门饰板扶手按压刚度性能的研究

王镇龙，彭宏，滕永泉，黄少娟

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

前言

随着人们生活水平的提高，汽车已经进入千万中国家庭。伴随着消费水平的升级，人们对汽车的品质要求越来越高。研究表明[1]：2019后中国汽车进入存量市场竞争，满足用户多样需求，是各大整车企业竞争的焦点。汽车内饰零件如仪表板、门饰板、座椅等是用户重点关注区域，些许的设计瑕疵都将极大影响客户对整车的体验。

门饰板的扶手区域，不仅给顾客提供了手肘的舒适支撑，也保障车门玻璃升降开关等电器零件操作稳定，扶手整体品质设计的定将成为新的焦点。目前对于门饰板扶手的研究，主要集中在扶手注塑工艺的优化[2]、扶手人机设计[3]，以及扶手结构对于整车侧碰性的影响[4-5]。对于扶手整体按压刚度要求及设计规范方面很少有文章讨论，本文将对扶手刚度设计方面进行探讨。

1 门饰板扶手介绍

扶手按人机需求一般位于整个门板的中间部分，为手肘提供支撑，如图1所示。扶手多为软质包覆结构，包括表层（PVC、PU或织物等）、发泡层、骨架，如图2所示。为保证强度，骨架多采用ABS材料注塑成型。发泡层多用聚氨酯发泡，可以采用与骨架一体发泡工艺；也可以单独发泡后，与骨架胶粘固定。表层一般采用手工包覆工艺复合成总成零件。

扶手总成根据功能，可分为手肘区域和非手肘区域，如图3所示。手肘区域不仅要求对用户的手肘有足够支撑，还要求满足侧碰中用户腹部的保护功能，因此工程师在设计时需要同时平衡乘员安全性能及使用结构刚度这一矛盾[6]。对手肘区域刚度性能要求比较明确，且有相应的试验及仿真验证[4]，下文重点研究了非手肘区域刚度的影响因素。

图1 扶手布置区域

图2 扶手结构组成

图3 肘部与非肘部示意

2 扶手刚度影响因素

2.1 造型设计影响

造型因素主要包括扶手分件位置、门饰板本体型面等因素。如图4中A、B两车型造型对比， A车型的扶手分件靠下，Z向无本体支撑；且本体的造型面扁平无特征，刚度弱。B车型在Z向上与本体翻边支撑匹配，同时本体采用半弧形造型，刚度强。

图4 A、B车型造型示意

通过图5的受力分析可知，当Z向在扶手上端施力675N时，直接传递到与扶手连接的本体骨架上。若扶手与本体无支撑，且本体刚度弱时，扶手整体表现出晃动量大，质感松软。图6是两个车型受力仿真分析结构，颜色越红表示位移量越大。在车型A的扶手最大位移量为42.12mm，而B车型仅为18.05mm。图中可见扶手分件位置、门饰板本体造型面对扶手总成刚度影响很大。扶手分件在Z向有本体的支持，且本体型面避免平直面，能有效提高扶手刚度。

图5 扶手Z向受力分析

图6 A、B车型扶手受力仿真分析

2.2 配合结构设计影响

门饰板总成由多个散件组装后，如门饰板本体、嵌饰板、扶手、地图袋等，一般通过焊接和螺钉等方式装配。各零件之间的配合结构，会因周边件空间等因素而设计不同。扶手总成通过焊接柱与其他零件紧固，并将会带来不同的刚度影响。如图7所示3个车型的配合结构，包括扶手总成、嵌饰板、门本体，且都通过焊接柱连接，但各散件之间连接关系有区别。

图7 不同扶手结构设计示意

A车型为“扶手→门本体→嵌饰板”的层叠结构； C车型为“扶手→嵌饰板→门本体”的链式结构；D车型为“扶手→门本体←嵌饰板”的框架结构。通过CAE分析，如图8所示。在扶手上施加Z向675N时，分析结果如表1：

表1 受力变形结果

图8 不同车型仿真分析对比

当层叠结构受Z向作用力时，各层之间结合力比较松散，不能形成一个联动的受力传递路径，各层结构之间易发生类似“脱离”变形，因此刚度差。框架结构中门本体作为基础架构，扶手和嵌饰板嵌入到主框架中，形成互相牵制紧固的整体。而链式结构中，受Z向作用力时，力从扶手传递到门本体上，产生多个零件联动阻力，变形量小。由此可见，扶手与周边件配合结构，要尽量采用链式或框架结构，增加受力路径，从而提高刚度，避免采用层叠结构。

2.3 安装点的布置影响

门饰板总成在扶手区域，一般设计1颗自攻钉与钣金固定，通常布置在扶手肘部和非肘部交接区域。1颗自攻钉受力情况下，易产生旋转变形；按三角稳定的原理，可以设计3个安装点来提升扶手刚度。如图9所示某车型，通过CAE分析了1颗和3颗自攻钉的扶手受力情况（Z向施加675N）。

图9 布置不同螺钉方案对比

从仿真结果看到，增加自攻钉后，扶手的最大变形量由42.12mm减小为16.86mm，改善非常明显。自攻钉的布置受到钣金结构、安装便利性等的限制，适用性依各车型不同。此外，增加自攻钉还会涉及到成本增加、工时延长，需要综合评价方案的效益再使用。

2.4 材料物性的影响

如之前分析，扶手和门本体均受力，其原材料的抗变形性能对提高零件刚度有直接关系。某车型的扶手总成骨架采用ABS，门本体采用PP+EPDM-TD20。ABS材料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种单体的三元共聚物，具有很强的抗冲击性、耐划、尺寸稳定等特性。PP是聚丙烯的简称，PP+EPDM+TD20是PP改性材料。TD20指的是20%滑石粉增强，另外加EPDM增韧耐低温，改性后材料韧性刚性耐a候性都提高，是常用的内饰零件选材。

在材料刚性和硬度方面，ABS材料是优于PP改性材料。 因此在当扶手受力时，门本体原材料抗变形性能，即弹性模量成为关键影响因素。通过CAE分析不同本体弹性模量材料对扶手变形量的变化。从图10可以看到PP改性材料弹性模量提高，能显著提升扶手整体刚度。但是材料弹性模量提高，也伴随成本的上升，实际开发过程中需要兼顾考虑。

图10 不同材料仿真对比

3 扶手刚度评价要求

扶手按压刚度，实车评价主要集中于主观评价，为尽量减少人为的因素影响，需要确定明确的要求，能够指导设计。通过对A、B、C、D这4台实车进行按压评价，并结合仿真分析，建议将扶手刚度要求定位：Z向施加675N的力，最大位移＜15.5mm，能够保证实车扶手刚度评价满足正常使用。

4 结语

扶手的性能包括很多方面，本文讨论的影响因素有助于在项目前期，为非肘部区域的设计提供新的思路。在零件设计前期需要综合考虑成本、结构、造型等因素，多借助计算机辅助软件，得出最佳的设计方案，达到提升扶手整体用户体验的目的，提升整车竞争力。