汽车手套箱设计及有限元分析.pdf

2023 年 10 月上159Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备汽车手套箱设计及有限元分析倪世威，袁丽军（江铃汽车股份有限公司产品研发总院，江西 南昌 330001）摘要：【目的】汽车手套箱是汽车内饰重要的功能件，其设计的好坏影响汽车开发质量，有必要对其设计要点进行分析。【方法】研究团队概述了汽车手套箱及其主要构成部件，介绍了手套箱布置中的突出物要求、膝部保护空间与脚部空间要求、扣手空间要求，分析了手套箱设计要点，主要包括手套箱焊接筋布置要求、手套箱空调维修盖板设计要求以及手套箱内、外盖板厚度设计要求等，并给出了手套箱设计时相关参数的推荐值。在此基础上，利用有限元软件对手套箱刚度进行分析，验证其刚度是否符合江铃汽车股份有限公司规范要求。【结果】手套箱的变形量为0.345 mm，符合设计要求。【结论】手套箱质量直接影响驾乘人员对汽车的整体感知，手套箱设计至关重要，本研究对于相关人员开展汽车手套箱设计工作具有一定参考价值。关键词：手套箱；内部突出物；焊接筋；刚度分析中图分类号：U463.83 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.19.042Design and Finite Element Analysis of Automobile Glove BoxNi Shiwei,Yuan Lijun(Jiangling Motors Co.,Ltd.,Product Research and Development Institute,Jiangxi Nanchang 330001)Abstract:Objective The automobile glove box is an important functional component of the automobile interior.Its design quality affects the quality of automobile development.It is necessary to analyze its design essentials.Method The research team summarized the automobile glove box and its main components,introduced the requirements for protrusions,knee protection space,foot space,and buckle space in the layout of the glove box,analyzed the design essentials of the glove box,mainly including the requirements for the layout of glove box welding ribs,the design requirements for the glove box air conditioning maintenance cover plate,and the design requirements for the thickness of the inner and outer cover plates of the glove box.The recommended values of relevant parameters in the design of glove box are also given.On this basis,the stiffness of the glove box is analyzed using the finite element software to verify whether the stiffness meets the specification requirements of Jiangling Motors Co.,Ltd.Result The deformation of the glove box is 0.345 mm,which meets the design requirements.Conclusion The quality of the glove box directly affects the overall perception of drivers and passengers on the automobile.The design of the glove box is very important.This study has a certain reference value for relevant personnel to carry out the design of the automobile glove box.Keywords:glove box;internal protrusion;welding ribs;stiffness analysis目前，随着汽车市场的不断发展壮大，市场可供选择的汽车类型较多，消费者不仅关注汽车的价格，更关注汽车的性能、外观、舒适度等方面，这加剧了汽车制造商的竞争1-3。汽车内饰与驾乘人员朝夕相处，内饰一定程度上为驾乘人员营造出家的氛围，因此受到越来越多的关注。而手套箱是汽车内饰件的重要组成部分，有必要加强对其的设计研究。1 手套箱及其主要构成部件概述手套箱是仪表板重要的功能件，是仪表板上最大的封闭式储物空间，其位于仪表板乘员侧下方，常用于放置驾乘人员私人物品或车辆维修手册等，因此要求手套箱箱斗Y向开口宽度应达到手套箱门盖板宽度的75%以上。手套箱一般由内盖板、箱斗、外盖板、安装框、锁机构、缓冲机构、阻尼器等组成4-6，如图1所示。锁机构先螺接在内盖板上，再随内盖板与外盖板采用振动摩擦焊接成一体。手套箱阻尼器主要有空气阻尼器、机械齿轮传动阻尼器和电动阻尼器，固定在手套箱框上，另一端连接在手套箱箱斗侧面。按开锁方式不同，手套箱锁机构可分为单点式锁机构（锁钩型式）及双点式锁机构（锁销型式）。单点式锁机构结构简单，成本较低，但是手套箱左右两侧的面差不易控制，且打开手套箱时锁钩外露，影响美观，主要应用于低端车型上。