汽車門板扶手疲勞耐久性能的影響因素研究

賈曉彥，徐源林，王玉，王長余，李加成，戰(zhàn)磊

(長春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林長春 130033)

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汽車門板扶手疲勞耐久性能的影響因素研究

賈曉彥，徐源林，王玉，王長余，李加成，戰(zhàn)磊

(長春富維-江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林長春 130033)

摘要：扶手疲勞試驗的結(jié)果受多個因素的影響，主要闡述了溫度、頻率和試驗加載順序3個因素與試驗結(jié)果的關系。通過選取試驗參數(shù)，設置試驗矩陣，對試驗結(jié)果進行分析和討論，得出各因素與試驗結(jié)果存在如下關系：高溫對試驗結(jié)果有顯著的影響，溫度越高，樣件受破壞的可能性越大；在同一溫度下，頻率與試驗結(jié)果存在明顯的線性關系，即加載頻率越慢，試驗越易失效；另外，高溫低頻的試驗條件是使試驗失效最嚴重的工況，而且，先低溫后高溫的工況順序會使試驗結(jié)果表現(xiàn)得更加惡劣。

關鍵詞：門板；扶手；疲勞耐久；試驗條件

0引言

汽車門板扶手，又稱支撐臂，通常由骨架和面料包覆而成，是汽車門板的重要組成部分，其造型設計、材料的優(yōu)劣直接影響乘客的感受，是評價門板的重要指標[1]。

目前，扶手性能的檢測是各汽車主機廠和汽車零部件生產(chǎn)廠家必做的試驗，各主機廠都制定了相關的標準方法，比如德國大眾公司相關的扶手檢測標準EP84610.10、EP84610.21、EP84610.22；日本馬自達公司的扶手考察標準MES PA68420；廣汽集團的扶手考察標準PF-11084等。而在眾多的檢測標準中，扶手疲勞耐久試驗被認為是唯一一項對扶手舒適性和外觀進行考察的試驗。因為其他試驗方法只要求扶手的骨架滿足不破壞、功能無損失、與周圍連接件無干擾的性能要求，強調(diào)的是在使用中出現(xiàn)較大濫用力或側(cè)撞發(fā)生時，扶手是否可以滿足駕駛員與乘客的安全、起到維持乘客身體平衡的作用；而扶手疲勞試驗除要求骨架在長期使用中滿足上述條件外，還規(guī)定了骨架的覆蓋材料，即扶手表面材料不允許出現(xiàn)肉眼可見的變形，或輪廓的改變。所以說，疲勞耐久試驗是對扶手的一項綜合檢測，扶手能否滿足疲勞耐久試驗要求，是駕駛員和乘客在長期使用中提高操作方便性、乘坐舒適性以及降低乘駕過程中產(chǎn)生疲勞感的一項重要保證[2]。

所謂扶手疲勞耐久試驗，可以概括為：模擬門板在各種工況下，扶手受到持久載荷作用，在試驗臺架上，按照一定的加載原則，對扶手施加一定大小的持續(xù)循環(huán)載荷，從而測定扶手的疲勞壽命。影響疲勞耐久試驗結(jié)果的因素很多，如加載力的大小、加載力的頻率、周圍環(huán)境的溫濕度等，而目前，各主機廠間對于各工況的條件設置差異均很大，選擇的影響因素具體數(shù)值也各有不同。但國內(nèi)外對于各因素與試驗結(jié)果間的關系研究還很少，這里，作者選取溫度、頻率和工況試驗的順序3個因素進行研究，討論3個試驗條件與疲勞試驗結(jié)果間存在的關系。

1影響因素分析

1.1溫度

材料的性能與溫度有著直接的關系，因為材料的光化學反應和熱化學反應速度都受溫度影響。一個公認的規(guī)律就是，材料的溫度每升高10 ℃, 光化學反應的速度便會加快1倍[3]。熱化學反應則發(fā)生在較高的溫度下，在低溫下熱化學反應速度很慢，在溫度降到足夠低時，反應根本不會發(fā)生[3]。汽車門內(nèi)護板屬于第2負荷區(qū)，即非陽光直射區(qū)[4]，但在炎熱的夏天，暴露在室外的汽車，在不開啟空調(diào)的情況下，車內(nèi)溫度很可能達到60 ℃，甚至更高。在我國北方冬季室外也會出現(xiàn)-30 ℃以下的嚴寒天氣，車內(nèi)氣溫甚至低至-20～30 ℃?？梢?，汽車內(nèi)飾產(chǎn)品必須要能承受很大的溫度范圍，這也是作者把溫度作為研究因素的原因。結(jié)合上述分析，實驗研究時溫度需覆蓋-30～60 ℃。

1.2加載力及頻率

扶手疲勞耐久試驗是模擬乘客的身體部位(如手臂支撐在扶手上)對其產(chǎn)生的持久負荷，所以，乘坐人的體重、施力的大小以及施力的頻率，都會對扶手的性能產(chǎn)生影響。在研究試驗中，在對體重分布情況進行分析時，文中參考的是Hybrid III 95百分位假人的數(shù)據(jù)，見表1。

