汽车扶手滑动操作力的研究与应用

高岩

摘要：汽车中央通道的扶手几乎是中高档车型的标准配置，其中可滑动的扶手为车型档次的提升提供了较大的贡献，在为车型赢得良好的舒适性评价的同时，也为主机厂带来更好的销售业绩和利润回报。本文针对我司在滑动扶手操作力方面出现的超差问题进行了抽丝剥茧的分析和研究，找到了影响滑动操作力的关键因素并进行了有针对性的更改优化，不但满足了主机厂的操作力要求，还从项目中提取了钢管结构形式的滑动4-k手操作力计算表和参数化模型，为今后的滑动扶手项目设计提供了快速解决方案和前期力值计算的理论验证基础。

关键词：汽车内饰；滑动扶手；操作力；钢管；弹片

汽车内饰产品设计必须满足现有国家法律的各項规定，同时还要满足主机厂的产品功能定义。除最重要的安全性法规外，人机舒适性是体现汽车内饰设计优秀与否的重要方面。恰到好处的人机设计可以让驾驶者轻松驾驭车辆，舒适地使用各种功能。除操控系统、娱乐系统以外，作为内饰区域功能件之一的中央通道扶手是体现设计舒适性的主要一员。根据最近三届上海/北京车展的扶手信息调研和统计发现，中央通道的滑动扶手作为中高端车型提升舒适性的一种配置，已经被越来越多的主机厂所采用，且市场占有率已逐年提升至接近50%。

主机厂对滑动扶手的主要考核指标有刚/强度和滑动操作力两项内容，但各主机厂对滑动操作力的各操作阶段还有各不相同要求和评判指标。扶手刚/强度的要求可以通过沿用成熟的结构设计并进行计算机辅助分析（CAE）来模拟和验证性能指标是否合格，但滑动操作力的要求在结构设计时不但需要考虑材料和结构参数，而且需要用到弹片结构来调节和控制不同阶段的操作力，CAE工具较难准确模拟和预测，只能到后期采用产品实物进行物理实验验证。一旦验证性能指标不合格，更改投入会比较大。而且不同项目的滑动扶手产品各不相同，导致设计结构参数难确定，制造过程工艺难控制，产品模块化困难、相对成本偏高等较多问题，因此需要针对滑动扶手操作力进行深入研究

1问题来源

在某项目产品实验验证阶段，实测滑动扶手的开启力和关闭力都超出了主机厂要求的公差范围。2结构拆解及因子分析

首先，我们对项目产品进行结构形式拆解，发现该项目采用了钢管滑轨配合弹片的典型结构形式。其中滑动上盖通过两根钢管滑轨与下盖基座连接，上盖和滑轨可以在下盖基座上前后滑动；在下盖基座上设计了一个与上盖筋槽横向压紧并摩擦的金属弹片，通过调节上盖筋槽的造型及弹片的进入和滑出角度、弹片刚度、弹片过盈量等参数，可以使弹片在不同的运动阶段产生不同的阻力效果，从而实现调节滑动力的功能。

在该产品模型中，上盖、下盖基座、钢管滑轨、储油环、弹片等零件的重量、材料、表面处理、结构参数（厚度、宽度、预压缩量）、性能参数（硬度、刚度）等，以及各零件间的匹配间隙、过盈尺寸等都对最终的滑动力存在影响，因此我们将这些参数进行了收集，并根据产品实际波动范围进行了评估，汇总到组件变量表中。

然后，我们根据产品滑动操作力超差的问题点进行失效模式和失效结果分析，可以评估出各组件的各相关参数对结果的影响程度，再应用变量重要性表，根据影响程度、重要度等指标对相关变量进行综合打分，最终确定出需要深入研究的重要变量，针对不重要的变量，先进行设计参数锁定。

最终，经过细致的分析工作，我们可以得到钢管滑轨配合弹片形式的滑动扶手模型操作力的系统分析总结：钢管材质/外观处理、弹片刚度、弹片过盈量和接触面角度为影响开启、过程和关闭操作力考核指标的重要参数。

3模型简化及力学研究

由于该项目已到实验验证阶段，大部分设计参数（包括产品重量、材质、匹配间隙等）都已经锁定，如果进行设计参数更改会带来较大的工程更改费用问题，而在系统分析总结中作为关键可控因素的弹片结构相对容易调节且更改成本低，对操作力影响占比大，因此被作为进一步研究和优化的对象。