双点式锁机构成本相对较高，锁舌布置在手套箱上端两侧位置，两侧面差较容易控制。1.1 手套箱布置要求手套箱的布置需满足以下要求：1）突出物要求。在对应的假人碰撞吸能区域内作者简介：倪世威（1992），男，江西上饶人，本科，助理工程师，研究方向为汽车仪表板设计及发展。1602023 年 10 月上Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备（95%假人碰撞点前125 mm，50%假人碰撞点前100 mm，5%假人碰撞点前75 mm）没有硬点，尽量减少碰撞对驾乘人员的伤害7。外盖板手套箱框转轴阻尼器内盖板（含箱斗）缓冲块锁机构图1手套箱主要构成部件2）膝部保护空间与脚部空间要求。手套箱闭合状态下，手套箱外表面与人体腿部的距离要求不小于100 mm，手套箱打开时与腿部的距离不小于15 mm。手套箱铰链及下端的内部结构布置在从副驾驶95%眼椭圆及后排眼点都看不见的地方。手套箱打开时，由前排乘员眼点通过箱体内侧，观察不到仪表板内部零部件（如HVAC、CCB、线束等）以及手套箱紧固螺丝和缓冲垫，使手套箱设计美观8。膝部保护及脚部空间，如图2所示。3）扣手空间要求。为有足够的空间操作手套箱扣手，扣手深度不小于25 mm，宽度不小于40 mm，如图3所示。113.31 mm193.82 mm图2膝部保护及脚部空间 109.5mm 25.4mm 图3扣手的空间要求1.2 设计要求1.2.1手套箱焊接筋布置要求由于手套箱内、外盖板通常采用振动摩擦焊接成一体，且焊接质量对手套箱与仪表板的间隙面差影响很大，因此本文介绍手套箱内、外板焊接需注意的事项。手套箱一般横向筋（Y向）为焊接筋，纵向筋为加强筋，通常横向筋与手套箱外盖有1 mm过盈量，纵向筋则整条边或者局部与外盖预留1 mm的间隙。横向筋和纵向筋一般会设计0.5的拔模角，为了防止产生缩印，筋的宽度推荐1 mm9。手套箱焊接方向一般为Y方向，横向筋方向需与焊接方向一致，相近两条筋的距离在20 mm左右，纵向筋之间的距离一般不做要求，可根据布置空间和强度的要求进行适当的调整；横向筋和纵向筋呈网格分布且分布均匀；横向筋和外盖板干涉1 mm，纵向筋需跟外盖板有1 mm间隙，防止焊接过深导致纵向筋被破坏；筋高度不宜过高，否则筋强度太弱不利于焊接，建议高度在10 mm左右。手套箱外盖上限位筋取决于焊接筋的斜度，斜度较大的外盖上需增加限位筋，以防止手套箱内、外盖板焊接时滑动，使焊接稳定；斜度较小的可不加限位筋，视具体情况而定10。手套箱焊接筋如图4所示。纵向筋横向筋图4手套箱焊接筋1.2.2手套箱空调维修盖板设计一般手套箱背部是空调布置区域，为便于更换空调滤芯，手套箱后部需留有空调维修孔，有时也会设计空调维修盖板。空调维修盖板必须便于拆卸，维修盖板长度和宽度尺寸通常参考空调滤芯尺寸，单边增加12 mm。手指Z向避让宽度建议为60 mm，手指Y向避让宽度建议为18 mm，手指X向避让宽度建议为14 mm。手套箱完全开启后，后部维修孔在乘员视野方向上不可见。空调维修盖板如图5所示。1.2.3手套箱内、外盖板厚度设计手套箱内、外板为了尽可能实现手套箱最大容积，同时显得手套箱在锁结构区域鼓包不那么大，需2023 年 10 月上161Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备要将各尺寸尽可能控制到最小，内、外板最小厚度可做到约40 mm。手套箱内、外盖板厚度设计如图6所示。图中，T手套箱内、外板在扣手处的厚度；A外板和扣手的面差，一般为 0.5 mm1 mm；B 扣手的厚度，扣手与手指作用处，一般厚度为 4 mm5 mm；C手指的操作空间，一般为19 mm21 mm；D 外板的厚度，一般为 2.5 mm，最小可做到 2 mm；E外板到锁杆的间隙，一般为3 mm，最小可做到2 mm；F锁杆的厚度，一般为10 mm10 mm，可以做到 8 mm12 mm，保证截面积接近；G锁杆到内板的间隙，一般为3 mm，最小可做到2 mm；H内板的厚度，一般为2.5 mm，最小可做到2 mm。空调维修盖板图5空调维修盖板外板锁杆内板扣手图6手套箱内、外盖板厚度设计2 刚度分析手套箱作为驾驶舱内驾乘人员常接触的区域，其刚度需满足设计要求，否则驾乘人员感知质量较差，因此有必要对其进行刚度分析。将手套箱模型导入HyperMesh软件中，利用其强大的网格划分功能进行3D网格划分，设置网格类型为四面体单元，单元尺寸为2.5 mm。此模型单元数为48 521个，节点数为49 878个。约束连接手套箱与仪表板骨架的所有固定点上6个自由度。根据江铃汽车股份有限公司内部规范要求，由于手套箱区域是驾乘人员高频接触区域，因此要求其用直径10 mm的圆盘在手套箱上施加20 N的载荷时变形量不超过0.5 mm。由图7可知，手套箱的变形量为0.345 mm，满足江铃汽车股份有限公司规范要求。图7手套箱变形云图3 结论1）本文介绍了汽车手套箱的主要构成部件，同时介绍了手套箱设计开发过程中的布置要求、手套箱焊接筋的布置要求、空调维修盖板的设计要求以及手套箱内、外盖板厚度设计要求等，可为后续手套箱的设计提供相应参考。2）由于手套箱的刚度直接影响驾乘人员的感知，本文通过对某一手套箱的刚度分析，介绍了江铃汽车股份有限公司的刚度分析标准。分析结果表明，手套箱的刚度满足该公司规范要求。参考文献：1 杨勇，郝旭飞.汽车手套箱的设计开发 J.汽车科技，2020(1)：41-45.2 汪洪清.汽车仪表板手套箱开发研究 J.汽车实用技术，2015(3)：52-55.3 曹渡.汽车内外饰设计与实战M.北京：机械工业出版社，2017.4 朱瑶洁，盛浩，王建.乘用车手套箱性能要求综述J.时代汽车，2018(7)：105-107.5 程丹.基于ANSYS的汽车仪表板侧盖板的结构优化设计J.装备维修技术，2020(1)：19.6 吴琳.汽车手套箱设计及其模态分析 J.汽车实用技术，2023，48(3)：79-82.7 刘晓锋，王亚振.谈汽车产业中仪表板手套箱设计的分析J.中小企业管理与科技（中旬刊），2016(4)：177-178.8 王伟，王少杰.分析汽车行业中汽车仪表板手套箱开发J.中小企业管理与科技（中旬刊），2016(4)：185-186.9 关杰，王士川.仪表板手套箱设计J.科技风，2013(11)：57.10 甘志常.汽车仪表板技术分析 J.汽车与配件，2018(23)：71-73.