门护板防撞卡扣的研究与应用

2021-01-16张超樊友嗣鲁宇鹏

汽车科技 2021年6期

关键词：设计

张超樊友嗣鲁宇鹏

摘要：本文分析了某款车型在侧碰中，由于门护板连接钣金的普通塑料卡扣连接力较小，碰撞冲击力较大，门护板易弹出对乘员造成伤害，因此设计了防撞卡扣。门护板防撞卡扣作为门护板和钣金的重要连接件，在车门侧碰中起到连接和缓冲作用，防止汽车侧碰时，门护板的塑料卡扣脱出而导致的门护板与乘员发生碰撞。本文介绍了某车型车门装配线装配门护板时，门护板防撞卡扣和钣金卡扣座孔不对中，防撞卡扣不能装入，导致门护板边缘和钣金间隙大。通过分析，对防撞卡扣定位结构进行改进设计，使其满足对中要求。

关键词：门护板;防撞卡扣;设计;对中

中国分类号：U463.83 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（ 2021） 06-0032-05 Improved Design For Misalignment Of Door Trim Anti-collision

Buckle And Sheet Metal Buckle Base Hole

ZHANG Chao， FAN You-si， LU Yu-peng

（ Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD. Wuhan430056， China）

Abstract： This paper analyzes the side collision of a certain model. Because the ordinaryplastic buckle connecting the door guard plate to the sheet metal has a small connection forceand a large impact force， the door guard plate is easy to pop up and cause damage to theoccupants. Therefore， an anti-collision buckle is designed. The door guard plate anti-collisionbuckle， as an important connecting piece between the door guard plate and the sheet metal，plays a role of connection and buffering in the side collision of the car door， and prevents thedoor guard from coming out of the plastic buckle of the door guard plate when the car is hit bythe side. The board collided with the occupant. This article introduces that when assemblingthe door guard plate on the door assembly line of a certain vehicle model， the door guardplate anti-collision buckle and the sheet metal buckle seat hole are not centered， and the anti-collision buckle cannot be installed， resulting in a large gap between the edge of the doorguard plate and the sheet metal. Through analysis， the anti-collision buckle positioningstructure is improved and designed to meet the centering requirements.

Key Words： Door Trim; Anti-collision Buckle; Design; Centering

門护板也称为车门内饰板，主要由结构部件、功能部件以及装饰部件等三部分构成，是组成汽车内饰系统的重要部分，它的最主要功能是包覆住车门金属内板，起到美观装饰的作用[1]。防撞卡扣是门护板重要的卡扣类零件，起到连接钣金和门护板的作用。

1 整车侧碰门护板的弹开分析

在某次整车侧碰试验中，门护板发生了弹出的现象，如图1所示。门护板的弹出，对乘员造成了伤害。

在新版本C-NCAP的规定中，增加了侧面碰撞壁障的重量，因此对前后门结构的防撞性能具有更高的要求。现有技术中，汽车驾驶室车门内饰护板与车门钣金装配的时候，通常采用塑料卡扣进行连接，一个车门内饰护板总成的边上大约使用8个左右的塑料卡扣与车门钣金相连，塑料卡扣的工作原理通常是，通过安装在车门内饰护板上的卡扣卡头变形，挤入到车门钣金的安装孔中，然后卡头恢复进行卡止。由于安装原因，卡头的过盈尺寸不能太大或者需要较大的可变形量，因此导致卡扣抗拉性能较差。塑料卡扣的脱出力要求为210±ION，而碰撞的冲击力远大与塑料卡扣的拉脱力，因此在较大碰撞发生时，这些普通塑料卡扣从钣金孔中脱出，导致门护板脱出，撞击乘客的肩部、胸部、腹部和骨盆等部位。由于门内饰护板刚性较大.无法提供缓冲，导致乘客受伤严重。

在门护板侧碰过程中，在车门护板弹开的情况下乘员的得分较低，乘员易受到碰撞伤害;在车门护板固定完好，未弹开情况下，乘员的得分较高。由此可知车门护板的有效固定强度，或增加支架等方式提升车门护板的固定强度，可降低对乘客的伤害[2]。为此需要在门护板和钣金之间设计一种增强型卡扣，用于防止门护板在侧碰中弹开。

2 防撞卡扣的设计

2.1 防撞卡扣的结构

作为门护板和钣金的重要连接件，增加门护板固强度的防撞卡扣在车门侧碰中起到连接和缓冲作用，防止汽车侧碰时，门护板的塑料卡扣的脱出而导致的门护板与乘员发生碰撞。其设计上，需满足功能可靠，拆装方便等要求。

