汽车卷帘门储物盒设计及其有限元分析

2023-02-07平蔚

汽车实用技术 2023年2期

平蔚

（江西五十铃汽车有限公司，江西南昌 330010）

随着国内汽车市场的不断发展壮大，消费者对汽车内饰的要求也越来越高，副仪表台作为内饰件的重要组成部分，受到格外关注，要求其更具豪华感、表面整洁化及储物空间大等特点[1]。储物空间又分敞开式和有盖式。卷帘门储物盒是有盖式储物盒的一种，主要由左右导轨、储物盒、卷帘门、面板几部分组成，通过拨动卷帘门上拨钮可使其在导轨上的弧形轨迹上滑动，这样卷帘门滑动过程中所占空间比较小，周边件设计自由度较高。由于有卷帘门遮蔽储物盒，使储物空间更加整洁、美观，因而受到各大主机厂的青睐，市场上很多车型都带卷帘门储物盒[2]。在设计卷帘门过程中，往往因缺乏相应的经验，导致卷帘门结构设计不合理，刚度不符合要求的情况时有发生。

本文介绍了市面上常见的两种不同的卷帘门储物盒，并概括了设计过程中的一些要点，并以HyperMesh和ABAQUS软件为平台，对卷帘门储物盒进行刚度有限元分析，确定是否符合设计规范要求。

1 常见卷帘门储物盒类型及其制造工艺

常见的卷帘门储物盒按卷帘门的表面处理方式的不同可以分为两种，分别为表面皮纹的普通卷帘门储物盒和高亮喷漆卷帘门储物盒。表面皮纹的卷帘门是双色注塑成型工艺，其生产效率较高，成本相对较低，所以在汽车内饰中比较常见，如图1所示。高光喷漆的卷帘门是由多根横条组成，横条是单独注塑成型，喷漆后再卡接在卷帘门骨架上，工序比较复杂，成本较高，档次感强，一般在豪华车上可以看到[3]，如图2所示。

图1 普通卷帘门储物盒

图2 高亮储物盒

双色注塑成型是使用两个或两个以上注射系统的注射机，将不同品种、不同色泽的塑料同时或先后注射入模具的成型方法。双色注射成型机与普通注射机不同，它除了有两个注射系统外，还需要能使型腔部位实现旋转的机构。双色模注塑原理：双色模通常有两副模具，一半装在双色模注塑机的定模固定板上，也就是有注塑浇口的一侧，另一半装在动模回转板上，即模具顶出的一侧。这两副模具的动模在一般情况下是完全一样的，而一次定模和二次定模不一样，当第一种材料注塑完毕后，定、动模在注塑机拉力下被打开，一次动模带着一次产品旋转180°，此时动模不顶出，然后合模，进行第二种材料的注塑、保温冷却后，定、动模被打开，动模侧产品被顶出[4]。普通卷帘门双色注塑第一次成型卷帘门骨架，因卷帘门骨架材料为聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物（Polycarbonate/Acrylonitrile Butadiene Styrene Copolymers, PC/ABS），耐高温，后成型卷帘门热塑性聚氨酯弹性体橡胶（Thermoplastic Polyurethanes, TPU）部分。

两种卷帘门的材料选择及表面处理工艺是不同的，如表1所示。

表1 不同类型卷帘门材料选择及表面处理工艺

2 卷帘门储物盒设计要点及实验要求

2.1 普通卷帘门储物盒设计要点

卷帘门的操作力一般定义为（5±2）N，为保证卷帘门能够在圆弧导轨上滑动顺畅，导轨上的圆弧半径R最小为40 mm。卷帘门滑动拨钮的位置需满足人机要求，拨钮距卷帘面板的距离最小为6 mm，当无法满足时，拨钮高度至少高出面板5 mm，方便手指操作卷帘门。卷帘门面板与卷帘门的间隙一般设定为1 mm，与卷帘门的搭接量至少4 mm，确保卷帘门边缘不外露。卷帘门是由骨架及骨架上的包覆软胶组成，一般软胶的厚度为2 mm，卷帘门表面软胶会间隔一段距离开槽，槽宽1 mm，槽深0.5 mm，两槽之间下面有骨架，骨架宽度约6 mm，骨架厚度9 mm，保证卷帘门有足够的刚度抵抗按压变形。卷帘门在运动过程中与储物盒的间隙需保证6 mm以上。卷帘门上的柱脚与导轨Y向间隙为0.2 mm，Z向间隙一般为0.1 mm，且尽量用软胶与导轨接触，防止卷帘门在滑动中产生异响。

卷帘门储物盒结构如图3所示。其由卷帘门，左、右导轨，储物盒及卷帘门面板组成，卷帘门放置在两侧导轨上，左、右导轨与储物盒通过Y向螺钉及自身卡子固定，并可限制卷帘门脱落。储物盒上两侧都有定位销，分别与两侧导轨定位孔匹配，导轨上端区域尽可能不用螺钉固定，而采用自身的卡子进行固定，避免因螺钉扭矩过大导致导轨上端变形影响两侧导轨的平行度，进而影响卷帘门滑动的顺畅性。卷帘门面板通过自身门型插片及螺钉固定在两侧导轨上，面板边界应超过导轨圆弧切点2 mm～3 mm，避让卷帘门在开启后因在圆弧切点处变形量大而导致面板与卷帘门的间隙偏大，影响美观。

图3 普通卷帘门储物盒

2.2 高亮卷帘门储物盒设计要点

高亮卷帘门储物盒的卷帘门是由多根横条卡接在下面骨架上，横条的材料需选择为喷漆级的PC/ABS，骨架采用二次注塑成型工艺，它是一种将某种塑胶原材料在一次的塑胶模具内成型后，将成型后的零件取出，放入二次成型的模具内再次注入同种或者另外一种塑胶材料成型的工艺。如图4所示，骨架为软胶件，保证卷帘门在圆弧导轨上滑动。

图4 高亮卷帘门组成

2.3 卷帘门储物盒实验要求

（1）卷帘门储物盒在-20 ℃至83 ℃的湿度和温度条件下，需满足7 000次开/关循环的最小使用寿命，且在此寿命期间打开和关闭卷帘门时，不应有永久性损坏，包括滑动卡滞、外观缺陷以及滑动异响。

（2）高亮卷帘门储物盒除需满足以上条件外，还需满足喷漆件的性能要求。

3 卷帘门储物盒有限元分析

卷帘门储物盒一般布置在换挡区域附近，属于顾客高频接触及使用区域，因此，它的刚度必须满足一定的要求，否则会降低顾客的驾驶体验。为了减少有限元分析模型中的单元和节点数量从而减少有限元分析计算的时间，此处单独用卷帘门储物盒模型进行刚度分析。将卷帘门储物盒的模型导入到HyperMesh软件中进行3D网格划分，有限元模型中网格多数为六面体单元，单元尺寸为3 mm。由于储物盒总成是通过左、右导轨上的插脚插入到副仪表板上，因此，此处约束两侧插脚处的6个自由度。根据本公司内部规范要求[5]，卷帘门在完全关闭时，在其中间位置上通过直径2 mm的圆盘施加50 N的垂直力时，卷帘门的变形量不允许超过5 mm。通过ABAQUS求解器施加约束和载荷后，有限元模型中单元数为4 233个，节点数量为4 354个，分析结果如图5所示，在此工况下卷帘门储物盒的变形量为4.57 mm，满足设计规范要求。