汽車手套箱設(shè)計(jì)及有限元分析

倪世威 ，袁麗軍

（江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

目前，隨著汽車市場(chǎng)的不斷發(fā)展壯大，市場(chǎng)可供選擇的汽車類型較多，消費(fèi)者不僅關(guān)注汽車的價(jià)格，更關(guān)注汽車的性能、外觀、舒適度等方面，這加劇了汽車制造商的競(jìng)爭(zhēng)[1-3]。汽車內(nèi)飾與駕乘人員朝夕相處，內(nèi)飾一定程度上為駕乘人員營造出家的氛圍，因此受到越來越多的關(guān)注。而手套箱是汽車內(nèi)飾件的重要組成部分，有必要加強(qiáng)對(duì)其的設(shè)計(jì)研究。

1 手套箱及其主要構(gòu)成部件概述

手套箱是儀表板重要的功能件，是儀表板上最大的封閉式儲(chǔ)物空間，其位于儀表板乘員側(cè)下方，常用于放置駕乘人員私人物品或車輛維修手冊(cè)等，因此要求手套箱箱斗Y向開口寬度應(yīng)達(dá)到手套箱門蓋板寬度的75%以上。手套箱一般由內(nèi)蓋板、箱斗、外蓋板、安裝框、鎖機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、阻尼器等組成[4-6]，如圖1所示。鎖機(jī)構(gòu)先螺接在內(nèi)蓋板上，再隨內(nèi)蓋板與外蓋板采用振動(dòng)摩擦焊接成一體。手套箱阻尼器主要有空氣阻尼器、機(jī)械齒輪傳動(dòng)阻尼器和電動(dòng)阻尼器，固定在手套箱框上，另一端連接在手套箱箱斗側(cè)面。按開鎖方式不同，手套箱鎖機(jī)構(gòu)可分為單點(diǎn)式鎖機(jī)構(gòu)（鎖鉤型式）及雙點(diǎn)式鎖機(jī)構(gòu)（鎖銷型式）。單點(diǎn)式鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是手套箱左右兩側(cè)的面差不易控制，且打開手套箱時(shí)鎖鉤外露，影響美觀，主要應(yīng)用于低端車型上。雙點(diǎn)式鎖機(jī)構(gòu)成本相對(duì)較高，鎖舌布置在手套箱上端兩側(cè)位置，兩側(cè)面差較容易控制。

圖1 手套箱主要構(gòu)成部件

1.1 手套箱布置要求

手套箱的布置需滿足以下要求：

1）突出物要求。在對(duì)應(yīng)的假人碰撞吸能區(qū)域內(nèi)（95%假人碰撞點(diǎn)前125 mm，50%假人碰撞點(diǎn)前100 mm，5%假人碰撞點(diǎn)前75 mm）沒有硬點(diǎn)，盡量減少碰撞對(duì)駕乘人員的傷害[7]。

2）膝部保護(hù)空間與腳部空間要求。手套箱閉合狀態(tài)下，手套箱外表面與人體腿部的距離要求不小于100 mm，手套箱打開時(shí)與腿部的距離不小于15 mm。手套箱鉸鏈及下端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置在從副駕駛95%眼橢圓及后排眼點(diǎn)都看不見的地方。手套箱打開時(shí)，由前排乘員眼點(diǎn)通過箱體內(nèi)側(cè)，觀察不到儀表板內(nèi)部零部件（如HVAC、CCB、線束等）以及手套箱緊固螺絲和緩沖墊，使手套箱設(shè)計(jì)美觀[8]。膝部保護(hù)及腳部空間，如圖2所示。

圖2 膝部保護(hù)及腳部空間

3）扣手空間要求。為有足夠的空間操作手套箱扣手，扣手深度不小于25 mm，寬度不小于40 mm，如圖3所示。

圖3 扣手的空間要求

1.2 設(shè)計(jì)要求

1.2.1 手套箱焊接筋布置要求

由于手套箱內(nèi)、外蓋板通常采用振動(dòng)摩擦焊接成一體，且焊接質(zhì)量對(duì)手套箱與儀表板的間隙面差影響很大，因此本文介紹手套箱內(nèi)、外板焊接需注意的事項(xiàng)。

