汽車立柱飾板的設(shè)計(jì)分析

汽車立柱飾板的設(shè)計(jì)分析摘要：【目的】汽車立柱飾板為車身立柱內(nèi)鈑金、天窗水管、電器線束、安全帶和安全氣簾等提供經(jīng)久耐用的包覆，是汽車內(nèi)飾件的重要組成部分，立柱飾板設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、工藝、結(jié)構(gòu)、造型和與周邊件配合的要求?！痉椒ā客ㄟ^(guò)剖析立柱飾板的普通注塑、低壓注塑成型兩種表面加工工藝，筆者詳細(xì)闡述了立柱上飾板、立柱下飾板在設(shè)計(jì)過(guò)程中與周邊件的匹配要求，如立柱上飾板中的立柱飾板安裝、A柱飾板與儀表板搭接關(guān)系、A柱飾板與前擋搭接關(guān)系、A立柱與揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)以及立柱下飾板與上飾板的匹配等要求，并采用有限元分析軟件用直徑10mm的圓盤(pán)垂直接觸立柱表面，且施加20N的力，計(jì)算立柱飾板的變形量是否符合判斷依據(jù)。同時(shí)，以某B柱上飾板為例，利用有限元分析軟件HyperMesh及ABAQUS進(jìn)行剛度分析，將CATIA建立的模型導(dǎo)入到HyperMesh有限元分析軟件中進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分；約束飾板與鈑金卡接點(diǎn)的6個(gè)自由度，通過(guò)ABAQUS求解器進(jìn)行求解，計(jì)算B柱上飾板的剛度。【結(jié)果】仿真得出，B柱上飾板最大變形量為1.425mm，小于1.5mm的目標(biāo)值，滿足了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：立柱飾板；匹配要求；有限元分析；剛度汽車市場(chǎng)正在走向年輕化，各大汽車廠商在不斷迎合市場(chǎng)需求的同時(shí)，越來(lái)越注重汽車外觀和內(nèi)飾的設(shè)計(jì)[1]，追求汽車內(nèi)飾件的精細(xì)化設(shè)計(jì)。汽車立柱飾板作為汽車內(nèi)飾件的重要組成部分，主要功能是為車身立柱內(nèi)鈑金、天窗水管、電器線束、安全帶和安全氣簾等提供經(jīng)久耐用的包覆[2]。乘用車一般可分為A柱上飾板、A柱下飾板、B柱上飾板、B柱下飾板、C柱上飾板、C柱下飾板。上飾板與頂棚搭接，下飾板與上飾板及汽車門檻搭接。筆者在概括汽車立柱飾板的常見(jiàn)成型工藝及與周圈零件的搭接關(guān)系和設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)某一款汽車B柱上飾板進(jìn)行剛度分析，為以后的立柱飾板設(shè)計(jì)提供借鑒。1立柱飾板的表面加工工藝立柱飾板常見(jiàn)表面加工工藝可分為普通注塑工藝及低壓注塑成型工藝。普通注塑工藝立柱飾板表面采用粗皮紋，皮紋角度一般為7°，由于其成本較低，所以廣泛應(yīng)用于中低端車型。低壓注塑成型工藝過(guò)程分別為抓取面料，面料在動(dòng)模上定位，動(dòng)定模合模并注料，保壓冷卻，開(kāi)模頂出產(chǎn)品，取出產(chǎn)品[3]。由于低壓注塑成型工藝是將沖切好的面料直接覆蓋在陰模內(nèi)，然后合模直接注塑成型，它能夠遮蓋塑料件上縮印、熔接線等注塑外觀缺陷，且能降低型腔注塑壓力，對(duì)模具材料要求較低，且由于面料與塑料件之間沒(méi)有膠水，相較于包覆件等工藝，其更有利于車內(nèi)空氣質(zhì)量。低壓注塑由于產(chǎn)品注塑壓力低，生產(chǎn)效率高，廢品率低，在中高端車型上使用比較廣泛，但是零件成本相對(duì)較高。立柱飾板低壓注塑成型工藝表皮一般是無(wú)紡布，基材為PP材料，產(chǎn)品表面R角至少3mm以上，脫模角度至少8°，產(chǎn)品翻邊不大于20mm，否則注塑時(shí)面料會(huì)起皺、壓破。面料翻邊至少10mm以上，注塑件在此區(qū)域內(nèi)不應(yīng)有其他結(jié)構(gòu)，否則表皮無(wú)法反包到背面。產(chǎn)品包覆表面不應(yīng)有尖角和銳角。低壓注塑產(chǎn)品斷面表面弧線長(zhǎng)度S（紅線長(zhǎng)度）與跨距L的比值一般小于針織面料的伸長(zhǎng)率。不同車型立柱飾板常用的表面工藝，如表1所示。2立柱飾板與周邊件的匹配設(shè)計(jì)要求立柱飾板設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、工藝、結(jié)構(gòu)、造型和與周邊件配合的要求，筆者分別以立柱上飾板及下飾板為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。