汽车中央扶手操作力的研究与应用

周剑奇，黄 奇，龚 琪

（1.江铃汽车股份有限公司 整车工程研究院，江西 南昌 330200；2.南昌吴越塑料工业有限公司 技术部，江西 南昌 330200）

随着汽车行业的飞速发展，汽车内饰功能越来越丰富。中央扶手作为汽车内饰中主要功能件之一，通常置于副仪表板上，关闭状态可以供驾驶员舒适倚靠，开启状态下可以供车内乘员取放储物箱中的物品[1]。所以在设计时对扶手的考核尤为重要，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[2]，还需着重考核其刚/强度和开启关闭时的操作力，乘客的感知质量[3]会直接影响乘客对品牌的认知。

近年来，为了便于操作使用和保证使用安全，出现了能够使箱盖在任意位置悬停的铰链结构[4]，故多家主机厂的中央扶手采用了摩擦式铰链。该类型铰链的优点是摩擦式铰链能提供阻尼，克服扶手自身重力，达到扶手在任意位置悬停目的。但这种扶手对铰链提供的摩擦力矩的要求非常严苛。摩擦力矩太大会导致扶手开启力太大从而引起顾客抱怨；摩擦力矩太小会导致无法克服扶手自身重力从而扶手无法在任意位置悬停，或者会导致扶手在颠簸路面时产生异响。

本文在针对采用摩擦式铰链的中央扶手，研究扶手的开启力、关闭力、铰链摩擦力矩的关系。根据主机厂提供的操作力，指导供应商铰链摩擦力矩设计。

1 中央扶手开启关闭系统受力分析

本文介绍的中央扶手开启关闭系统是由扶手上盖板总成、下盖板总成、铰链总成组成。其中铰链总成由上铰链、下铰链及摩擦阻尼机构组成，下铰链固定不动。上盖板总成通过螺钉固定在上铰链上，下盖板通过塑料卡扣固定在上盖板上，详细的布置结构如图1所示。

图1 中央扶手开启关闭系统

1.1 中央扶手工作原理

当扶手处于关闭状态，客户将力作用在扶手下盖总成前端，向上提拉扶手，将扶手打开；当扶手处于开启状态，客户将力作用在上盖板前端，向下推扶手，将扶手关闭。扶手开启关闭过程，手上的作用力用来克服扶手受到的各种力矩之和，包括扶手的重力力矩和铰链的摩擦力矩。开启、关闭过程中的任意位置，顾客取消操作力，在铰链阻尼机构提供的摩擦力作用下，扶手都可在铰链提供的摩擦力下保持静止不动，从而在任意位置悬停。

1.2 中央扶手操作力计算模型

图2 中央扶手受力分析示意图

图3 重力力臂示意图

图中，O为铰链旋转轴心；A为客户手操作位置；B为扶手重心位置；Fh、Lh分别为手上操作力和操作力的力臂；G、Lg分别为中央扶手的重力和重力力臂。

图中，铰链轴线与重心的距离R保持不变，铰链旋转轴心O坐标(Ox,Oz)，重心B坐标(Bx,Bz)，α为扶手开启角度，β为扶手关闭状态与地平线的夹角。

根据力矩平衡原理，可以得到开启关闭过程中的力矩平衡公式。

开启过程：

关闭过程：

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式中，Fhk为开启过程手上操作力，即开启力；Fhg为关闭过程手上操作力，即关闭力；Tf为铰链提供的摩擦力矩。

由工作原理及力学分析，影响操作力的因素有摩擦力矩、重力、重力力臂及操作力力臂，输入上述值，可精确计算扶手操作力，操作力的计算模型为

1.2.1 开启及关闭力力臂

手上的作用力一直垂直于手操作位置和铰链轴的连线，故手上作用力的力臂在扶手开启关闭过程中保持不变。所以可以通过铰链轴心和手操作位置坐标计算力臂：

式中，(Ax0,Az0)为扶手关闭状态客户手操作位置坐标。

1.2.2 重力力臂

扶手重力力臂是随着扶手开启角度变化而变化的，如图2 所示。扶手在开启关闭过程中，铰链轴心与重心的距离R保持不变。

式中，(Bx0,Bz0)为扶手关闭状态扶手重心坐标。

任意时刻重心力臂：

α+β= 90°时是一个临界点，此时扶手重心与铰链轴心在x方向重合，即Ox=Bx，临界点前后重力做功效果不同。

开启过程，从关闭状态到达临界点前，重力做负功，开启力需克服重力和摩擦力矩做功，过了临界点到完全开启状态，重力做正功，开启力和重力共同克服摩擦力矩做功。

关闭过程，从完全开启状态到临界点，重力做负功，关闭力需克服重力和摩擦力矩做功，从临界点到关闭状态，重力做正功，关闭力和重力共同克服摩擦力矩做功。

2 某车型操作力的计算模型应用

事实上，在设计阶段，铰链的摩擦力矩很难准确地获取[6]，需要基于扶手的操作力性能指标进行参数化驱动正向设计，获得摩擦力矩，指导铰链设计。

2.1 某车型力臂计算

在CATIA中建立材料库，并设置中央扶手总成中每个子零件的材料属性，关键零件材料属性如表1所示。

表1 零件材料属性

完成以上操作后，选中中央扶手总成，点击测量惯量命令，可获得扶手关闭状态扶手重心坐标及质量，如图4所示，(Bx0,Bz0)=(3 434.495,2 070.158)，中央扶手质量m=1.869 kg。

