汽車扶手滑動操作力的研究與應用

高巖

摘要：汽車中央通道的扶手幾乎是中高檔車型的標準配置，其中可滑動的扶手為車型檔次的提升提供了較大的貢獻，在為車型贏得良好的舒適性評價的同時，也為主機廠帶來更好的銷售業績和利潤回報。本文針對我司在滑動扶手操作力方面出現的超差問題進行了抽絲剝繭的分析和研究，找到了影響滑動操作力的關鍵因素并進行了有針對性的更改優化，不但滿足了主機廠的操作力要求，還從項目中提取了鋼管結構形式的滑動扶手操作力計算表和參數化模型，為今后的滑動扶手項目設計提供了快速解決方案和前期力值計算的理論驗證基礎。

關鍵詞：汽車內飾；滑動扶手；操作力；鋼管；彈片

汽車內飾產品設計必須滿足現有國家法律的各項規定，同時還要滿足主機廠的產品功能定義。除最重要的安全性法規外，人機舒適性是體現汽車內飾設計優秀與否的重要方面。恰到好處的人機設計可以讓駕駛者輕松駕馭車輛，舒適地使用各種功能。除操控系統、娛樂系統以外，作為內飾區域功能件之一的中央通道扶手是體現設計舒適性的主要一員。根據最近三屆上海/北京車展的扶手信息調研和統計發現，中央通道的滑動扶手作為中高端車型提升舒適性的一種配置，已經被越來越多的主機廠所采用，且市場占有率已逐年提升至接近50%。

主機廠對滑動扶手的主要考核指標有剛/強度和滑動操作力兩項內容，但各主機廠對滑動操作力的各操作階段還有各不相同要求和評判指標。扶手剛/強度的要求可以通過沿用成熟的結構設計并進行計算機輔助分析（CAE）來模擬和驗證性能指標是否合格，但滑動操作力的要求在結構設計時不但需要考慮材料和結構參數，而且需要用到彈片結構來調節和控制不同階段的操作力，CAET具較難準確模擬和預測，只能到后期采用產品實物進行物理實驗驗證。一旦驗證性能指標不合格，更改投入會比較大。而且不同項目的滑動扶手產品各不相同，導致設計結構參數難確定，制造過程工藝難控制，產品模塊化困難、相對成本偏高等較多問題，因此需要針對滑動扶手操作力進行深入研究！

1問題來源

在某項目產品實驗驗證階段，實測滑動扶手的開啟力和關閉力都超出了主機廠要求的公差范圍。

2結構拆解及因子分析

首先，我們對項目產品進行結構形式拆解，發現該項目采用了鋼管滑軌配合彈片的典型結構形式。其中滑動上蓋通過兩根鋼管滑軌與下蓋基座連接，上蓋和滑軌可以在下蓋基座上前后滑動；在下蓋基座上設計了一個與上蓋筋槽橫向壓緊并摩擦的金屬彈片，通過調節上蓋筋槽的造型及彈片的進入和滑出角度、彈片剛度、彈片過盈量等參數，可以使彈片在不同的運動階段產生不同的阻力效果，從而實現調節滑動力的功能。

在該產品模型中，上蓋、下蓋基座、鋼管滑軌、儲油環、彈片等零件的重量、材料、表面處理、結構參數（厚度、寬度、預壓縮量）、性能參數（硬度、剛度）等，以及各零件間的匹配間隙、過盈尺寸等都對最終的滑動力存在影響，因此我們將這些參數進行了收集，并根據產品實際波動范圍進行了評估，匯總到組件變量表中。

然后，我們根據產品滑動操作力超差的問題點進行失效模式和失效結果分析，可以評估出各組件的各相關參數對結果的影響程度，再應用變量重要性表，根據影響程度、重要度等指標對相關變量進行綜合打分，最終確定出需要深入研究的重要變量，針對不重要的變量，先進行設計參數鎖定。

最終，經過細致的分析工作，我們可以得到鋼管滑軌配合彈片形式的滑動扶手模型操作力的系統分析總結：鋼管材質/外觀處理、彈片剛度、彈片過盈量和接觸面角度為影響開啟、過程和關閉操作力考核指標的重要參數。

3模型簡化及力學研究

由于該項目已到實驗驗證階段，大部分設計參數（包括產品重量、材質、匹配間隙等）都已經鎖定，如果進行設計參數更改會帶來較大的工程更改費用問題，而在系統分析總結中作為關鍵可控因素的彈片結構相對容易調節且更改成本低，對操作力影響占比大，因此被作為進一步研究和優化的對象。