根据《材料力学教程》中“梁的变形”章节中对挠曲轴的微分方程理论，将弹簧片简化为矩形截面简支梁后，根据弹片设计参数可对其进行变形及受力的分析计算，得到现有弹片在产品结构中提供的作用力，再根据力的合成与分解法则，进一步得到其对滑动操作力的影响。根据产品状态实测重量、摩擦系数等参数，代入计算公式发现，按照主机厂的滑动操作力要求，弹片在设计时应满足特定范围的插入角（18°～29°）和拔出角（35°～45°）。

通过检查弹片实物发现，原设计并没有满足此要求。因此，在其他设计参数不更改的前提下，我们对弹片的两处折弯角度进行了设计更改：插入角度降低至27°，拔出角度降低至35°。当然，仅仅依靠理论计算并不能确保产品状态满足主机厂要求，后续我们进行了物理实验验证的工作。

4测量系统及实验验证

只有保证数据测量结果的真实性和有效性，才能通过实验数据来验证前期的分析是否正确。良好的测量系统既要满足测量稳定性和测量精度的要求，又要能够有效排除测量环境、测量人员及其交互作用对测量结果的影响，即满足统计学的重复性和再现性（GR&R）。测量系统的分析从统计学上来说就是双因子方差分析，通过变换一定数量的测量人员、测量样本、测量次数并进行随机测量，然后对测量结果进行双因子方差分析，来判断测量系统是否有良好的表现。主要的判断依据是合计量具R&R和可区分类别数（NDC），当前者小于30%、NDC不小于4才为合格，且合计量具R&R越小越好，NDC越大越好。

我们的数据采集使用实验室的数控测量系统。在该系统中，扶手产品通过对接工装稳定而精确地装配到位，电机丝杠驱动工装的推板完成扶手滑动过程模拟，通过电脑精确控制滑动起止位置、速度、角度等，并进行全程操作力的数据采集。

依据GR&R标准方法，我们针对开启力、过程力、关闭力三组输出变量分别进行了三组产品样本、四位测量人员、六次重复的数据采集和结果的GR&R分析工作。结果发现，数控测量系统的合计量具R&R值为27.2%，NDC=7，由此可知数控测量系统满足GR&R要求，是一套可信的测量系统。

应用这套数控测量系统，我们对弹片结构调整后的滑动操作力进行了测量，结果显示滑动开启力、过程力和关闭力均能满足主机厂要求，验证了设计更改是有效的，成功地解决了项目问题。

5应用推广

笔者针对我司常用的多款滑动扶手结构形式进行了汇总和对比，发现钢管滑轨配合弹片的结构形式具有刚/强度好、实验性能优、成本投入低等多项优点，因此，可作为滑动扶手的平台化标准结构进行设计固化。但在推广应用时如何能够在设计前期就根据主机厂要求快速设计出满足操作力性能指标的产品，成为了新的难点。

依据前面完成的系统分析总结，我们将设计前期与主机厂A面定义相关的扶手滑盖重量作为输入因子，钢管材质/外观处理、弹片刚度、弹片过盈量、和接触面角度作为控制因子，并根据控制因子的不同参数范围设置了对应的高低水平，再运用Minitab软件对各因子和水平进行排列组合并随机加入六个中心点后，完成全因子实验设计矩阵。针对三个阶段的操作力分别进行测量，我们共进行了162次实验和数据采集。

将所有物理实验测得的结果放入Minitab软件进行分析和拟合，分别得到了滑动开启力、过程力和关闭力的拟合方程，并将公式汇总成计算表。经其他多个项目验证，计算结果可以满足客户偏差范围要求。再结合参数化的钢管滑轨结构设计模块和图纸，此模块化结构可供设计工程师直接应用，不但可以提升前期设计效率，同时可以减少后期更改。

6结语

本次研究来源于项目需求，借助产品结构分析、力学计算、实验测量、统计学归纳等方法和工具，针对汽车滑动扶手操作力问题，从众多影响因素中找到了关键因子，并通过理论计算和实验测量得到了可行的解决方案。同时，从项目中提取了钢管滑轨结构形式的滑动扶手操作力计算表和参数化模块，为今后的滑动扶手项目设计提供了快速解决方案和设计前期力值计算的验证基础。