图4 重心坐标

通过CATIA测量得客户手操作位置坐标：

铰链旋转轴心坐标：

以上数值代入式（5）、式（7）可得

操作力力臂Lh=0.289 m；重量力臂：

2.2 某车型铰链摩擦力矩计算

假设扶手运动过程铰链摩擦力矩为恒定值，将计算得到的Lg、Lh代入操作力计算模型式（3）、式（4）得

当α=0时，扶手处于完全关闭状，此时有最大开启力：

当α= 90°时，扶手处于完全开启状态，此时有最大关闭力：

根据本公司开发的 3款摩擦式铰链的中央扶手经验，开启力为20 N时，顾客手感最佳，因实际测量扶手操作力时得到的是开启、关闭过程中的最大值，故定义最大开启力为 20 N。在 2.1节已知扶手重量m=1.869 kg，故G=mg=18.32 N，代入式（11）、式（12）得摩擦力矩Tf=3.87 Nm，最大关闭力Fhgmax=15 N。

2.3 扶手开启角度与操作力对应关系

基于前两节计算的操作力力臂、重力力臂、摩擦力矩，构建扶手操作力与开启角度的关系如图5所示。

图5 开启力及关闭力与开启角度关系图

如图5所示，随着开启角度越大，所需的开启力越小，所需的关闭力越大，最大开启力20 N，最大关闭力15 N。所以设计时扶手性能指标定开启力名义值定义20 N，扶手关闭力名义值定义15 N，此处所描述的扶手开启力和关闭力指的是最大开启力和最大关闭力。

3 扶手操作力的主要影响因素

因实际测量扶手操作力时得到的是开启、关闭过程中的最大值，故本节分析影响因素对最大开启力与最大关闭力的影响。

项目设计经验，不同车型铰链轴线与重心的距离R及β变化很小，忽略其对操作力的影响，主要分析摩擦力矩、扶手质量、操作力的力臂对最大开启力与最大关闭力的影响。

3.1 摩擦力矩对最大开启力、关闭力的影响

根据第2节计算值，假设R=0.11 m、β=16.1°、m=1.869 kg及Lh=0.289 m为定值，Tf对操作力的影响如图6所示。

图6 摩擦力矩与操作力的关系图

如图6所示，最大开启力和最大关闭力都随着摩擦力矩的增大而增大，且两者在任意摩擦力矩值时有恒定差值。摩擦力矩变化1 Nm，对应操作力变化3.5 N。

根据项目经验，扶手开启力大于25 N时乘客会感觉操作费力，扶手开启力小于15 N时会导致整车路试测试时扶手易产生晃动敲击异响，故建议扶手开启力设置±5 N的公差，根据图6得到关闭力公差也会是±5 N，摩擦力矩公差为±1.43 Nm，结合 2.3节摩擦力矩与最大开启力、关闭力名义值，三者关系如表2所示。

表2 摩擦力矩、开启力、关闭力公差对应关系

3.2 扶手质量对最大开启力、关闭力的影响

根据本文第 2节计算值，假设R=0.11 m、β=16.1°、Tf=3.87 Nm及Lh=0.289 m为定值， 扶手质量m对操作力的影响如图7所示。

图7 扶手质量与操作力的关系图

如图7所示，最大开启力和最大关闭力都随着摩扶手质量的增大而线性增大，但扶手质量对最大开启力的影响比对最大关闭力的影响大。扶手质量变化0.1 kg，对应最大开启力变化0.35 N，对应最大关闭力变化0.1 N。

3.3 扶手力臂对最大开启力、关闭力影响

根据第2节计算值，假设R=0.11 m、β=16.1°、Tf=3.87 Nm及m=1.869 kg为定值，质量m对操作力的影响如图8所示。

图8 操作力臂与操作力的关系图

如图8所示，最大开启力和最大关闭力都随着操作力臂的增大而减小，但是非线性的，且操作力力臂越大，其变化对最大开启、关闭力的影响越小。

4 总结

扶手设计开发的主要工作就是量化扶手的性能指标，即开启力与关闭力，以扶手性能指标驱动扶手铰链的设计。

将终端主观感受—扶手开启关闭手感轻重，转化成扶手设计指标—扶手开启力、关闭力。再通过扶手工作原理及力学分析，建立扶手操作力的计算模型。

根据构建的扶手操作力与开启角度的关系，扶手操作力的主要影响因素分析获得：

1）扶手处于完全关闭状，此时有最大开启力，且开启力随之开启角度增加而减小；

2）扶手处于完全开启状态，此时有最大关闭力，且关闭力随之开启角度增加而增加；

3）最大开启力和最大关闭力都随着扶手质量的增大而线性增大，但扶手质量对最大开启力的影响比对最大关闭力的影响大。扶手质量变化0.1 kg，对应最大开启力变化0.35 N，对应最大关闭力变化0.1 N；

4）扶手开启力设计指标为（20±5）N时，扶手关闭力设计指标应为（15±5）N，摩擦力矩为（3.87±1.43）Nm；

5）最大开启力和最大关闭力都随着操作力臂的增大而减小，但是非线性的，且操作力力臂越大，其变化对最大开启、关闭力的影响越小。

本文利用操作力计算模型，基于扶手的性能指标（开启力）进行参数化驱动正向设计，获得摩擦力矩，从而指导供应商铰链设计。并且得到铰链摩擦力矩、扶手质量、操作力臂对对应关系，为以后的采用摩擦式铰链的中央扶手项目设计提供参考以及解决方案。