根據《材料力學教程》中“梁的變形”章節中對撓曲軸的微分方程理論，將彈簧片簡化為矩形截面簡支梁后，根據彈片設計參數可對其進行變形及受力的分析計算，得到現有彈片在產品結構中提供的作用力，再根據力的合成與分解法則，進一步得到其對滑動操作力的影響。根據產品狀態實測重量、摩擦系數等參數，代入計算公式發現，按照主機廠的滑動操作力要求，彈片在設計時應滿足特定范圍的插入角（18°～29°）和拔出角（35°～45°）。

通過檢查彈片實物發現，原設計并沒有滿足此要求。因此，在其他設計參數不更改的前提下，我們對彈片的兩處折彎角度進行了設計更改：插入角度降低至27°，拔出角度降低至35°。當然，僅僅依靠理論計算并不能確保產品狀態滿足主機廠要求，后續我們進行了物理實驗驗證的工作。

4測量系統及實驗驗證

只有保證數據測量結果的真實性和有效性，才能通過實驗數據來驗證前期的分析是否正確。良好的測量系統既要滿足測量穩定性和測量精度的要求，又要能夠有效排除測量環境、測量人員及其交互作用對測量結果的影響，即滿足統計學的重復性和再現性（GR&R）。測量系統的分析從統計學上來說就是雙因子方差分析，通過變換一定數量的測量人員、測量樣本、測量次數并進行隨機測量，然后對測量結果進行雙因子方差分析，來判斷測量系統是否有良好的表現。主要的判斷依據是合計量具R&R和可區分類別數（NDC），當前者小于30%、NDC不小于4才為合格，且合計量具R&R越小越好，NDC越大越好。

我們的數據采集使用實驗室的數控測量系統。在該系統中，扶手產品通過對接工裝穩定而精確地裝配到位，電機絲杠驅動工裝的推板完成扶手滑動過程模擬，通過電腦精確控制滑動起止位置、速度、角度等，并進行全程操作力的數據采集。

依據GR&R標準方法，我們針對開啟力、過程力、關閉力三組輸出變量分別進行了三組產品樣本、四位測量人員、六次重復的數據采集和結果的GR&R分析工作。結果發現，數控測量系統的合計量具R&R值為27.2%，NDC=7，由此可知數控測量系統滿足GR&R要求，是一套可信的測量系統。

應用這套數控測量系統，我們對彈片結構調整后的滑動操作力進行了測量，結果顯示滑動開啟力、過程力和關閉力均能滿足主機廠要求，驗證了設計更改是有效的，成功地解決了項目問題。

5應用推廣

筆者針對我司常用的多款滑動扶手結構形式進行了匯總和對比，發現鋼管滑軌配合彈片的結構形式具有剛/強度好、實驗性能優、成本投入低等多項優點，因此，可作為滑動扶手的平臺化標準結構進行設計固化。但在推廣應用時如何能夠在設計前期就根據主機廠要求快速設計出滿足操作力性能指標的產品，成為了新的難點。

依據前面完成的系統分析總結，我們將設計前期與主機廠A面定義相關的扶手滑蓋重量作為輸入因子，鋼管材質/外觀處理、彈片剛度、彈片過盈量、和接觸面角度作為控制因子，并根據控制因子的不同參數范圍設置了對應的高低水平，再運用Minitab軟件對各因子和水平進行排列組合并隨機加入六個中心點后，完成全因子實驗設計矩陣。針對三個階段的操作力分別進行測量，我們共進行了162次實驗和數據采集。

將所有物理實驗測得的結果放入Minitab軟件進行分析和擬合，分別得到了滑動開啟力、過程力和關閉力的擬合方程，并將公式匯總成計算表。經其他多個項目驗證，計算結果可以滿足客戶偏差范圍要求。再結合參數化的鋼管滑軌結構設計模塊和圖紙，此模塊化結構可供設計工程師直接應用，不但可以提升前期設計效率，同時可以減少后期更改。

6結語

本次研究來源于項目需求，借助產品結構分析、力學計算、實驗測量、統計學歸納等方法和工具，針對汽車滑動扶手操作力問題，從眾多影響因素中找到了關鍵因子，并通過理論計算和實驗測量得到了可行的解決方案。同時，從項目中提取了鋼管滑軌結構形式的滑動扶手操作力計算表和參數化模塊，為今后的滑動扶手項目設計提供了快速解決方案和設計前期力值計算的驗證基礎。