汽車立柱把手設計及其剛度分析

代士青 ，江 芹 ，黃 勤

（江西五十鈴汽車有限公司產品開發(fā)技術中心，江西 南昌 330010）

隨著時代的發(fā)展和科技的進步，汽車內飾系統(tǒng)日新月異，各種新材料、新工藝層出不窮。立柱把手是汽車內飾的重要組成部分，一般在皮卡、大型SUV 及MPV 車上使用，主要作用是輔助乘客上車。其設計的好壞，一定程度上決定了車輛是否能在競爭激烈的市場上占有一席之地[1]。本文主要介紹了把手的組成、制造工藝以及材料，探討了立柱把手開發(fā)設計過程中的布置要求以及結構設計要點，并介紹了立柱把手需滿足的各種實驗要求，最后利用有限元分析技術對立柱把手進行了剛度分析，驗證設計的合理性。有助于提升后續(xù)車型的立柱把手設計水平，從而在設計階段規(guī)避一些不合理之處，減少后期修模的費用。

1 把手制造工藝及材料

立柱把手一般安裝在A 立柱上，起到輔助乘客上車的作用，如圖1 所示，其主要由立柱把手本體、安裝支架、螺釘堵蓋以及金屬骨架等組成。把手本體是人體主要的握扶區(qū)域，螺釘堵蓋預卡在把手本體上，作用是遮蔽外露螺釘，金屬骨架的主要作用是增強把手的強度和剛度，安裝支架是用于安裝把手本體的。

為確保其表面質量并降低立柱把手零件重量，把手一般采用氣體輔助注塑成型技術制作。氣體輔助注塑成型技術是指在注塑工藝中，在熔融塑料已適當充填到型腔的時候（90%～100%）注入高壓氣體（一般為氮氣），推動融熔塑料繼續(xù)充填滿型腔，使塑件內部膨脹而形成中空，保持把手產品表面完整，用氣體保壓來代替塑料保壓的一種新興的注塑成型技術[2-6]。由于氣體具有高效的壓力傳遞性，可使氣道內部各處的壓力保持一致，因而可消除內部應力，防止制品變形，氣體輔助注塑成型工藝一般用于成型中空的制品，其工藝流程如圖2所示。

圖2 氣體輔助注塑成型工藝流程

有時為了提高立柱把手的剛度和強度，把手內部會放置金屬骨架，采用嵌件氣體輔助注塑工藝。把手的安裝順序是先將把手安裝支架固定在車身上，再通過2個螺釘將把手固定在安裝支架上，為了美觀，螺釘不允許外露，需用螺釘堵蓋遮蔽[7]，立柱把手的組成如圖3 所示。把手本體和螺釘堵蓋的材料為PP，金屬骨架為鑄鋁件，可降低零件重量，安裝支架材料為Steel。

圖3 立柱把手的組成

2 把手設計要點及實驗要求

2.1 把手布置要求及結構設計

立柱把手的作用是輔助乘客上車，因此其設計需滿足相應的人機要求。為便于乘客握住把手，把手與立柱之間的距離應不小于35 mm，把手豎直方向的長度應不小于80 mm，把手離車身地板的距離應不大于1 000 mm[8]，把手的粗細適中，截面積在2 200 mm2～2 500 mm2之間，把手布置要求如圖4所示。

圖4 把手布置要求

立柱把手與立柱的配合采用壓接方式，把手設計要求如圖5 所示，兩者的搭接量不小于2 mm，X向間隙為0，把手上有定位銷與安裝支架配合，定位間隙為0.1 mm，為便于把手安裝，把手與立柱之間的Z向間隙為1 mm。

圖5 把手設計要求

2.2 把手實驗要求

立柱把手除需在設計階段滿足上述布置及結構設計要求外，還需滿足各種相關實驗的要求，包括法規(guī)項及一般的實驗項。其中，法規(guī)項如表1 所示，《乘用車內部凸出物》要求把手所有圓角半徑不小于2.5 mm，《汽車內飾材料的燃燒特性》要求把手的燃燒速率不大于100 mm/min，《汽車禁用物質要求》要求把手需滿足汽車及其零部件產品中每一均質材料中的鉛、汞、六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚的質量百分數不得超過0.1%，鎘的質量百分數不得超過0.01%[9]。

表1 立柱把手需滿足的法規(guī)項

把手需滿足的一般實驗項如下：

1）短周期熱老化實驗。根據以下條件進行一個循環(huán)，實驗時長為24 h，要求把手的裝配、外觀、功能、尺寸不受影響。

將把手在-30 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在90 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在50 ℃+/-2 ℃和95%RH+/-5%RH 環(huán)境下放置2 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在-30 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h；

在23 ℃+/-2 ℃和50%RH環(huán)境下放置30 min；

在90 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置5 h。

2）長周期熱老化實驗。在90 ℃+/-2 ℃環(huán)境下放置7 d，要求把手的裝配、外觀、功能、尺寸不受影響。

3）耐候性實驗。也叫氙燈老化實驗，一般實驗方法需參照標準SAE J2412—2003，實驗后要求零件不褪色、翹曲，間隙面差符合要求。

4）霧化實驗。目前主要的試驗標準為I S O 6452—2021、SAE J1756—2006 等，試驗儀器為霧化儀，要求霧化值不大于70。

5）濫用力循環(huán)耐久實驗。立柱把手需在450 N的外力作用3 000 次的情況下功能正常，不被破壞，把手耐久實驗實際情況如圖6所示。

圖6 把手耐久實驗

3 把手剛度分析

本文利用常用的有限元分析方法，計算把手在特定工況下的變形量。根據江西五十鈴汽車有限公司的相關標準，在立柱把手上施加1 000 N 的載荷，分析計算把手的變形量應不大于0.5 mm[10]。首先將分析模型（包含立柱、把手、安裝支架）導入HyperMesh軟件中，利用其強大的網格劃分功能進行3D 網格劃分，設置網格類型為四面體單元，單元尺寸為1.5 mm。將劃分網格后的文件導入ABAQUS 中施加約束及荷載，并利用該求解器進行分析計算，約束把手安裝支架到車身以及把手到安裝支架的所有固定點的6 個自由度，此有限元模型單元數為75 682 個，節(jié)點數為76 558 個。把手變形云圖如圖7 所示，由此可知，把手在1 000 N 的載荷作用下的最大變形量為0.432 mm，滿足公司規(guī)范要求。

圖7 把手變形云圖

4 結論

1）本文首先介紹了立柱把手的組成、制造成型工藝以及材料的選擇，然后介紹了立柱把手的布置要求以及結構設計要點，如與立柱的匹配要求，零件試制后，把手還需滿足法規(guī)項及一般實驗項的要求，能夠為后續(xù)車型的把手設計提供一定的參考。

2）根據實際使用情況，利用有限元分析軟件對把手進行剛度分析，分析結果表明：把手在1 000 N的外力作用下，其最大變形量為0.432 mm，滿足江西五十鈴汽車有限公司規(guī)范變形量不大于0.5 mm的設計要求。