乘客在乘車時對扶手區(qū)域產(chǎn)生的載荷有以下幾種可能情況：

(1)手；(2)手和小臂；(3)手、小臂和上臂；(4)手、小臂、上臂及頭部；(5)手、小臂、上臂、頭部及頸部。

針對上述產(chǎn)生載荷的5種情況，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，它們對扶手可能產(chǎn)生的作用力分別為：26.3，54.4，103.8，120.6 N。

結(jié)合上述分析，Hybrid III 95百分位假人對扶手產(chǎn)生的最大負載力為120.6 N，在試驗研究中，選取加載力上限為150 N，略苛刻于參考假人產(chǎn)生的作用力。

2試驗設置及試驗方法

2.1試驗設置及參數(shù)選取

車門內(nèi)護板疲勞耐久試驗是在型號SEWT-Z-241L溫濕度環(huán)境箱中進行的，加載設備為北京鑫盛星創(chuàng)測控技術有限公司制造的電動伺服系統(tǒng)，型號為Smartservo2000，具體試驗設置如圖1所示。

根據(jù)上節(jié)對影響因素的討論，在方案設計中，做如下規(guī)定[5]：

(1)加載力。恒定的循環(huán)載荷,加載信號為正弦信號，載荷變化規(guī)律為0～150～0 N，如圖2所示。

(2)壓頭尺寸為50 mm×30 mm×30 mm，矩形壓頭；

(3)力的作用點為扶手的幾何理論中心；

(4)試驗溫度： -35、-30 ℃，RT(23 ℃)，50、70 ℃；

(5)試驗濕度為50%(檢測室恒定濕度)；

(6)加載頻率[6]為 1、6 LW/min(LW/min表示負荷交變/每分鐘)；

(7)循環(huán)加載次數(shù)：室溫23 ℃，10 000次；

高溫(50、70 ℃)，1 000次；

低溫(-30、-35 ℃)，1 000次；

(8)樣件。因室溫10 000次后，樣件幾乎無變化，因此，為方便研究，文中試驗所選樣件均為RT試驗后樣件。

2.2試驗方法

2.2.1溫度和頻率對試驗結(jié)果的影響

為研究溫度、頻率2個因素對試驗結(jié)果的影響，設置了如表2所示的試驗實施表。

按照試驗實施表2，文中進行了8項試驗，試驗結(jié)果如表3所示。為保證試驗結(jié)果的準確性，文中對樣件在試驗剛結(jié)束和放置在室溫下4 h后(樣件完全恢復至室溫)的狀態(tài)分別進行了記錄。

試驗結(jié)果分析及討論。把表3所示的試驗結(jié)果，扶手表面壓痕深度與溫度和頻率的關系進行量化處理，其中，圖3—4為扶手表面壓痕與溫度的關系曲線。可以看出：壓痕深度與溫度之間不存在明顯的線性關系；試驗剛結(jié)束時，作用在低溫(-35、-30 ℃)工況下的樣件壓痕明顯深于高溫(50、70 ℃)工況，但隨著試驗結(jié)束時間延長至4 h，此時樣件溫度已完全恢復至室溫，試驗結(jié)果出現(xiàn)了如下變化：低溫作用下的樣件壓痕已基本恢復至試驗前狀態(tài)，只有0.1 mm左右深度的輕微痕跡，變化量達4.6 mm，改變明顯；而高溫50和70 ℃工況下的試驗樣件變化量最大僅達到0.2 mm，改變微小。由此可知，高溫對試驗的最終結(jié)果有顯著的影響，溫度越高，壓痕越明顯。

圖5—6為扶手表面壓痕與頻率的關系曲線，可以看出在試驗剛結(jié)束和樣件完全恢復至室溫均存在如下規(guī)律：在同一溫度下，頻率與試驗結(jié)果存在明顯的線性關系，即加載頻率越慢，壓痕越深，試驗結(jié)果失效越嚴重。

針對一項試驗，通常用于評定的有效試驗結(jié)果是指試驗樣件完全恢復至室溫后，對其表現(xiàn)的狀態(tài)進行評價的結(jié)果。因此，上述文中進行的8組試驗，圖4和圖6所呈現(xiàn)的為試驗的最終結(jié)果。

從這兩組數(shù)據(jù)可以得到進一步結(jié)論，試驗樣件與溫度和頻率綜合因素的關系：高溫低頻(70 ℃，1 LW/min)的工況壓痕最深，低溫高頻(-35 ℃、6 LW/min)的試驗結(jié)果最佳，當然此結(jié)果與(-30 ℃、6 LW/min)的非常接近。

因為扶手疲勞耐久試驗結(jié)果的評價包括兩部分：對扶手表面狀態(tài)的評價和對扶手骨架狀態(tài)的評價。所以，文中在評價完樣件表面狀態(tài)后，拆卸所有的試驗件，從門板的B面對扶手骨架進行評估，結(jié)果如下：試驗1—試驗6和試驗8均無變形及損壞；試驗7——70 ℃、1 LW/min，扶手的骨架出現(xiàn)了變形，如圖7所示?？梢?，高溫低頻(70 ℃、1 LW/min)對試驗結(jié)果的破壞作用最大。

