汽車扶手滑動操作力的研究與應(yīng)用

高巖

摘要：汽車中央通道的扶手幾乎是中高檔車型的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)，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(yè)績和利潤回報。本文針對我司在滑動扶手操作力方面出現(xiàn)的超差問題進(jìn)行了抽絲剝繭的分析和研究，找到了影響滑動操作力的關(guān)鍵因素并進(jìn)行了有針對性的更改優(yōu)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(jié)構(gòu)形式的滑動4-k手操作力計算表和參數(shù)化模型，為今后的滑動扶手項目設(shè)計提供了快速解決方案和前期力值計算的理論驗證基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)飾；滑動扶手；操作力；鋼管；彈片

汽車內(nèi)飾產(chǎn)品設(shè)計必須滿足現(xiàn)有國家法律的各項規(guī)定，同時還要滿足主機廠的產(chǎn)品功能定義。除最重要的安全性法規(guī)外，人機舒適性是體現(xiàn)汽車內(nèi)飾設(shè)計優(yōu)秀與否的重要方面。恰到好處的人機設(shè)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(tǒng)、娛樂系統(tǒng)以外，作為內(nèi)飾區(qū)域功能件之一的中央通道扶手是體現(xiàn)設(shè)計舒適性的主要一員。根據(jù)最近三屆上海/北京車展的扶手信息調(diào)研和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，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(jīng)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(biāo)有剛/強度和滑動操作力兩項內(nèi)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(biāo)。扶手剛/強度的要求可以通過沿用成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)行計算機輔助分析（CAE）來模擬和驗證性能指標(biāo)是否合格，但滑動操作力的要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計時不但需要考慮材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且需要用到彈片結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)和控制不同階段的操作力，CAE工具較難準(zhǔn)確模擬和預(yù)測，只能到后期采用產(chǎn)品實物進(jìn)行物理實驗驗證。一旦驗證性能指標(biāo)不合格，更改投入會比較大。而且不同項目的滑動扶手產(chǎn)品各不相同，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)難確定，制造過程工藝難控制，產(chǎn)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(jìn)行深入研究

1問題來源

在某項目產(chǎn)品實驗驗證階段，實測滑動扶手的開啟力和關(guān)閉力都超出了主機廠要求的公差范圍。2結(jié)構(gòu)拆解及因子分析

首先，我們對項目產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式拆解，發(fā)現(xiàn)該項目采用了鋼管滑軌配合彈片的典型結(jié)構(gòu)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(shè)計了一個與上蓋筋槽橫向壓緊并摩擦的金屬彈片，通過調(diào)節(jié)上蓋筋槽的造型及彈片的進(jìn)入和滑出角度、彈片剛度、彈片過盈量等參數(shù)，可以使彈片在不同的運動階段產(chǎn)生不同的阻力效果，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)滑動力的功能。

在該產(chǎn)品模型中，上蓋、下蓋基座、鋼管滑軌、儲油環(huán)、彈片等零件的重量、材料、表面處理、結(jié)構(gòu)參數(shù)（厚度、寬度、預(yù)壓縮量）、性能參數(shù)（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(shù)進(jìn)行了收集，并根據(jù)產(chǎn)品實際波動范圍進(jìn)行了評估，匯總到組件變量表中。

然后，我們根據(jù)產(chǎn)品滑動操作力超差的問題點進(jìn)行失效模式和失效結(jié)果分析，可以評估出各組件的各相關(guān)參數(shù)對結(jié)果的影響程度，再應(yīng)用變量重要性表，根據(jù)影響程度、重要度等指標(biāo)對相關(guān)變量進(jìn)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(jìn)行設(shè)計參數(shù)鎖定。

最終，經(jīng)過細(xì)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(tǒng)分析總結(jié)：鋼管材質(zhì)/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(guān)閉操作力考核指標(biāo)的重要參數(shù)。

3模型簡化及力學(xué)研究

由于該項目已到實驗驗證階段，大部分設(shè)計參數(shù)（包括產(chǎn)品重量、材質(zhì)、匹配間隙等）都已經(jīng)鎖定，如果進(jìn)行設(shè)計參數(shù)更改會帶來較大的工程更改費用問題，而在系統(tǒng)分析總結(jié)中作為關(guān)鍵可控因素的彈片結(jié)構(gòu)相對容易調(diào)節(jié)且更改成本低，對操作力影響占比大，因此被作為進(jìn)一步研究和優(yōu)化的對象。

