某乘用皮卡杯托设计及刚度分析_何小明.pdf

1542023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备某乘用皮卡杯托设计及刚度分析何小明，黄勤，徐炜，樊华春，廖程亮（江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心，江西 南昌 330010）摘要：【目的】汽车内饰中配置了越来越多的功能件，功能件的使用情况直接影响一款车的实用性和舒适性。杯托是汽车内饰比较重要的功能件之一，其设计的好坏会影响顾客对车辆的使用体验感。【方法】简要介绍了市场上常见的几种汽车杯托及其材料的选择，并阐述了汽车杯托的布置要求和设计要求，利用常用的有限元仿真软件HyperMesh及ABAQUS对汽车杯托进行刚度分析，以验证设计的合理性，避免后续零件试制过程中因杯托刚度不足导致的修模费用。【结果】对于夹持类杯托，汽车杯托需要在-30 82 满足15 000次插拔耐久实验，否则杯托在使用过程中易失效。【结论】通过利用常用的有限元分析软件对汽车杯托的刚度进行分析，该杯托的设计符合要求，可为后续车型开发提供相应的参考。关键词：杯托；布置要求；拔模角度；刚度中图分类号：U472 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.046Design and Stiffness Analysis of a Passenger Pick-up Truck Cup HolderHe Xiaoming,Huang Qin,Xu Wei,Fan Huachun,Liao Chengliang(Product Development Technology Center of Jiangxi isuzu Motors Co.,Ltd.,Jiangxi Nanchang 330010)Abstract:Objective There are more and more functional parts in the car interior.The use of functional parts directly affects the practicality and comfort of a car.The cup holder is one of the most important functional parts of the car interior,and its design will affect the customers perception of the use experience of the car.Method Briefly introduced several common automobile cup holders and the selection of their materials in the market,and expounded the layout requirements and design requirements of the automobile cup holders.The stiffness analysis of the automobile cup holders was carried out using the commonly used finite element simulation software HyperMesh and ABAQUS to verify the rationality of the design and avoid the mold repair costs caused by the insufficient rigidity of the cup holders in the subsequent parts trial production process.Result For clamping cup holders,the automobile cup holders need to meet 15000 times of plugging durability tests at-30 82,otherwise the cup holders are liable to fail during use.Conclusion Through the analysis of the stiffness of the automobile cup holder using the commonly used finite element analysis software,the design of the cup holder meets the requirements,which can provide corresponding reference for the development of subsequent models.Keywords:cup holder;arrangement requirements;draft angle;rigidity随着用户对汽车内饰零件要求的提高，汽车内饰中配置了越来越多的功能件，功能件的使用情况直接影响一款车的实用性和舒适性。杯托是汽车内饰比较重要的功能件之一，已经成为汽车上不可或缺的部件，用来放置水杯、瓶装矿泉水、饮料等物品，方便乘客的取用，其设计的好坏会影响顾客对车辆的使用体验感1-3。本研究着重介绍目前市场上常见的杯托形式，杯托各组成部件的材料选择，并简要阐述杯托的设计要求、布置要求以及实验方法。由于杯托布置位置是顾客频繁接触区域，因此，其刚度需符合设计要求，本研究利用有限元分析方法对杯托进行刚度分析的案例，可为后续类似结构设计提供相应参考。