根据要求，设计了防撞卡扣。它由卡扣、卡扣座、拉环插销型卡夹组成，如图2所示：

2.2防撞卡扣的安装及原理

其安装过程及工作原理为：卡扣座安装在车门钣金上，由弹性钢丝折弯而成的拉环插销型卡夹横插入卡扣座的孔槽中。卡扣大、小法兰盘安装在门护板的卡扣基座上，卡扣基座焊接在门护板本体上。安装门护板时，卡扣的锥形头插入卡扣座的孔并撑开拉环插销型卡夹两个半圆形组成的圆孔，两个半圓形的弹性钢丝越过锥形头的末端后，卡紧卡扣的中间轴，因两个半圆形组成圆孔的直径小于卡扣的中间轴的直径，卡扣的中间轴的直径小于锥形头末端的直径，钢丝夹住中间轴的中间位置。在侧碰时，撞击和冲击力大于门护板白色塑料卡扣的脱出力，防撞卡扣往外脱出时，其拉环插销型卡夹的两个半圆形钢丝移动到锥形头的末端台阶端面并紧紧箍住它，从而防止门护板弹开、脱出，如图3所示，虚线的卡扣代表侧碰时的状态。另外，在侧碰过程中，卡扣被钢丝夹住，在这两个位置来回高频震荡吸能，减少碰撞能量对乘员的伤害。当需要拆下门护板的时候，使用钢丝钩子住外拉环插销型卡夹的拉环，拉环插销型卡夹因为其具有弹性，其两个半圆形的钢丝部分在中间轴中被撑开，从卡扣基座中脱出。

2.3 防撞卡扣的定位原理

卡扣座的定位原理为：基座的轴和钣金的孔形成轴孔配合定位，定位精度按照轴孔的配合公差计算。

卡扣的定位原理为：大法兰盘外端有六个“手枪形”的厚度为3mm的薄壁爪。六个薄壁爪的外端圆弧构成一个圆。由于薄壁爪是塑料材质，其构成一圈为弹性爪，弹性爪外圆与卡扣基座的内孔配合，形成轴孔配合定位。大法兰盘外圈是弹性爪，其可以在卡扣脱出方向移动，为防止其脱出;小法兰盘和卡扣基座的配合面有两个凸台作为挡块，限制其脱出，此外其在脱出方向上的定位，如图4所示。

2.4 防撞卡扣在门护板上的布置

在侧碰中，乘员最易受伤的部位是胸部到腰部中间的肋骨。根据假人身体的肩部、胸部、腰部、胯部和门护板的对应关系，将两个防撞卡扣（编号10001和10002）布置在B面腰部和胸部对应的位置，如图5所示。这样能够防止该区域门护板的弹出对乘员肋骨的伤害。

2.5 防撞卡扣防止门护板侧碰弹开的验证

该车型在每个门护板增加2个防撞卡扣后，再次做整车侧碰试验。试验发现带有防撞卡扣的门护板并未弹开。与之前仅有普通卡扣的侧碰的数值对比，如表1所示。防撞卡扣受到了最大850N的撞击力，该力远远大于普通卡扣的最大脱出力220N，如图6所示。通过整车侧碰试验验证了本设计的防撞卡扣具有防撞门护板弹开的功能，可以避免侧碰中门护板对乘员的伤害，使得门护板在侧碰试验中得到了很高分数。

3 防撞卡扣的失效模式分析

3.1防撞卡扣的噪音DFMEA分析

噪音的产生原因是两个零件配合搭接中采用了小间隙的过渡配合，两者在振动过程中产生了磕碰异响。在设计阶段，按照DFMEA的设计准则，对防撞卡扣定位点做了接触分析，其圆周定位的大法兰盘不采用实体而是采用了一圈的圆周的弹性爪，弹性爪的弹性作用可以起到缓冲作用，从而避免了振动时磕碰的产生。Y向的定位由大、小法兰盘夹卡扣基座实现，其设计上是过渡配合，为了防止磕碰噪音，在基座表面上增加了两条厚度为0.5mm的矩形筋，这样法兰盘和卡扣基座形成干涉或过盈配合，避免了在Y向就产生振动磕碰异响。

3.2防撞卡扣与钣金卡扣座孔不对中的PFMEA分析

防撞卡扣在工业化中的缺陷是防撞卡扣与钣金卡扣座孔不对中。缺陷的表现形式为：防撞卡扣锥形头不能对中卡扣座孔。卡扣座孔前端有拉环插销型卡夹的两个半圆形钢丝结构，由于卡扣的锥形头与其偏心，被钢丝抵住而不能插入两个半圆形钢丝的内孔中并进入卡扣座内孔，其产生后果是门护板边缘与钣金间隙大，不能贴合，如图7所示。门护板与饭金配合的是否良好，直接影响着内饰的品质，甚至会对整车NVH和淋雨性能产生影响[3]。同时，该缺陷也会导致门护板装配困难。

3.2.1防撞卡扣与钣金基座孔不对中的原因分析

防撞卡扣的拉环插销型卡夹的两个半圆形钢丝组成的圆的内孔为Φ3mm。除去防撞卡扣及其配合件的制造误差，卡扣与钣金基座孔的同轴度应该为Φ2mm，只有这样才能保证卡扣锥形头顺利插入两个半圆形钢丝组成的圆的内孔。通过对卡扣在门护板卡扣基座的定位误差分析，找出两者不对中的原因。

