汽车手套箱设计及其模态分析

吴 琳

汽车手套箱设计及其模态分析

吴 琳

（江铃汽车股份有限公司 产品研发总院，江西 南昌 330001）

手套箱作为内饰件的重要功能件之一，其设计的好坏决定了生产产品的性能能否符合顾客需求。文章介绍了手套箱的组成及其在设计开发过程中相关重要参数如何设定，如手套箱容积的大小要求，手套箱焊接结构参数的设计及定位策略，锁舌与锁舌套的搭接设计，扣手开口尺寸及手套箱开启限位块的设计，目的是为后续类似结构的设计提供相应的参考。同时结合车辆在路试过程中经常出现的手套箱异响情况，利用有限元分析方法，对手套箱进行模态分析，分析结果表明，手套箱的一阶频率及二阶频率均大于45 Hz，符合设计要求，通过文章的研究，可减少产品因设计缺陷而导致的修模费用。

汽车手套箱；锁舌；锁舌套；模态分析

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]。汽车内饰一定程度上为乘客营造出家的氛围，受到越来越多的关注。手套箱作为汽车内饰件的重要组成部分，有必要加强设计研究，为同类产品的设计提供相应参考。并且根据路试过程中手套箱异响问题时有发生，有必要对手套箱进行模态分析。

1 手套箱概述及要求

手套箱总成作为仪表板总成的重要部分[2]，是重要的储物空间。目前，汽车上使用的手套箱主要有斗盖分离式和斗盖一体式，通常情况下，斗盖分离式手套箱是通过卡扣与螺钉安装在仪表板本体上；斗盖一体式手套箱则通过自身转轴卡接在本体的轴端位置。常用手套箱结构一般由内板（带箱斗）、外板、安装框，锁机构组成，有时还包含阻尼，氛围灯等。安装框固定在仪表板骨架上，内、外板采用振动摩擦焊接，然后通过内板或外板上卡爪利用转轴（可分件或与框架一体注塑成型）将内外板固定在安装框上，并保证箱斗转动。按开锁方式不同，手套箱锁结构分为单点锁及双点锁，单点锁结构简单，价格便宜，但由于锁舌布置在手套箱上端中间位置，手套箱与周边件的间隙面差不好控制，实际使用较少；双点锁锁舌布置在手套箱上端两侧位置，手套箱与周边件的间隙面差较容易控制，使用比较广泛[3]。手套箱总成常用材料如表1所示。

表1 手套箱常用材料及表面工艺

1.1 布置要求

为了乘坐的舒适性，一般要求50%假人到手套箱外板的距离在100 mm～110 mm之间，且手套箱在开启最大角度时（通常情况是30°），腿到手套箱外板的距离在20 mm左右为宜。由于手套箱的作用是收储检车证件，用户手册等，它的容积大小需满足：

（1）当手套箱完全关闭时，要求能放入一个275 mm×45 mm×170 mm的方块（见图1）；

图1 手套箱关闭时容积要求

（2）手套箱完全打开时，最小入口区域要求为275 mm×100 mm（见图2）；

图2 手套箱打开时尺寸要求

（3）手套箱箱斗设计宽度应大于手套箱内部长度的75%；

（4）手套箱完全打开时，最小开口尺寸要求大于120 mm；

（5）手套箱在向的最低点距离地板的最小高度为300 mm。

1.2 设计要求

1. 手套箱焊接及其定位策略

手套箱一般采用振动摩擦焊工艺焊接内外板。焊接筋通常向布置，厚度1 mm、高度15 mm左右，焊接深度1 mm，布置间距一般在13 mm～20 mm之间，为使内外板搭接更美观，一般内、外板采用压接方式，间隙一般为0.5 mm。手套箱是运动件，为了防止手套箱开启和关闭过程中左右晃动，导致运动干涉或与仪表板的间隙左右不均，需设计好手套箱的向定位策略。手套箱一般靠内板或外板上的卡爪与安装框上槽进行定位。为保证手套箱与仪表板左右间隙一致，一般将向定位放在中间位置，定位间隙单边0.1 mm，如图3所示。手套箱的旋转铰链要求与向平行，手套箱开启后与门板的最小距离应不小于10 mm，与仪表板的间隙一般定义为1.5 mm～2.0 mm。

图3 手套箱定位策略

2.手套箱锁舌及锁舌套的设计

手套箱如果设计得不好，会经常出现锁舌卡滞，无法回弹或是手套箱假关的情况，因此，有必要探讨下锁舌及锁舌套的匹配设计。锁舌套是控制锁杆位置的关键部件，其经常要与锁杆摩擦，因此，应选择有自润滑功能的聚甲醛（Polyformal- dehyde, POM）材料，锁杆选择聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物混合物（Polycarbonate/ Acrylonitrile Butadiene Styrene）PC/ABS材料，锁舌套卡接在手套箱安装框上。为了防止锁舌在车辆行驶过程中有异响，一般锁舌与锁舌套会做 1.0 mm左右的干涉量，而锁舌与锁舌套的搭接量应小于锁杆的行程，一般建议为4.0 mm左右，锁舌导入角为50°，便于装配。为了保证锁杆与向平行，一般在锁舌两侧附近有锁杆定位支架，确保锁杆始终处于水平方向位置。由于手套箱关闭有过行程，避免因反弹原因导致锁杆不能进入锁套，在关闭方向上[4]，相对手套箱理论位置需要向前有不小于3 mm的缓冲行程，以便有锁杆落入锁套的反应时间，但为了不产生间隙，此处需要增加缓冲块[5]。如图4所示。

