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）

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。

图1 手套箱主要构成部件

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（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]。

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。

图2 膝部保护及脚部空间

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。

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 mm[9]。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。

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。

图5 空调维修盖板

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 mm~1 mm；B——扣手的厚度，扣手与手指作用处，一般厚度为4 mm~5 mm；C——手指的操作空间，一般为19 mm~21 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 mm×10 mm，可以做到8 mm×12 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。

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。