1 常见杯托形式、材料及布置要求1）杯托的分类方式有很多种，按照杯托是否有盖子可将其分为敞开式杯托及有盖式杯托，而有盖式杯托又可分为翻转式及滑动式4-6。敞开式杯托结构简单，成本较低，适用于低端车型上；有盖式杯托既满足杯托的基本使用功能，又起到一定的装饰作用，其结构相对复杂，成本较高，常用于中高端车型上。按照杯托是否有夹持杯子的结构可分为夹持类杯托和无夹持类杯托。按照杯托存放杯子的数量可以将杯托分为单杯托、双杯托及多杯托，其中双杯托较为常见。敞开式夹持杯托如图1所示，滑动式有盖夹持杯托如图2所示，敞开式无夹持杯托如图3所示。2）敞开式夹持杯托一般由杯托面板、杯托本体、杯托卡爪、杯托垫及簧片或橡皮筋组成，各部分的材料选择可参考表1。杯托面板的材料需根据其表面定义来进行选择，如表面定义为喷漆，可选择PC/ABS，如表面定义为皮纹，可选择ABS材料。作者简介：何小明（1986），男，江西赣州人，本科，工程师，研究方向为空调系统以及整车舒适性能开发。2023 年 4 月下155Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备图1敞开式夹持杯托图2滑动式有盖夹持杯托图3敞开式无夹持杯托表1杯托的材料选择零件名称推荐材料杯托面板PC/ABS（如喷漆）或ABS（如皮纹）杯托本体PP+EPDM-TD20杯托卡爪PP+EPDM-TD20杯托垫EPDM簧片Steel橡皮筋Silicone Rubber3）杯托的布置要求。杯托是存放杯子的容器，其要求当杯子放在杯托中时，汽车在低于0.7g的水平加速度行驶时，饮料不得从杯托中脱落，因此，杯托的直径和高（深）度需满足表2的要求。两个杯托中心距离至少90 mm。表2杯托直径及深度要求杯托直径/mm杯托深度/mm701002 杯托的设计要求杯托面板如果定义为皮纹，一般应与杯托本体一样；定义为细皮纹，拔模角度需至少3。杯托与杯托面板的定位采用一个4向定位销作为主定位，一个2向定位销作为辅助定位，面板与杯托本体在开口处需有握手结构保证杯托面板与杯托本体的面差符合精致工艺要求，一般定义杯托面板与杯托本体的间隙为0.3 mm，面差为0.5 mm，且杯托面板低于杯托本体。杯托卡爪与杯托本体间隙0.5 mm，簧片预紧力需保证卡爪在车辆行驶中不存在异响。杯托面板与杯托本体配合关系如图4所示，卡爪与杯托本体配合关系如图5所示。杯托本体杯托面板“握手”结构图4杯托面板与杯托本体配合关系杯托本体卡爪图5卡爪与杯托本体配合关系3 杯托的插拔耐久实验对于夹持类的杯托，要求其在全生命周期内卡爪功能正常，因此，其需满足15 000次杯托插拔耐久实验。实验在高低温湿热交变试验箱进行，温度可在-30 82 范围内变化，利用一个直径72 mm的杯子模拟块插入、拔出杯托，在表3所示温度及插拔次数下，最终经过15 000次插入拔出后，杯托无1562023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备损坏，功能正常，说明杯托的设计符合本公司规范要求。杯托的插拔耐久实验如图6所示。表3实验温度及对应插拔次数实验温度/插拔次数-303 724237 721402 97982576图6杯托的插拔耐久实验4 杯托的刚度分析汽车杯托一般布置在仪表板、副仪表板及门板上，便于顾客放置茶杯，属于顾客高频接触及使用区域，因此，杯托的刚度必须满足规范的要求，否则会降低顾客的驾乘体验7-10。为了既能保证有限元分析的精度，同时又能节省有限元分析的时间，本研究单独用杯托总成模型进行刚度分析。首先，将杯托模型导入到强大的网格划分软件HyperMesh中进行3D网格划分，有限元模型中网格多数为四面体单元，单元尺寸为1.5 mm。杯托总成是通过杯托面板上的塑料A型卡扣固定在副仪表上，所以约束杯托总成所有A型卡扣处的6个自由度。通过直径10 mm的圆盘在杯托总成上施加22 N的力，杯托总成的变形量不允许超过0.5 mm，再通过ABAQUS求解器施加约束和载荷后，有限元模型中单元数为3 256个，节点数量为3 846个，分析结果如图7所示，在此工况下杯托的变形量为0.438 mm，满足设计规范要求。5 结论本研究介绍了市场上常见的几种杯托形式、杯托各零部件材料的选择以及其布置要求，如杯托直径、深度的最小要求；杯托的定位策略是在前后分别布置1个主定位，1个副定位进行定位，并结合杯托面板与杯托本体的“握手结构”控制杯托面板与杯托本体的间隙面差符合精致工艺要求。对于夹持类杯托，需要在-30 82 满足15 000次插拔耐久实验，否则汽车杯托易在使用过程中失效。同时利用常用的有限元分析软件，对汽车杯托的刚度进行分析，以验证设计的合理性，分析结果表明，此杯托的设计符合要求，可为后续车型开发提供相应的参考。图7杯托刚度分析参考文献：1 程效锋，宋崇智，盛夕军.基于Moldflow与GA-BP的汽车杯托注塑成型工艺优化J.自动化与仪表，2022，37(10)：35-39.2 朱文婕.一种解决汽车杯托功能失效的方法J.现代制造技术与装备，2018(10)：103-104+106.3 徐雄，高威，丛艺家，等.副仪表板杯托固定结构及固定方案研究J.时代汽车，2018(9)：134-135+155.4 张志军.汽车内饰设计概论 M.北京：人民交通出版社，2008.5 曹渡.汽车内外饰设计与实战M.北京：机械工业出版社，2017.6 叶复灿，李庆楠，李卓.汽车内饰表皮材料产品的感官体验设计研究J.艺术与设计（理论），2022，2(2)：119-120.7 辛畅.汽车内饰设计中材质的交互式设计 J.时代汽车，2022(12)：134-136.8 邓雅倩，林丽.基于感性意象的汽车内饰色彩设计研究J.设计，2022，35(10)：136-139.9 奚小龙.汽车内饰设计过程中的人性化元素探讨J.艺术市场，2021(11)：104-105.10 田莉，岑枭炅，陈卉，等.汽车内饰的人性化元素设计分析J.专用汽车，2022(6)：55-57.