手套箱一般橫向筋（Y向）為焊接筋，縱向筋為加強(qiáng)筋，通常橫向筋與手套箱外蓋有1 mm過盈量，縱向筋則整條邊或者局部與外蓋預(yù)留1 mm的間隙。橫向筋和縱向筋一般會(huì)設(shè)計(jì)0.5°的拔模角，為了防止產(chǎn)生縮印，筋的寬度推薦1 mm[9]。手套箱焊接方向一般為Y方向，橫向筋方向需與焊接方向一致，相近兩條筋的距離在20 mm左右，縱向筋之間的距離一般不做要求，可根據(jù)布置空間和強(qiáng)度的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；橫向筋和縱向筋呈網(wǎng)格分布且分布均勻；橫向筋和外蓋板干涉1 mm，縱向筋需跟外蓋板有1 mm間隙，防止焊接過深導(dǎo)致縱向筋被破壞；筋高度不宜過高，否則筋強(qiáng)度太弱不利于焊接，建議高度在10 mm左右。手套箱外蓋上限位筋取決于焊接筋的斜度，斜度較大的外蓋上需增加限位筋，以防止手套箱內(nèi)、外蓋板焊接時(shí)滑動(dòng)，使焊接穩(wěn)定；斜度較小的可不加限位筋，視具體情況而定[10]。手套箱焊接筋如圖4所示。

圖4 手套箱焊接筋

1.2.2 手套箱空調(diào)維修蓋板設(shè)計(jì)

一般手套箱背部是空調(diào)布置區(qū)域，為便于更換空調(diào)濾芯，手套箱后部需留有空調(diào)維修孔，有時(shí)也會(huì)設(shè)計(jì)空調(diào)維修蓋板。空調(diào)維修蓋板必須便于拆卸，維修蓋板長(zhǎng)度和寬度尺寸通常參考空調(diào)濾芯尺寸，單邊增加12 mm。手指Z向避讓寬度建議為60 mm，手指Y向避讓寬度建議為18 mm，手指X向避讓寬度建議為14 mm。手套箱完全開啟后，后部維修孔在乘員視野方向上不可見?？照{(diào)維修蓋板如圖5所示。

圖5 空調(diào)維修蓋板

1.2.3 手套箱內(nèi)、外蓋板厚度設(shè)計(jì)

手套箱內(nèi)、外板為了盡可能實(shí)現(xiàn)手套箱最大容積，同時(shí)顯得手套箱在鎖結(jié)構(gòu)區(qū)域鼓包不那么大，需要將各尺寸盡可能控制到最小，內(nèi)、外板最小厚度可做到約40 mm。

手套箱內(nèi)、外蓋板厚度設(shè)計(jì)如圖6所示。圖中，T——手套箱內(nèi)、外板在扣手處的厚度；A——外板和扣手的面差，一般為0.5 mm~1 mm；B——扣手的厚度，扣手與手指作用處，一般厚度為4 mm~5 mm；C——手指的操作空間，一般為19 mm~21 mm；D——外板的厚度，一般為2.5 mm，最小可做到2 mm；E——外板到鎖桿的間隙，一般為3 mm，最小可做到2 mm；F——鎖桿的厚度，一般為10 mm×10 mm，可以做到8 mm×12 mm，保證截面積接近；G——鎖桿到內(nèi)板的間隙，一般為3 mm，最小可做到2 mm；H——內(nèi)板的厚度，一般為2.5 mm，最小可做到2 mm。

圖6 手套箱內(nèi)、外蓋板厚度設(shè)計(jì)

2 剛度分析

手套箱作為駕駛艙內(nèi)駕乘人員常接觸的區(qū)域，其剛度需滿足設(shè)計(jì)要求，否則駕乘人員感知質(zhì)量較差，因此有必要對(duì)其進(jìn)行剛度分析。

將手套箱模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中，利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格類型為四面體單元，單元尺寸為2.5 mm。此模型單元數(shù)為48 521個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為49 878個(gè)。約束連接手套箱與儀表板骨架的所有固定點(diǎn)上6個(gè)自由度。根據(jù)江鈴汽車股份有限公司內(nèi)部規(guī)范要求，由于手套箱區(qū)域是駕乘人員高頻接觸區(qū)域，因此要求其用直徑10 mm的圓盤在手套箱上施加20 N的載荷時(shí)變形量不超過0.5 mm。由圖7可知，手套箱的變形量為0.345 mm，滿足江鈴汽車股份有限公司規(guī)范要求。

圖7 手套箱變形云圖

3 結(jié)論

1）本文介紹了汽車手套箱的主要構(gòu)成部件，同時(shí)介紹了手套箱設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的布置要求、手套箱焊接筋的布置要求、空調(diào)維修蓋板的設(shè)計(jì)要求以及手套箱內(nèi)、外蓋板厚度設(shè)計(jì)要求等，可為后續(xù)手套箱的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考。

2）由于手套箱的剛度直接影響駕乘人員的感知，本文通過對(duì)某一手套箱的剛度分析，介紹了江鈴汽車股份有限公司的剛度分析標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果表明，手套箱的剛度滿足該公司規(guī)范要求。