两厢乘用车衣帽架承载性研究与浅析

郑家节，韦英林，韦智敏（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州，545007）



两厢乘用车衣帽架承载性研究与浅析

郑家节，韦英林，韦智敏
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州，545007）

研究两厢乘用车后窗衣帽架的弯曲强度和弯曲模量。在衣帽架产品材料定义为木粉板，原材料力学性能都限定的前提下，通过CAE分析和物理试验寻找影响产品强度和承载能力的控制参数，进一步得出最优控制参数值，兼顾产品造型外观上的要求，从而达到设计低成本和高性能产品要求的目的。

木粉板；两厢车；衣帽架；承载能力

引言

两厢乘用车衣帽架是布置在整车后排座椅与后挡风玻璃之间的内饰零件，会随着汽车尾门的打开而向上翻转，是可以拆卸下来的装饰零件。其功能是能够放置一些随身物品，同时也起到遮挡行李箱的作用。为了满足顾客放置物品的需求，尤其是比较沉的物品，对衣帽架自身强度要求很高；而受制于整个衣帽架的布置，整个产品只在左右两侧才有支撑平台，这对衣帽架的承载性能有很大的挑战，本文也正是对此而展开的系列研究，从而找出影响承载性能的因子以便进行控制。

本文主要对材料为木粉板，通过热压成型的产品——两厢乘用车后窗衣帽架进行强度分析，寻找到产品的最优复合方案及可靠结构，常见的衣帽架零件见图1所示。木粉板为木塑复合材料的简称［1］，木塑复合材料（Wood Plastics Composites）是用木粉、木纤维或植物纤维填充、增强的改性热塑性材料［2-3］。选择木粉板作为研究材料是由于木粉板兼有木材和塑料的成本和性能的优点，其制品具有质量轻、成本低，对设备磨损小等优点，已经广泛用于汽车、建筑、包装、家具等领域。

1　增加复合材料（无纺布）对衣帽架力学性能的影响

1.1确认复合样品的排布方式

常见衣帽架形式如图1。

图1　常见衣帽架形式

通过对比在衣帽架正反面复合无纺布［4］，并结合无纺布的取向方式，对复合材料进行取样测试，每种复合方案的材料取样数量为5块，用材料试验机得出不同样品的弯曲应力应变曲线，如表1所示。

表1　样品排布方式

1.2应力应变曲线对比

应力应变数据曲线［5］的对比见图2、图3。

1.3衣帽架增加复合材料的方案总结

根据不同的取样方式所做试验能够得出以下两点：

一是衣帽架表面增加无纺布覆盖可以明显提高样品的弯曲模量，在面料已经确定的前提下，建议采用无纺布纹理横向覆盖基材；二是衣帽架背面增加无纺布对样品的弯曲强度有所减弱，但能提高样品的弯曲模量，可以视成本的压力及造型的要求来决定是否选择产品背面覆盖无纺布。

2　衣帽架结构对产品刚度的影响

2.1确定衣帽架结构变量

通过对衣帽架模型数据的分析，影响衣帽架的结构特征主要有以下几方面：A—衣帽架长度、B—衣帽架宽度、C—侧边沿到沉台宽度、D—前边沿到沉台宽度、E—凸起宽度、F—沉台到缺口的长度、G—缺口宽度、H—缺口长度、I—前翻边高度、J—侧翻边角度、K—沉台角度、L—侧翻边高度、M—侧翻边圆角、N—沉台深度等，具体参数如图4所示。

图4　衣帽架的控制变量

2.2变量变化对产品刚度的影响

通过CAE对以上变量的分析计算，得出不同变量对刚度贡献量的影响程度（如图5），右下图可知，影响产品刚度的主要因素为侧翻边高度、前后翻边的高度、沉坑深度和长度。

图5　衣帽架刚度贡献量分析

进一步通过变量变化对刚度的影响分析（见图6），可以看出：1）影响衣帽架刚度的主要因素：衣帽架侧翻边高度，前翻边的高度，沉坑深度，长度；2）在0-40%区域，变量对刚度的影响最剧烈；之后尤其是产品翻边的高度变量影响趋于稳定，但是中间坑的高度增加对刚度增加有一定帮助；3）侧翻边高度，前翻边高度在0-20%，对刚度影响最大；4）衣帽架长度对刚度有显著的负影响。

图6　衣帽架变量对刚度影响分析

2.3不同产品结构对衣帽架刚度变化的影响总结

对两厢车衣帽架而言，由于衣帽架长度及宽度可变范围很小，因此，翻边高度及沉坑深度是影响衣帽架刚度的主要因素。1）侧翻边高度定义：在侧翻边高度＜45mm时，增加翻边高度有利于提高刚度。在侧翻边高度＜30mm左右时，增加侧翻边高度能显著提高刚度；2）前/后翻边高度定义：在前/后翻边高度＜45mm时，增加前/后翻边高度有利于提高刚度。在前/后翻边高度＜35mm左右时，增加前/后翻边高度能显著提高刚度；3）衣帽架A面最好设计凹坑，且凹坑越深，衣帽架刚度越好。

3　实际项目的运用

通过以上产品物理实验及CAE分析确定的主要控制因素，选定材料为表面横向纹理无纺布覆盖，背面不带无纺布，对某车型衣帽架前期的造型数据进行了优化处理，并进一步进行CAE模拟分析得出优化前后衣帽架的模态和强度分析。

优化前方案：衣帽架沉台深度为5mm，侧翻边高度为20mm；

优化后方案：调整沉台深度为20mm，调整侧翻边高度为35mm。

两种方案CAE模拟分析的模态及强度分别参见图7和图8。

图7　优化前方案CAE分析结果

图8　优化后方案CAE分析结果

4　结论

在整车尺寸及成本限定前提下，定义衣帽架基材为木粉板即为了体现低成本的开发策略，如何在此基础上开发出高性能的衣帽架产品也正是本文研究的目的所在。两厢车衣帽架承载性要求主要是靠两方面来衡量：承受的载荷和变形量，对应的物理参数即为弯曲强度、弯曲模量和刚度。通过取样试验和CAE的模拟分析，细化到表面无纺布的取样方向，及产品设计结构的关键控制参数，由此而得出最优的设计方案。

［1］刘鸿文.材料力学［M］.2008，4.

［2］泛亚内饰教材编写组.汽车内饰设计概论［M］.人民交通出版社.2012，2.

［3］中国航空研究院编著.复合材料结构设计手册［M］.航空工业出版社，2001.

［4］乔生儒主编.复合材料细观力学性能［M］.西北工业大学出版社，1997.

［5］李思远，杨伟，史炜等.木粉/聚丙烯复合材料力学性能及结晶行为研究［J］.塑料工业，2005，5.

郑家节（1984-），男，广西桂林人，本科，现工作于上汽通用五菱汽车股份有限公司，主要负责汽车内饰零件的设计和开发工作。

E-mail: jiajie.zheng@sgmw.com.cn

Rear Window Trim Stiffness Research On Hatchback Vehicle

JiaJie Zheng， Yinglin Wei， Zhimin Wei
（SAIC GM Wuling Auto Co.，Ltd.， Liuzhou， Guangxi， 545007， China）

Research the stiffness and mode of hatchback rear window trim. Based on the material is wood flour composites with the mechanical performance limiting， find the control factors of product stiffness and load capacity through the CAE analyses and physic test and get the optimized value of control factors to achieve the low cost and high performance target and fulfill the styling requirement.

PP/Wood Flour Composites； Hatchback； Rear Window Trim； Load Capacity

U463.6

A

2095-8412 （2016） 03-510-04