汽车空调面板触摸振动结构的设计与仿真

陈杰　方建中　韩后继　刘国承

【摘  要】为实现汽车触摸面板的振动效果，通过运用ABAQUS软件的动力学仿真技术对金属弹片进行设计，并对面板整体结构强度进行校核，最终设计出符合要求的触摸振动结构。结果表明：金属弹片作为振动的发生结构，其刚度不仅会影响最终加速度的输出，还会关系到整车振动时是否会引起触摸面板共振。对于整个触摸面板的动力学强度校核时，需重点关注金属弹片及面板安装位置，其余部位视情况而定。

【关键词】ABAQUS；触摸振动；空调面板；动力学

中图分类号：U463.851    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0071-03

Design and Simulation of Vibration Structure of Automobile Air Conditioner Panel

CHEN Jie，FANG Jian-zhong，HAN Hou-ji，LIU Guo-cheng

（Zhejiang Changjiang Automobile Electronic System Co.，Ltd.，Wenzhou 325000，China）

【Abstract】In order to achieve the vibration effect of automotive touch panel，the dynamic simulation technology of ABAQUS software is used to design the metal shrapnel and check the strength of the overall structure of the panel，and finally design the touch vibration structure that meets the requirements. The results show that the stiffness of the metal shrapnel，as the structure of vibration，not only affects the output of the final acceleration，but also affects the resonance of the touch panel when the vehicle vibrates. When checking the dynamic strength of the whole touch panel，it is necessary to focus on the metal shrapnel and the installation position of the panel，and the rest of the parts depend on the situation.

【Key words】ABAQUS；touch with vibration；air conditioning panel；dynamic

車载触摸面板因具有操作直观、软件灵活以及节省体积与成本等优点，已经逐步替代传统的机械开关。触摸面板不仅加大了防水、防尘等的可靠性，也大大提高开关的耐久性及键位布置的灵活性。但是，由于缺乏机械按钮所具有的触觉反馈体验，触摸屏也引发了其它一些人机交互方面的问题。最简单的解决方案是在触摸面板内增加触觉反馈结构，从而同时提供触摸屏和键盘的最佳特性。

触摸面板的信号处理技术及原理与手机等消费电子类似[1]，但作为触摸面板的核心，机械振动结构却与手机完全不同，其设计至关重要，不仅关系到整个面板的使用寿命，也直接影响用户的触感体验。目前已成为各大主机厂内饰供应商的研究及开发重点内容[2]。

本文采用ABAQUS有限元软件，对某车型空调面板的触摸振动结构进行设计并仿真分析，最终实现面板整体的强度、刚度要求。

1  触摸振动结构及原理

触摸振动的基本结构如图1所示，主要分上下两部分，上半部分通常由触摸屏及传感器等组成，下半部分由壳体、固定支架等组成，上下部分由金属弹片连接。装车时，下半部分固定到整车骨架上，上半部分实现自由振动。振动激励由固定于下半部分的电磁铁提供。

其中，金属弹片作为上下两部分结构的支撑，是振动结构的核心部件，其关乎着面板的整体刚度及强度。当手指触摸屏上符号区域时，传感器收集并发出信号，此时，PCB上芯片接收信号后为电磁铁发出脉冲电流，电磁铁在接收到电流后，铁芯快速向前冲击铁支架接收臂，铁支架受到冲击后带动屏幕形成一定的加速度反馈，此时手指即可感受到振感。

2  金属弹片设计

3  面板总成仿真校核

使用ABAQUS建立有限元模型，各零件材料及参数如表2所示。

按客户要求，对面板总成进行动态强度校核[6]。仿真时外壳与整车骨架连接处固定，对面板总成分别进行X、Y、Z方向随机振动仿真分析[7-8]，客户提供振动所用功率谱密度（PSD）数据如图3所示。

建立面板总成有限元网格，如图4所示，各零件网格信息见表3。

图6为面板整体1阶模态满足大于75Hz要求的面板的随机振动均方根应力结果[9]。由于工作过程中，面板总成中金属弹片的变形最大，且为主要支撑结构，而其余塑料件均与铁支架等固定，经校核应变均远远小于材料的许用应变，所以图6中仅列出金属弹片的均方根应力结果。

如图6所示，弹片的最大应力为X向振动时产生，最大值为328.6MPa，此值小于材料的强度极限，因此最终选用方案4弹片作为开模方案。

4  结论

通过对触摸振动结构的设计及运用ABAQUS软件对整个设计过程的仿真分析，可得到如下结论。

1）金属弹片的刚度是影响振动加速度输出的主要因素，作为设计时的主要变量，但同时还需综合考虑铁支架等刚度。弹片刚度越大，面板上的加速度越小；铁支架刚度越大，LENS上的加速度一致性更好。

2）弹片的刚度不能过小，以避免整车振动过程中引起触摸面板自振。此项可通过面板整体的模态进行校核。

3）对于触摸振动结构，在进行随机振动强度校核时，一般开裂风险较大的零件为金属弹片结构，其余零部件强度视情况进行验证。

参考文献：

[1] 王硕. 浅析触摸屏手机系统中的触觉反馈设计[J]. 贵阳学院学报（自然科学版），2012，7（1）：30-33.

[2] 周尧，张丰华，杨林，等. 触摸屏触感振动反馈设计研究[J]. 制造业信息化，2014（1）：90-91.

[3] 赵玫，周海亭，陈光冶，等. 机械振动与噪声学[M]. 北京：科学出版社，2004.

[4] 曹金凤，石亦平. ABAQUS有限元分析常见问题解答[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[5] 庄茁，张帆，岑松. ABAQUS非线性有限元分析与实例[M]. 北京：科学出版社，2005.

[6] 李明. 工程仿真精度可信的CAD模型简化[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2015，27（8）：1363-1375.

[7] 王明珠. 结构振动疲劳寿命分析方法研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2009.

[8] 孟凡涛，胡愉愉. 基于频域法的随机振动载荷下飞机结构疲劳分析[J]. 南京航空航天大学学报，2012，44（1）：32-35.

[9] 金奕山，李琳. 随机振动载荷作用下结构Von Mises应力过程的研究[J]. 应用力学学报，2004，21（3）： 13-16.

（编辑  凌  波）