根據(jù)《材料力學(xué)教程》中“梁的變形”章節(jié)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(jù)彈片設(shè)計參數(shù)可對其進(jìn)行變形及受力的分析計算，得到現(xiàn)有彈片在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中提供的作用力，再根據(jù)力的合成與分解法則，進(jìn)一步得到其對滑動操作力的影響。根據(jù)產(chǎn)品狀態(tài)實測重量、摩擦系數(shù)等參數(shù)，代入計算公式發(fā)現(xiàn)，按照主機廠的滑動操作力要求，彈片在設(shè)計時應(yīng)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(fā)現(xiàn)，原設(shè)計并沒有滿足此要求。因此，在其他設(shè)計參數(shù)不更改的前提下，我們對彈片的兩處折彎角度進(jìn)行了設(shè)計更改：插入角度降低至27°，拔出角度降低至35°。當(dāng)然，僅僅依靠理論計算并不能確保產(chǎn)品狀態(tài)滿足主機廠要求，后續(xù)我們進(jìn)行了物理實驗驗證的工作。

4測量系統(tǒng)及實驗驗證

只有保證數(shù)據(jù)測量結(jié)果的真實性和有效性，才能通過實驗數(shù)據(jù)來驗證前期的分析是否正確。良好的測量系統(tǒng)既要滿足測量穩(wěn)定性和測量精度的要求，又要能夠有效排除測量環(huán)境、測量人員及其交互作用對測量結(jié)果的影響，即滿足統(tǒng)計學(xué)的重復(fù)性和再現(xiàn)性（GR&R）。測量系統(tǒng)的分析從統(tǒng)計學(xué)上來說就是雙因子方差分析，通過變換一定數(shù)量的測量人員、測量樣本、測量次數(shù)并進(jìn)行隨機測量，然后對測量結(jié)果進(jìn)行雙因子方差分析，來判斷測量系統(tǒng)是否有良好的表現(xiàn)。主要的判斷依據(jù)是合計量具R&R和可區(qū)分類別數(shù)（NDC），當(dāng)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(shù)據(jù)采集使用實驗室的數(shù)控測量系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，扶手產(chǎn)品通過對接工裝穩(wěn)定而精確地裝配到位，電機絲杠驅(qū)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(jìn)行全程操作力的數(shù)據(jù)采集。

依據(jù)GR&R標(biāo)準(zhǔn)方法，我們針對開啟力、過程力、關(guān)閉力三組輸出變量分別進(jìn)行了三組產(chǎn)品樣本、四位測量人員、六次重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和結(jié)果的GR&R分析工作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)控測量系統(tǒng)的合計量具R&R值為27.2%，NDC=7，由此可知數(shù)控測量系統(tǒng)滿足GR&R要求，是一套可信的測量系統(tǒng)。

應(yīng)用這套數(shù)控測量系統(tǒng)，我們對彈片結(jié)構(gòu)調(diào)整后的滑動操作力進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示滑動開啟力、過程力和關(guān)閉力均能滿足主機廠要求，驗證了設(shè)計更改是有效的，成功地解決了項目問題。

5應(yīng)用推廣

筆者針對我司常用的多款滑動扶手結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了匯總和對比，發(fā)現(xiàn)鋼管滑軌配合彈片的結(jié)構(gòu)形式具有剛/強度好、實驗性能優(yōu)、成本投入低等多項優(yōu)點，因此，可作為滑動扶手的平臺化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計固化。但在推廣應(yīng)用時如何能夠在設(shè)計前期就根據(jù)主機廠要求快速設(shè)計出滿足操作力性能指標(biāo)的產(chǎn)品，成為了新的難點。

依據(jù)前面完成的系統(tǒng)分析總結(jié)，我們將設(shè)計前期與主機廠A面定義相關(guān)的扶手滑蓋重量作為輸入因子，鋼管材質(zhì)/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(jù)控制因子的不同參數(shù)范圍設(shè)置了對應(yīng)的高低水平，再運用Minitab軟件對各因子和水平進(jìn)行排列組合并隨機加入六個中心點后，完成全因子實驗設(shè)計矩陣。針對三個階段的操作力分別進(jìn)行測量，我們共進(jìn)行了162次實驗和數(shù)據(jù)采集。

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

6結(jié)語

本次研究來源于項目需求，借助產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)計算、實驗測量、統(tǒng)計學(xué)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(guān)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(jié)構(gòu)形式的滑動扶手操作力計算表和參數(shù)化模塊，為今后的滑動扶手項目設(shè)計提供了快速解決方案和設(shè)計前期力值計算的驗證基礎(chǔ)。