实验数据，分析总结了乘用车副仪表板扶手开启状态下加载过程的主要失效模式。结合当前乘用车副仪表板扶手结构设计的主要特点，依据力学原理对失效原因进行了理论分析。确定止位结构发白断裂是扶手开启加载时最常见的失效形式，而止位力臂的长度、止位结构的承载截面积，以及铰链盖板和扶手储物箱所用材料的弯曲断裂强度是影响失效的关键因素。并根据产品不同的设计开发阶段，提出了相应的结构设计指导与规范，对乘用车副仪表板扶手的结构设计开发具有较高的参考价值。

关键词：汽车内饰; 副仪表板扶手; 开启加载;结构设计

中图分类号：U463.83;U270.38;   文献标识码：A   文章编号：1005-2550（2018）06-0084-05

Research on Loading Failure Mode of folded up floor console armrest

ZHU Yao-jie1， WANG Jian2，3，4， SHENG Hao5

（ 1. Shanghai Yanfeng JinQiao Automotive Trim Systems Co.， Ltd.， Shanghai， 200233;

2. Shanghai Radio Equipment Research Institute， Shanghai， 200438; 3. Shanghai Engineering Research Center of Target Identification and Environment Percepetion， Shanghai， 200438

4. Shanghai Shentian Industrial Co.， Ltd. Shanghai， 200438;

5. School of Computer Science and Engineering， Beihang University， Beijing， 100191 ）

Abstract： Based on the experimental data， this paper analyzed and summarized the main failure modes when loading an abuse force on the armrest of the vehicle floor console. Referenced with the main characteristics of the current design of the passenger vehicle's floor console armrest， the failure causes are theoretically analyzed based on the mechanics principle. The most common failure mode during loading on the folded-up armrest is fracture or breaking on the stopping structure. And the length of the stopping arm， the bearing cross-sectional area of the stopping structure， and the materials bending strength of the hinge cover and the storage box， respectively， are the key factors affecting the failure. The corresponding structural design guidance and specifications are proposed for the different development phases of the product. It has a high reference value for the structural design of the passenger car floor console armrest.

引   言

隨着技术的进步和生活方式的改变，用户对车的要求远不限于载着乘客从A地驶向B地这么简单，汽车的内部空间已成为舒服家庭环境的延伸[1-3]。这意味汽车内饰的设计目标是使其具有和家庭环境同样的功能性与舒适性，舒适程度和设计水平也正是大多数人购车选型的两大首要因素[4]。在内饰设计中，储物设计是最重要的课题之一。收纳物品的多样适应性、储物空间的美观舒适性，以及储物功能件的安全性都越来越成为人们不断追求的目标，同时也对设计者提出了更高的要求[5，6]。

中央扶手作为汽车内饰中主要功能件之一，通常置于副仪表板上（如图1），关闭状态可以供驾驶员舒适倚靠，开启状态下可以供车内乘员取放储物箱中的物品。中央扶手对于汽车内饰的整体感观效果至关重要，所以在设计制造时对于扶手功能的考察尤为苛刻。除了一般的法规对于内部突出物[7]的要求以外，扶手开启状态的前后向静力加载要求，是对扶手功能最基本的考察指标之一，但也往往是开发过程中最容易发生失效的性能指标之一。

本文从失效模式分析入手，通过不同项目不同形式的失效数据，逻辑归纳出对于扶手开启状态的前后向静力加载时最常见的失效模式。然后借助理论力学数学模型，分析出影响失效的最关键因子，并通过实验数据比对证明理论分析的一致性和科学性。对于这些关键因子，结合设计开发阶段的实践过程，论述了如何在不同设计开发阶段关注不同的设计要素来最终满足扶手开启状态的静力加载性能要求。

1    失效模式分析

1.1   失效项目数据统计

考虑到不同整车厂对于扶手开启状态的静力加载性能要求存在差异，包括不同的加载力值、压头尺寸等实验条件，为了排除由于技术要求造成的分析偏差，且保证足够的样本数量，因此选取某汽车公司11个副仪表板项目在开发阶段的实验数据作为研究对象。

1.2   失效模式分析

某汽车公司对于扶手开启状态静力加载性能的技术要求为：对于开启的扶手组件，从车前向车后方向水平加载Fhb=200 N的力，加载过后不允许有永久功能失效和破坏（见图4）。

