磁打印技术在汽车内饰机构件的应用

施君鸿 周淑渊 吴坚 周晨 王骏

（泛亚汽车技术中心有限公司）

磁感线是物理学家法拉第为了形象地描述磁场而引入的理想化模型，是一些假想的曲线，但它能客观地表示出磁场的强弱和方向[1]。常规磁铁的磁感线是空间发散的，容易对周边物质产生磁吸引和磁干扰。综合考虑成本、技术局限及开发周期等因素，在汽车内饰机构件上几乎是没有磁铁应用的。文章提出了一种新型的可编程磁打印技术集成方案，可自定义磁铁的表现和功能，同时可以通过软件，快捷精准地分析磁感线分布，并在短时间内交付新的原型。该研究建立了新的磁系统，突破了传统磁铁的技术局限，在一定程度上，其在内饰机构件上的广泛应用已经成为现实，同时带来与传统机械结构不一样的客户感知体验。

1 理论依据

传统磁铁的磁感线从N极发出，S极进入，且磁感线在空间中扩散。而新的磁打印技术是由一段段N—S极的磁感线组合而成，其磁感线的形式、变化及范围都是可以编程和精准控制的。图1示出磁打印技术与传统磁铁的磁感线状态差异。

图1 磁打印技术与传统磁铁的磁感线状态差异

磁打印的原理可以理解为将一块磁铁的磁场设计分成许多小段，每一段都有自己特定的磁感线形态。通过不同段磁感线的设计，使整体磁铁表现出不一样的效果。图2示出磁打印技术与传统磁铁的剪切力与保持力关系差异。从图2可以看出，传统的2块磁铁在滑动时，其剪切力和保持力基本不存在关联性，同时，剪切力基本处在恒定的水平；而磁打印设计后的磁铁，由于磁铁不同段的磁感线是有差异的，从而会使2块磁铁之间的剪切力和保持力存在关联，这可以理解成一种对中功能，在某个距离下，保持力远大于剪切力，而在其他某个距离下，剪切力大于保持力，这种表现被大量应用在消费电子领域，例如苹果的IPAD与皮套之间、微软的Surface笔记本与键盘之间的对位安装结构，都是采用了这种磁打印的磁铁，通过一定的结构设计和磁场设计，达到了令客户满意的效果。

图2 磁打印技术与传统磁铁的剪切力与保持力关系差异

磁感线的精准设计可以让磁铁表现出的力的形式、大小以及力与位移的变化关系更加丰富与多样化，从而优化和替代诸多传统机械结构特征。

2 磁打印技术在汽车内饰机构件的应用

磁打印技术可以表现的形式包括力的优化、开关功能及对齐功能。结合常见的汽车内饰机构件的应用场景（杯托、扶手、手套箱、储物盒、出风口等）可以发现，传统机构件中的机械结构，像解锁结构、阻尼结构、铰链结构等，都可以尝试采用磁机构进行优化，甚至是替换，同时正由于磁打印技术的可编译性，在操作方式与操作力方面相比传统机械结构，客户感知体验都会有不同程度的提升。

2.1 力的优化

操作力是判断机构件操作性的客观测量值，是将用户感知转化为工程指标的数值，而手感，即客户直观感知，是与操作力有一定的关联，但不存在直接关系的。在当下机构件的设计概念中，满足操作力要求已经不存在技术难点，但是如何将用户的手感、对操作力的感知做到最好、最优，并且适用于传统的机械结构，却是一个不容易实现的课题。