2.1立柱上飾板與周邊件的匹配設(shè)計(jì)要求對(duì)于乘用車來(lái)說(shuō)，立柱上飾板可分為A柱、B柱、C柱上飾板，其中A柱上飾板與儀表板、頂棚、前擋玻璃、密封條等搭接，周邊件較多，故此處按A柱上飾板來(lái)進(jìn)行討論。1）立柱飾板的安裝。立柱飾板一般采用金屬卡扣或有密封功能的塑料卡扣安裝，如果選擇金屬卡扣，則在漏水區(qū)需要注意防水。立柱飾板上常用的金屬卡扣如圖1所示，對(duì)應(yīng)鈑金開(kāi)孔為6mm×22mm，安裝點(diǎn)區(qū)域周圈至少有6mm的安裝平面。若立柱上飾板內(nèi)安裝有氣簾，立柱上氣簾區(qū)域的金屬卡扣一般為防脫卡扣，如圖1右側(cè)所示，避免在氣簾打開(kāi)時(shí)立柱脫落而傷害乘客。2）A柱飾板與儀表板的搭接關(guān)系。如圖2所示，A柱上應(yīng)該至少有2個(gè)插片插入到儀表板對(duì)應(yīng)槽內(nèi)，以便控制A柱與儀表板的Y向間隙。立柱上的插片長(zhǎng)度至少15mm以上，與之匹配的槽在X向的尺寸至少是插片長(zhǎng)度的1.5倍以上，即尺寸要在22mm以上，便于立柱的安裝。同時(shí)A柱最低位置的安裝點(diǎn)距儀表板表面距離大約150mm，A柱最高位置的安裝點(diǎn)距離頂棚大約70mm，保證A柱與儀表板及頂棚的搭接間隙。A柱下端需要有個(gè)平面與儀表板搭接，且搭接深度至少6mm，確保良好的匹配外觀。3）A柱飾板與前擋的搭接關(guān)系。如圖3所示，A立柱與玻璃的間隙需不小于3mm，與玻璃黑邊的距離不小于6mm。A立柱邊緣需平順，且與玻璃的間隙需一致，保證良好的外觀。4）A柱飾板與頂棚的搭接關(guān)系。A柱飾板與頂棚的搭接一般采用壓接配合，如圖4所示，與頂棚配合應(yīng)保證無(wú)漏縫[4]。立柱與頂棚的搭接長(zhǎng)度是關(guān)鍵控制尺寸，太長(zhǎng)有可能影響氣簾的爆破，太短則可能蓋不住頂棚毛邊，導(dǎo)致邊界外漏。一般A柱與頂棚搭接量至少為5mm，且A柱與頂棚搭接處的圓角需與頂棚A面圓角一致，防止漏縫，搭接處A柱外觀最小圓角應(yīng)大于R9。A立柱內(nèi)飾板最高的安裝點(diǎn)離頂部的距離最大為70mm，否則A柱與頂棚會(huì)出現(xiàn)匹配不良情況。有時(shí)為了立柱與頂棚匹配美觀，頂棚上會(huì)做臺(tái)階。5）A柱飾板與密封條的搭接關(guān)系。如圖5所示，立柱飾板與密封條配合時(shí)，一般要求密封條壓緊立柱飾板，不允許有縫隙產(chǎn)生。A柱飾板與密封條的搭接面關(guān)鍵點(diǎn)在于傾斜角，需要保證傾斜角不小于密封條未張開(kāi)時(shí)候的角度，因?yàn)橐坏﹥A斜角過(guò)小，就會(huì)使得A柱飾板和密封條之間存在縫隙，起不到密封的效果。如果傾斜角過(guò)大，可能頂起密封條，給零件整體的美觀帶來(lái)嚴(yán)重的影響。A柱飾板與密封條的相對(duì)過(guò)盈量一般設(shè)定在3.5mm~4.5mm，可以保證密封條始終處在緊繃的狀態(tài)，不會(huì)輕易地張開(kāi)。一旦過(guò)盈量過(guò)小就會(huì)導(dǎo)致在外界施加力的作用下，A柱飾板出現(xiàn)變形并且無(wú)法主動(dòng)恢復(fù)，導(dǎo)致局部鼓包與縫隙出現(xiàn)。6）A柱飾板與上車?yán)值拇罱雨P(guān)系。在A柱上內(nèi)飾板上有時(shí)會(huì)布置上車?yán)郑跐M足造型效果，總布置人機(jī)操作性能的前提下，一般上車?yán)峙c立柱上內(nèi)飾板的周邊配合間隙大于6mm，上車?yán)峙c立柱上內(nèi)飾板的操作間距L應(yīng)大于30mm。其中上車?yán)钟衫直倔w、螺釘飾蓋、拉手安裝支架及安裝螺釘組成，拉手通過(guò)安裝螺釘與安裝支架連接，安裝支架再固定在車身上。此時(shí)上車?yán)值墓潭c(diǎn)同時(shí)可作為立柱飾板本體的安裝點(diǎn)，將立柱上飾板固定在車身上。A柱飾板與上車?yán)值拇罱尤鐖D6所示。7）A立柱與揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)。有些車型A柱上飾板會(huì)布置揚(yáng)聲器，考慮揚(yáng)聲器罩自身尺寸及工藝的要求，一般揚(yáng)聲器罩與A立柱護(hù)板一體注塑成型，設(shè)計(jì)籠音圈改善聲音效果，籠音圈高度一般與揚(yáng)聲器密封墊零接觸或有過(guò)盈。