2.2.2不同工況施加順序?qū)υ囼灥挠绊?/p>

所謂不同工況施加順序，就是指調(diào)整工況(溫度、頻率)施加的順序，對同一樣件進行連續(xù)加載，對比分析工況作用順序不同對試驗結(jié)果的影響。

根據(jù)表2，為節(jié)約資源、縮短試驗周期，在下面試驗設計時，選取了以下3種工況：低溫-30 ℃、6 LW/min；高溫50 ℃、1 LW/min及高溫70 ℃、1 LW/min。具體試驗設置如4所示。

按照試驗方案設計表4，文中進行了4組試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

由于在對試驗結(jié)果進行評價時，通常針對樣件恢復至常溫后的狀態(tài)，因此，這里只展示試驗4 h后樣件的狀態(tài)。

壓痕深度與加載順序的關系如圖8所示?？梢姡涸囼?和試驗10結(jié)果對比值為2.6 mm∶2.3 mm，試驗11和試驗12的結(jié)果值對比為3.1 mm∶2.7 mm。兩組試驗表現(xiàn)出相同的規(guī)律，

即可得到如下結(jié)論：先高溫再低溫的順序，樣件表面的塌陷情況較對比件輕微，樣件表現(xiàn)出來的性能略優(yōu)于先低溫后高溫，加載工況的順序會對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，但不顯著。

3結(jié)論

通過以上對試驗結(jié)果的分析和討論，可以得到如下結(jié)論：

(1)扶手疲勞耐久試驗在高溫低頻率的情況下，失效狀態(tài)最嚴重，即溫度、頻率的綜合作用是影響試驗結(jié)果的關鍵因素。因為材料的熱化學反應在高溫下最為活躍，反應的速度較快，而低頻率則使樣件長時間處于受力狀態(tài)，最終導致了樣件改變；

(2)在低溫工況下，樣件表面的變形是可逆的，在室溫下放置一段時間后，樣件的表面壓痕可以恢復，低溫對試驗結(jié)果無明顯影響；

(3)一個完整的疲勞耐久試驗需要在高溫、低溫、RT 3種工況下進行，而試驗的順序?qū)υ囼灲Y(jié)果有影響，但程度較輕。同時也可以得出如下結(jié)論：若想快速驗證一個樣件的性能，預知疲勞耐久試驗的結(jié)果，可以先做高溫低頻率工況。

文中關于汽車門內(nèi)護板扶手疲勞耐久試驗提出了一種思路，通過試驗設計及實施，得出了以上3個結(jié)論。但文中并沒有考慮產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)對試驗結(jié)果的影響，所選取的扶手僅是由織物面料及ABS骨架組成的產(chǎn)品，因此結(jié)論具有局限性，只是提供一個研究方向。

參考文獻:

【1】郝加杰.影響汽車內(nèi)飾質(zhì)量的因素分析[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2011(8):21-23.

【2】麥秋穎.基于用戶行為分析的GA5車門內(nèi)飾板造型設計[D].成都：西南交通大學，2014.

【3】賴建萍,王一臨.汽車內(nèi)飾材料的人工老化試驗[J].裝備環(huán)境工程,2007,4(1):35-40,43.

【4】DIN 75220-1992 汽車結(jié)構(gòu)件在太陽模擬裝置中的老化[S].

【5】EP84610.21-2006，ZSB Tür-und Seitenverkleidung Dauerbelastung der Armauflage[S].

【6】EP84610.21-2012，ZSB Tür-und Seitenverkleidung Dauerbelastung der Armauflage[S].

Effects of Testing Condition on the Fatigue Property of Door Panel Armrest

JIA Xiaoyan,XU Yuanlin,WANG Yu,WANG Changyu,LI Jiacheng,ZHAN Lei

(Changchun Faway-Johnson Controls Automotives System Co.,Ltd., Changchun Jilin 130033,China)

Keywords:Door panel; Armrest; Fatigue durability; Testing condition

Abstract:The result of armrest fatigue test is affected by several factors. The effects of temperature, frequency and loading sequence on the fatigue property of door panel armrest were investigated.The results show that the three factors have a significant effect on the fatigue property of door panel armrest: high-temperature has a obviously impact on the test results, the temperature is higher, the sample is more easily destroyed; at the same temperature, there is an obvious linear relationship between the frequency and results, that is to say, frequency slower, the sample is more easily failure; in addition, when the testing is under a high-temperature and low-frequency condition, the door panel armrest would behavior its worst fatigue property; and the loading sequence also significantly influences the fatigue property of door panel armrest. That is to say, cool to warm testing condition would result in a more critical testing result than a warm to cool condition.

收稿日期：2015-12-01

作者簡介：賈曉彥(1985—)，女，碩士，研究方向為汽車內(nèi)飾產(chǎn)品測試。E-mail:xiaoyan.jia@jci.com。

中圖分類號:U463.83+4

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)03-012-06