3.2.2卡扣与大、小法兰盘轴孔定位造成的误差

防撞卡扣大法兰盘与基座的定位是轴孔配合，在设计是小过盈配合的。然而，由于制造及装配误差需要，卡扣与卡扣座配合有间隙，卡扣受重力作用会偏离中心导致卡扣尖端与钣金基座孔不对应，卡扣不居中是导致卡扣与钣金孔不对应的原因[4]。实际测量出来的卡扣基座和大法兰盘卡扣是小间隙配合，间隙值0.5mm。因防撞卡扣大法兰盘弹性爪具有弹性，在其脱出方向，不能靠轴孔限位，只能靠上端小法兰盘的挡块限位定位。将小法兰移动至挡块位置，测量大法兰盘和卡扣基座孔的最大间隙值为4mm，如图8所示。上述两个配间隙的叠加即为定位误差，造成了卡扣的不居中。

3.2.3防撞卡扣与钣金基座孔不对中的改进设计

由上分析出了两者不对中的两个原因即大、小法兰盘的定位造成配合间隙大。对于原因一，两者轴孔配合不符合小过盈配合的定义，调整产品的符合性即可;

对于原因二，我们在其脱出方向增加了两个“7”字形的爪子，两个爪子形成一个V型定位机构，将卡扣限定在原位，不让其向脱出方向移动，保证其满足与钣金卡扣孔的同轴度要求。如图9所示：

由于“7”字形爪子厚度只有3mm，又是V型结构，可以利用其弹性变形来安装和拆卸卡扣。设计巧妙，不存在拆卸或安装困难的情况。

经过上述改进，门护板在装配线做了验证，改进后的门护板，防撞卡扣能顺利的装入钣金基座孔，不再出现门护板和钣金间隙大的缺陷。实践证明，该改进设计能很好的解决该缺陷。

3.2.4防撞卡扣对中性检具设计

由于当前门护板的检具没有检测防撞卡扣与钣金基座同轴度的功能，对判定产品是否符合定义产生了困擾。为此，设计一套测量防撞卡扣同轴度的专用检具。

在设计检具时，为便于观测零件基准与检具装配时的情况，在充分考虑检具强度的情况下，可在检具背部加工观测孔[5]。本次检具设计，为了降低成本，缩短制造周期，使用车门钣金作为检具本体，车门钣金自带有孔，这些孔正好可以作为观测孔。

该测量防撞卡扣同轴度的专用检具由车门钣金、底座、支架、带轮型支撑块、车门铰链、铰链安装座、铰链安装销、套在卡扣的检测棒、安装在钣金上的检测套等组成。车门钣金的铰链的一端安装在铰链安装销上面，另外一端，夹在带轮型支撑块的V型槽里面。该测量防撞卡扣同轴度的专用检具的检测原理为：利用套在卡扣上检测棒外圆和安装在钣金上的检测套的内孔的直径差来检测其是否满足同轴度要求。其中，检测棒的直径为中10±0.05mm;检测套的直径为中12±0.05mm。两者直径差为2mm，恰好和同轴度要求Φ2mm相等。当将门护板安装到检具时，从背面视窗孑L中观察，检查帮是否插入检测孔中，若检测棒能顺利插入检测孔中，则该门护板的防撞卡扣与钣金卡扣基座孔同轴度合格，反之不合格，如图10所示：

4 总结

设计的防撞卡扣在汽车侧碰中防止门护板的弹出对乘员造成伤害发挥了关键性的作用。采用对中性改进结构设计的防撞卡扣基座已经应用到某汽车公司的多个车型，在装配性验证中获得较好的效果，防撞卡扣不对中导致的门护板与钣金间隙大的问题也不再出现。本文设计的检具实现了防撞卡扣同轴度检测，也填补了当前检具没有卡扣类零件对中检测功能的空白。门护板检具可以根据本文的思路进行改造，增加卡扣类零件与钣金孔或钣金卡扣孔的同轴度检测功能。具有良好的推广和借鉴价值。

参考文献：

[1]周游，基于现代设计方法的乘用车门护板开发[D].长春：吉林大学，2014.

[2]陈伟，丁闰，车门立柱护板的安全性能设计[J].汽车实用技术，2017，24 （4）：4-5.

[3]常文楠，季必宏，姬亮.汽车门护板与饭金配合方面的研究[C].2011汽车车身内外饰产品及新材料应用国际研讨会暨展览会论文集，2011： 114-117.

[4]包厚显，李莫丹，申露华.某车型门饰板装配困难问题分析及改进[J].企业科技与发展，2015，410（ 24）：29-30.

[5]廖永灵，顾林霞，李俊锋，刘琴，陈良宁.汽车门饰板检具设计结构分析[J].模具工业，2019，45（ 9）：62-65.

专家推荐语

康明

东风商用车技术中心工艺研究所所长

材料科学与工程研究员级高级工程师

本文分析了某款车型在侧碰中，由于门护板连接钣金的普通塑料卡扣连接问题而易弹出对乘员造成伤害的现象，通过分析，本文对防撞卡扣进行了改进设计，通过实验验证，新防撞卡扣满足了产品性能要求，并针对在生产中可能存在的质量问题进行工艺、流程改进。

本文具有一定的创造性;设计合理，数据可靠，理论正确，具有一定的理论价值、实用价值。