图4 手套箱锁舌及锁舌套匹配结构

3.手套箱扣手设计

手套箱按扣手开口方向的不同，可以分为横向扣手（左右开启扣手）、纵向扣手（上下开启扣手）两种。对于上下开启的扣手，为满足造型的美观性，横向尺寸一般都能满足三指宽度的操作要求。扣手下方需人机校核，要预留手指操作空间，开口的纵向尺寸最好大于35 mm。对于左右开启的扣手，纵向尺寸一般大于40 mm，横向尺寸则需要进行结构布置和运动校核。扣手转轴需与向平行，开启角度一般定义25°。

4.手套箱开启限位

手套箱最大开启角度一般为30°，手套箱安装角度一般设计为60°，由于开启后手套箱会在重力作用下完全打开，且有一定的惯性，如果这个惯性力超过了开启限位所能提供的阻力，那么手套箱将会脱落，这是不允许的，因此，手套箱需要增加开启限位，在手套箱开启到30°时，限位块与手套箱的干涉量确保在3 mm以上，防止手套箱脱落[6]，同时在限位块的另一端，增大安装导向角，便于手套箱的装配。

2 模态分析

手套箱作为内饰件的重要功能件，路试时手套箱异响的情况时有发生，实验路谱如图5所示，一般有两方面原因，一是手套箱锁舌及锁舌套设计不合理，没有设计干涉量等导致路试异响，另一方面是手套箱的振动频率与发动机舱的频率接近，从而产生共振异响，因此，有必要对其进行模态分析。

2.1 理论基础

模态是结构动态特性分析的基础，包括固有频率和振型，是振动系统的固有特性，对结构的动态响应、动载荷的产生和传播以及结构振动的形式等具有重要影响。作为具有有限个自由度的弹性系统，振动微分方程为

在无阻尼自由振动情况下，进行傅式变换可得

变换为特征方程：

（3）

式中，为系统固有频率；为系统振型。

2.2 有限元模型及分析

将手套箱模型导入到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4 mm，在确保计算精度的同时，节约计算所需要的时间。此模型单元数为36 773个，节点数为35 126个。约束连接手套箱到仪表板骨架上的所有安装点上6个自由度。根据本公司内部规范要求，手套箱各阶模态频率不小于45 Hz，方可避免手套箱产生共振。由图6和7可知，手套箱的一阶频率为66 Hz，二阶频率为79 Hz，满足本公司规范要求。

图6 一阶频率

图7 二阶频率

3 结论

本文概述了汽车手套箱的组成及其定位安装策略，同时探讨了锁舌与锁舌套搭接设计，扣手及其开启限位块设计过程中的重要参数，给后续手套箱的设计提供了一定的参考。

根据手套箱路试中存在的异响问题，针对其中的共振异响，本文通过对某一手套箱的模态分析，介绍了本企业的模态分析标准，分析结果表明，手套箱的模态满足规范要求。

[1] 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.

[2] 李桂丽,张娟,张腾跃.浅议汽车仪表台上手套箱的设计与开发[C]//第十五届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集.郑州:河南省汽车工程学会,2018:89-91.

[3] 李德群.基于Moldflow的汽车手套箱框本体注塑模设计[J].模具技术,2022(1):9-13.

[4] 朱瑶洁,盛浩,王建.乘用车手套箱性能要求综述[J].汽车设计,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] 程世奇,孔君丽,秦颖,等.汽车手套箱技术方案选择策略[J].汽车工程师,2018(9):43-46.

Design and Modal Analysis of Automobile Glove Box

WU Lin

( General Institute of Product Research and Development,Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

As one of the important functional parts of interior trim, the design of glove box determines whether the performance of produced products can meet the needs of customers. This paper introduces the composition of the glove box and how to define some important parameters in the design and development process, such as the volume requirements of the glove box, the design and positioning strategy of the welding structure parameters of the glove box, the overlapping design of the lock tongue and the lock tongue sleeve, the size of the buckle opening and the design of the opening limit block of the glove box, in order to provide corresponding reference for the subsequent design of similar structures. At the same time, combined with the abnormal noise of glove box often occurred in the process of vehicle road test, this paper introduces the modal analysis of glove box by using the finite analysis ways. The analysis results show that the first-order frequency and second-order frequency of glove box are greater than 45Hz, which meets the design requirements. Through the research of this paper, the mold repair cost caused by design defects can be reduced.

Automobile glove box; Lock tongue; Lock tongue sleeve; Modal analysis

U463.8

A

1671-7988(2023)03-79-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.015

吴琳（1986—），女，硕士，工程师，研究方向为汽车内外饰设计及布置，E-mail:253085579@qq.com。