揚(yáng)聲器罩面積不得小于揚(yáng)聲器面積，且揚(yáng)聲器面積在揚(yáng)聲器罩上的投影（通孔面積）不得小于揚(yáng)聲器罩表面面積的40%。2.2立柱下飾板與周邊件的匹配設(shè)計(jì)要求立柱下飾板包括A柱下飾板、B柱下飾板、C柱下飾板，與其匹配的零件有密封條、立柱上飾板等。本研究簡(jiǎn)要介紹立柱下飾板與上飾板的匹配設(shè)計(jì)要求。立柱上飾板與下飾板的匹配結(jié)果如圖7所示，面差為0，間隙為0.5mm。3立柱飾板剛度分析3.1有限元分析方法及判斷依據(jù)立柱飾板根據(jù)用戶在使用過(guò)程中與其接觸頻次的大小可分為三個(gè)區(qū)域，即高接觸區(qū)域、中接觸區(qū)域以及低接觸區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的有限元分析標(biāo)準(zhǔn)及合格的判斷依據(jù)有所區(qū)別[5-10]。高接觸區(qū)域包括A柱靠近乘客側(cè)的面、頂內(nèi)飾和扶手等；中接觸區(qū)域包括A柱靠近玻璃側(cè)的面、B柱上飾板、C柱上飾板等；低接觸區(qū)域包括門板地圖袋、門檻飾板、B柱下飾板、側(cè)圍下內(nèi)飾板等。利用有限元分析軟件，用直徑10mm的圓盤(pán)垂直接觸立柱表面，并施加20N的力，計(jì)算立柱飾板的變形量是否符合表2的要求。3.2剛度分析本研究以某B柱上飾板為例介紹立柱飾板的剛度分析。此飾板材料采用PP材料，彈性模量為1200MPa，泊松比為0.4。將CATIA建立的模型導(dǎo)入到HyperMesh有限元分析軟件中進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，單元基本尺寸為5mm，單元總數(shù)為8735個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為8622個(gè)。約束飾板與鈑金卡接點(diǎn)的6個(gè)自由度，通過(guò)ABAQUS求解器進(jìn)行求解，計(jì)算B柱上飾板的剛度。立柱飾板剛度分析如圖8所示，B柱上飾板最大變形量為1.425mm，小于1.5mm的目標(biāo)值，滿足設(shè)計(jì)要求。4結(jié)語(yǔ)1）介紹了立柱飾板的零件分類及表面制造工藝，并簡(jiǎn)要說(shuō)明了立柱飾板與周邊件的匹配設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)車型開(kāi)發(fā)提供借鑒。2）介紹了立柱飾板的有限元分析方法及合格判斷依據(jù)，并以B柱上飾板為例，利用有限元分析軟件HyperMesh和ABAQUS對(duì)其進(jìn)行剛度分析，分析結(jié)果表明此飾板滿足設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)：[1]陳秀棟.淺述基于低壓注塑的汽車立柱飾板設(shè)計(jì)[J].時(shí)代汽車，2020(12)：91-92.[2]任杰，張繼賀，李斌，等.淺談汽車立柱飾板空間布置分析[C]//河南省汽車工程學(xué)會(huì).第十六屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.[出版者不詳]，2019：57-59.[3]王超杰，盛國(guó)欣.淺述基于低壓注塑的汽車立柱飾板設(shè)計(jì)[C]//河南省汽車工程學(xué)會(huì).第十五屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.[出版者不詳]，2018：53-55.[4]胡瑞.立柱飾板與頂棚匹配的質(zhì)量育成方法研究[J].汽車工藝與材料，2016(12)：29-31+35-36.[5]樂(lè)俊，孫歡歡.覆布立柱汽車低壓注塑變形問(wèn)題CAE分析及解決方案[C]//中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化分會(huì)，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)產(chǎn)學(xué)研工作委員會(huì)，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高性能計(jì)算專業(yè)委員會(huì)，等.第十四屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集.[出版者不詳]，2018：120-124.[6]王哲.汽車內(nèi)飾B柱布料包覆低壓成型工藝模具設(shè)計(jì)[J].塑料，2021，50(6)：109-113+118.[7