汽車前踏板設(shè)計及其剛度分析

況江秀，孔 飛，何小明

汽車前踏板設(shè)計及其剛度分析

況江秀，孔 飛，何小明

（江西五十鈴汽車有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

駕駛艙內(nèi)前踏板屬于汽車內(nèi)飾系統(tǒng)，為乘客上下車的踏步平臺。文章從前踏板制造工藝、材料、表面防滑結(jié)構(gòu)、人機(jī)布置要求以及外觀幾方面介紹前踏板的設(shè)計要求，以及在前踏板試制過程中需要滿足的實驗驗證設(shè)計的合理性，如：需滿足乘用車內(nèi)部凸出物要求、汽車內(nèi)飾材料燃燒特性要求、禁用物質(zhì)要求等。最后利用有限元分析軟件HyperMesh和ABAQUS對前踏板進(jìn)行剛度分析，計算其在500 N的外力作用下的變形量。結(jié)果顯示，前踏板在垂直載荷500 N的作用下變形量為0.36 mm，滿足公司標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變形量不大于0.5 mm的要求，可為后續(xù)車型前踏板的設(shè)計開發(fā)提供相應(yīng)的參考。

前踏板；布置要求；內(nèi)部凸出物；剛度分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)總量的快速提升，城市化進(jìn)程促使城市人口快速增長，城市居民消費水平快速提高，電商興起促進(jìn)快遞物流高速發(fā)展等[1]，為輕客的發(fā)展創(chuàng)造了良好的需求基礎(chǔ)。前踏板是輕客車型內(nèi)飾系統(tǒng)的重要組成部分，本文主要介紹其制造工藝以及材料選擇，探討在前踏板開發(fā)設(shè)計過程的人機(jī)布置要求，與周邊件的匹配關(guān)系，并且介紹了前踏板需滿足的各種實驗要求，最后利用有限元分析方法對前踏板進(jìn)行剛度分析，以驗證設(shè)計的合理性[2-7]。通過本文的研究，有助于提升后續(xù)車型的前踏板設(shè)計水平，從而在設(shè)計階段規(guī)避一些設(shè)計不合理之處，減少后期設(shè)計變更費用。

1 前踏板制造工藝及材料

輕客車型前踏板一般會布置在前門處，是乘車人員上下車的中間踏步平臺，如圖1所示，其材料主要為尼龍+玻纖GF40，采用的是一體注塑成型工藝，其成型原理是將烘干的塑料顆粒通過成型機(jī)料斗進(jìn)入成型機(jī)料筒，在加熱片加熱和螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切熱的共同作用下轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，接著熔融塑膠在成型機(jī)機(jī)頭部分聚集，計量螺桿停止轉(zhuǎn)動，改為向前平動，擠壓塑料熔體塑膠進(jìn)入模具澆注系統(tǒng)，然后流到模具型腔內(nèi)[8]，通過模具本身熱傳導(dǎo)以及模具外加的冷卻系統(tǒng)使塑膠冷卻凝固，冷卻完全后打開模具，成型機(jī)的頂出系統(tǒng)將產(chǎn)品頂出，同時成型機(jī)螺桿后退開始下一次塑膠熔融計量。

圖1 汽車前踏板

根據(jù)人體工程學(xué)分析，上車踏板的高度要滿足乘客乘降性要求，且便于乘客上下車。因此，踏板上表面與地面之間的向高度應(yīng)保持在400～600 mm之間。為滿足乘降性要求，根據(jù)美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers, SAE）所建立的SAE-95%人體數(shù)據(jù)可知，腳底部的長寬尺寸（包括鞋的厚度）為320 mm×116 mm，因此，踏板的最小有效踩踏面的長寬應(yīng)設(shè)為 300 mm× 170 mm，如圖2所示，即踏板的向?qū)挾炔恍∮?70 mm。

圖2 前踏板的布置要求

上車踏板通常都設(shè)計有防滑功能，如圖3所示，防滑結(jié)構(gòu)主要作用為防止乘客踩踏時滑倒受傷。根據(jù)材料不同，防滑結(jié)構(gòu)也不同，采用塑料材質(zhì)的踏板多在踏板的上表面設(shè)計突起結(jié)構(gòu)進(jìn)行防滑。

圖3 前踏板表面防滑結(jié)構(gòu)

2 前踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計及實驗要求

2.1 前踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計

前踏板通過塑料卡扣和螺釘固定在地板鈑金上，主副定位分別布置在踏板兩側(cè)，如圖4所示，定位間隙為0.1 mm，主定位處鈑金為圓孔，直徑為10 mm，副定位處鈑金是16 mm×10 mm的腰型孔，踏板側(cè)面布置蜂窩筋[9]，底部布置支撐筋與鈑金零貼。由于踏板是外觀件，且表面一般定義為粗皮紋，因此，其拔模角度至少為5°，背面的加強筋拔模角度至少為0.5°。踏板常見的外觀缺陷是縮印，會影響前踏板的美觀。為避免踏板外觀面有縮印，背面加強筋需要按以下要求進(jìn)行設(shè)計：踏板料厚3 mm，背面加強筋大端1.2 mm，小端1.0 mm，加強筋的間距30 mm，如圖5所示。