为了便于统计，将各项目的失效模式进行归纳整理，得到图2：

可以看出，加载过程中发生的主要失效模式有5种类型，分别是：

[1] 开启止位结构脱出

[2] 开启止位表面发白断裂

[3] 扶手内外盖板脱开

[4] 扶手内盖或外盖局部断裂

[5] 扶手转轴发生弯曲

其中，开启止位表面发白断裂（模式2）的发生概率最高（图3）。开发过程中往往需要多次的结构优化甚至更换材料才可以满足性能要求，所以深入分析的必要性很高。

2    失效原因分析

2.1   扶手开启止位发白断裂的理论力学分析

从扶手的受力分析可以得到：

其中，              。对于每个止位结构承受的弯曲应力：

其中，s为止位结构的承载截面积。当δ大于或接近材料自身的“弯曲断裂强度”时，止位结构就会发白或断裂。

承担止位功能的零件分别为扶手铰链盖板和储物箱，所以对于扶手的止位结构系统而言，所受的弯曲应力最先达到了自身弯曲断裂强度的零件会首先发白或断裂。

而从公式（3）里可以看出，影响失效的关键因素为：

[1] 技术要求的静力载荷F32

[2] 扶手长度L1

[3] 止位力臂L2

[4] 止位结构的承载截面积s

[5] 铰链盖板和储物盒材料的弯曲断裂强度δ

2.2   实际项目对理论计算的结果验证

按照上述的力学分析，分别计算每个项目的扶手铰链盖板和储物箱止位结构所承受的弯曲应力，然后分别和该零件材料的弯曲断裂强度进行对比，验证是否满足上述分析原理。

其中，在实际的测量和计算过程中，铰链盖板和储物盒止位所承受的应力还需要考虑支点的数量，承载截面积也需要根据结构的实际情况来选取和测量。

表1是各项目的扶手铰链盖板和储物箱材料的弯曲断裂强度和实际承受弯曲应力的对照表。从表1可以看出，项目B、C、D、I、K出现过止位发白断裂，其储物盒原先设计状态所承受的弯曲应力都是在原材料的弯曲强度的下限，考虑到实际的测量和制造偏差，失效的风险确实很高，这和实际的验证结果一致。

根据项目的设计变更记录，又按照上述方法重新计算了更改后的状态（表2）。从表2可以看出，经过结构的优化后，储物盒止位结构所承受的弯曲应力都低于材料自身弯曲断裂强度，也和实际的复测验证结果一致。

因此，说明在项目的初始设计阶段，CAE分析开始之前，通过上述的理论计算方法，可以作为判定扶手开启状态静力加载性能的有力依据，可以提前预判风险，提高项目的开发效率和进度。

3    设计开发中的应用推广

3.1   材料选择

通过上述分析可以看出，金属材料的弯曲强度要比塑料件的弯曲断裂强度高出许多，所以相对容易满足开启静力加载的要求。而由于成本、重量、专利等诸多因素，很多项目会采用塑料铰链的设计。

PP材料的弯曲断裂强度相对较低（一般在50 MPa以下），如果选择普通的PP材料则对于其他关键因素的要求较高。因此，对于铰链盖板和储物盒的材料，建议选择增加玻纤的PP材料，使得弯曲断裂强度能至少提高到接近100 Mpa或以上。

3.2   力学分析在不同设计阶段的作用

前文已經分析了影响扶手开启静力加载的关键因素，其中F32是技术要求，一般标准不发生修订时更改的几率不大;L1是扶手的长度，由整体内饰造型决定，对于结构设计而言也不大会有较大变更。因此，可调整的要素集中在材料选择、止位力臂的布置以及止位结构的形式上。

在以往的众多项目中，最常犯的错误就是忽略止位力臂的影响，又由于空间的限制，导致在2D断面布置阶段将止位力臂L2布置的太小。等到3D数据阶段[8]，对于止位形式的优化空间就非常有限，甚至需要花费大量的精力用增大断裂截面积s去弥补布置过小的L2。

3.3   止位结构形式的建议

关于铰链盖板上的止位结构，可以参照实验通过的项目的成熟结构形式，尽量做空心圆柱，避免用单根的筋来止位。

关于储物盒上的止位结构，往往容易被忽略并且失效问题较多。建议做成封闭的盒状结构，而避免做成悬臂的结构。

另外，沿着止位接触面的方向应尽量增加有效止位力臂布置。

4    结论与展望

本文基于实际项目在开发过程中失效问题，分析了副仪表板扶手开启静力加载的主要失效模式。并选取发生概率最高、影响风险最大的失效模式——止位结构发白断裂，进一步深入剖析，根据理论力学的数学模型，分析出影响该失效的关键因子，并运用项目的实际实验数据进行了分析验证，证明了理论模型的有效性和科学性。此外，结合内饰项目开发的不同阶段，对于结构设计的优化方案及材料选择给出了重要的指导性建议。

基于静力分析的简单计算可以快速方便的判断止位发白或断裂的风险。可以从项目启动阶段对于铰链盖板及储物盒就选择合适的原材料，在断面布置阶段打下良好的设计基础，再加上3D阶段的设计优化，关于扶手开启静力加载的性能要求就会很容易满足，从而大大降低设计验证的开发费用。另外，涉及到内饰件刚度强度的类似要求，都可以在CAE分析前进行初步的理论计算[9]，提高项目的开发效率和进度，降低CAE的开发工时。

当然，由于不同产品的结构形式不同，对关键尺寸的测量结果会有差异，综合的受力变形分析还是需要依靠CAE来支持更加准确直观。

随着科学技术的进步以及用户需求的不断变化，扶手的功能也会随着内饰设计理念的提升而不断扩展。高性能、轻质量、易操作、安全可靠、智能、环保、美观实用将是扶手未来发展的主要方向。

参考文献：

[1]胡兴军.金融风暴为我国汽车产业预备了“挑战”与“机遇”的双刃剑[J].轻型汽车技术，2009. 1：56-59.

[2]李虹玉.最新内饰开发[J].轻型汽车技术，2001.5：32-34.

[3]许鸿德.未来汽车仪表板设计趋势[J].轻型汽车技术，2009（4）：36-37.

[4]钟志坚. 汽车内饰[J].轻型汽车技术，1997.5：15-18.

[5]李晋，王亢.浅谈汽车扶手箱设计的要点[J].汽车技术，2017：97-98.

[6]刘明明.汽车仪表板造型设计分析[D].沈阳：东北大学，2008.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB 11552-1999. 轿车内部凸出物[S].北京：中国标准出版社，1999.

[8]吴婷.汽车副仪表设计流程[J].科技经济导刊，2016（9）：62.

[9]高岩.汽车扶手滑动操作力的研究与应用[J].时代汽车，2017：79-81.