磁打印技术实现了力与位移关系的可控化，例如，可以将远端的磁感线屏蔽，使指定距离内的磁力随着2块磁铁距离的减小而变大。通常，内饰机构件的操作力都是通过机械机构或者润滑油来优化的。这种操作力的优化是经验评估的，即通过以往项目的经验积累来设计配合机构，从而影响客户的操作感知，这种操作力的过程是缺少“反馈”的。而通过在机械机构的末端配合特定设计的磁铁，可以让磁铁“分担”客户的操作力，但是这种“分担”是可以调整和设定。图3示出滑动某机构过程中磁优化与传统机械结构操作力比较。从图3可以看出，正常滑动某机构过程中，从开启到关闭，客户的操作力都维持在7.5 N左右，但是通过在止位结构增加磁铁，客户在滑动该机构接近关闭时，操作力会均匀下降，至最终关闭那一刻，力值在5.5 N左右，这种力的“反馈”会极大地提升客户的操作感知体验。同时，该类磁机构形式也可以应用在操作力本身的优化，从而减少传统机械结构的更改、降低成本和由于变更导致修模的风险。

图3 滑动某机构过程中磁优化与传统机械结构操作力比较

2.2 开关功能

开关功能是磁铁的基本功能。传统汽车内饰机构件有大量应用解锁结构的场景，以副仪表板扶手的解锁为例，这类机构通常采用机械式解锁，这种解锁结构由于采用的是锁钩钩住本体特征结构来保持锁止状态，其扶手在锁机构的面和副仪表板本体配合面都需要布置结构，从而导致锁机构所在界面不平整和不美观，如图4所示。而通过磁铁的应用可以规避该问题。由于扶手和副仪表板本体材料并不影响磁铁的磁性，所以磁铁可以布置在机构件的内表面，保证了锁机构表面的光洁和平整。

图4 副仪表板扶手开关示意图

与此同时，希望在扶手开启后的一小段行程内存在克服扶手重力的反馈，这通常都是通过扶手铰链处的金属弹片实现的，但是这种金属弹片的力不容易控制，且容易产生异响。而仅通过解锁磁的打印技术，既可以实现解锁的吸合功能，同时也能实现一定距离上的排斥，这种排斥力可以克服重力，从而大大提升客户在开启扶手时的操作感。经设计的磁感线可以实现磁铁吸合、排斥与距离的不同效果，且这种效果随着距离的变化是可以转化的。

2.3 对齐功能

磁打印技术的对齐功能实现了结构的对中、定位和防错，如图5和图6所示，磁感线成段分布可以保证剪切力与吸引力在不同距离时，产生差异，从而实现在特定位置的对齐要求。

图5 磁感线示意图

图6 磁打印技术对齐功能的磁铁布置示意图

随着客户体验需求的不断提高，设计师们对储物盒的多功能性提出了更高的要求，而随之带来的问题是机械结构的局限性。例如：要想设计一个可移动杯托，平时可以放在副仪表板中部储物盒中，不用时可以放在扶手中，从而使储物盒的空间因少了杯托而变得更大，可以让客户摆放小型手包等物件。传统的机械定位及安装结构都难以实现这类效果。不管是做Snap、卡子还是螺钉，都会形成“坑洼”的表面，而且还容易产生异响。然而，采用磁机构可以有效规避这些问题，令装接的表面光洁，同时，由于磁感线的配对设计和剪切力、保持力的有效编译，可移动杯托的安装就像客户拆装IPAD一样高效，并且不会因为客户的误操作而导致杯托安装位置不正确。图7示出可移动杯托布置示意图。

图7 可移动杯托布置示意图

3 结论

通过磁打印技术中剪切力与保持力的特殊关联性，以及其对磁感线的精准控制，使得未来汽车内饰机构件中将会有越来越多的结构采用磁铁来实现。其准确的磁力控制能对车内扶手打开力的调节等实现定量控制。磁机构不仅改变了传统机构对空间需求的现状，而且拓展了机构件的功能。不过也要指出，研究表明，满足机构操作力的前提是2块磁铁的布置距离不能超过5 mm，这对空间和使用环境提出了挑战，其主要受限于磁铁的体积和本身的磁感强度。文章探讨了磁铁在汽车内饰机构件的诸多应用场景，通过磁打印技术的可编译性，使机构外表面光洁、机构使用形式多样。磁铁除了永磁铁外，另一主要应用是电磁铁，可以进一步将电磁铁的使用引入到机构件尤其是锁机构中。