圖4 踏板定位布置要求

圖5 踏板背面加強筋設(shè)計要求

為便于踏板安裝，鈑金孔的沖孔方向應(yīng)與踏板安裝方向保持一致，否則鈑金毛刺會影響踏板安裝。踏板的厚度應(yīng)保持均勻，如厚度確需變化，則在50 mm范圍內(nèi)的變化率不能超過10%，否則踏板外表面會有縮印。此處設(shè)計的踏板前端沒有與其它零件進(jìn)行匹配[10]，后端需與B立柱下匹配，配合結(jié)構(gòu)如圖6所示，通過hook結(jié)構(gòu)控制踏板與B立柱下的間隙，hook上端與B柱上對應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計干涉0.1 mm，B柱下與踏板向間隙為1 mm，為避免異響，踏板兩側(cè)需增加毛氈。

圖6 踏板與立柱配合關(guān)系

2.2 前踏板的實驗要求

前踏板除在設(shè)計階段需滿足相關(guān)人機(jī)布置要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求外，還需滿足各種相關(guān)物理實驗的要求，一般踏板需經(jīng)過以下實驗驗證設(shè)計的合理性：

1）乘用車內(nèi)部凸出物滿足《乘用車內(nèi)部凸出物》（GB 11552－2009）的要求；

2）汽車內(nèi)飾材料燃燒特性滿足《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》（GB 8410－2006）的要求，即踏板的燃燒速率不應(yīng)大于100 mm/min；

3）禁用物質(zhì)滿足《汽車禁用物質(zhì)要求》（GB/ T 30512－2014）的要求，即汽車及其零部件產(chǎn)品中每一均質(zhì)材料中的鉛、汞、六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過0.1%，鎘的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過0.01%；

4）長周期熱老化實驗：在（90±2）℃的條件下放置7天，要求踏板的裝配、外觀、功能、尺寸等不受影響；

5）Sunload實驗：將安裝有踏板的整車放置在實驗艙中，將艙內(nèi)溫度逐漸提高直至踏板表面溫度達(dá)到90 ℃，保持2 h后，觀察踏板與周邊件的間隙并記錄下來，間隙變化值不超過1 mm為合格；

6）耐候性實驗：即氙燈老化實驗，一般實驗方法為SAE J2412－2003，實驗后要求零件不褪色、翹曲、間隙面差符合要求；

7）維修性：踏板需滿足至少能拆卸3次而不破壞的要求。

3 踏板剛度分析

踏板是乘客上下車中間平臺，屬于經(jīng)常接觸的零件，是高接觸區(qū)域。因此，其剛度需滿足設(shè)計要求。本文利用常用的有限元分析軟件Hyper Mesh和ABAQUS來計算踏板在500 N的外力作用下的變形量。根據(jù)本公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)在踏板上垂直施加500 N的載荷時，分析計算踏板的變形量不應(yīng)大于0.5 mm。為減少計算時間，將踏板中的海綿刪除，并將模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為六面體單元，單元尺寸為1 mm，然后將HyperMesh導(dǎo)出的模型導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行計算，約束踏板與地板鈑金所用固定點的6個自由度，由于踏板底部與地板鈑金接觸，在此需創(chuàng)建面與面的接觸，踏板有限元模型單元數(shù)為55 446個，節(jié)點數(shù)為56 858個。由圖7可知，踏板在500 N的載荷作用下其變形量為0.365 mm，滿足公司規(guī)范要求。

圖7 前踏板變形云圖

4 結(jié)論

1）本文介紹了踏板的制造成型工藝、常用材料、人機(jī)布置要求、為避免表面外觀缺陷進(jìn)行背面加強筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計和踏板與B立柱的匹配要求，可為其它車型踏板設(shè)計提供參考；同時介紹了踏板需滿足的物理實驗要求，如阻燃性能、維修性能等。

2）踏板是高接觸區(qū)域，其剛度需滿足要求，本文利用有限元分析軟件計算在500 N載荷作用下的變形量，結(jié)果表明踏板的設(shè)計符合公司規(guī)范要求。

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Design and Stiffness Analysis of Automobile Front Scuff Plate

KUANG Jiangxiu, KONG Fei, HE Xiaoming

( Product Design Technology Center, Jiangxi ISUZU Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

The front pedal in the cockpit belongs to the automotive interior system, and is the stepping platform for passengers to get on and off the automobile.This article introduces the design requirements of the front pedal in terms of manufacturing process, materials, surface antislip structure, human-machine layout requirements, and appearance, as well as the experimental verification of the rationality of the design that needs to be met during the trial production process of the front pedal, such as meeting the requirements for protrusions inside passenger automobile, combustion characteristics of automotive interior materials, and prohibited substances. Finally, finite element analysis software HyperMesh and ABAQUS are used to analyze the stiffness of the front pedal and calculate its deformation under an external force of 500N. The results show that the deformation of the front pedal under the vertical load of 500N is 0.36 mm, which meets the requirement of the company standard that the deformation should not exceed 0.5 mm, it can provide corresponding reference for the design and development of the front pedal of subsequent vehicle models.

Front pedal; Layout requirements; Internal projection; Stiffness analysis

U463

A

1671-7988(2023)21-59-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.012

況江秀（1988－），女，碩士，工程師，研究方向為機(jī)械工程，E-mail:122710963@qq.com。