某微车第三排座椅安全带卷收器安装支架结构改进
2014-03-31 12:28钟能财
中国高新技术企业 2014年6期
摘要：由于汽车内饰要求，卷收器本体外部常带有饰板结构用于遮挡卷收器而提高感知质量，对于安全带卷收器安装支架，前期开发过程中一定要与安装支架装配的区域进行多次有效的沟通确认，同时要求工艺在前期参与评估。
关键词：卷收器；安装支架；下饰板；结构改进
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）09-0099-03
国家新法规GB14167-2012强制要求安全带形式为三点式结构，这就要求卷收器安装支架的结构设计要求更加严格，由于汽车内饰要求，卷收器本体外部常带有饰板结构用于遮挡卷收器而提高感知质量，同时与卷收器安装支架相关的零件有卷收器组件、后侧围内板防水薄膜等，某微车在总装后存在第三排座椅安全带下饰板松脱较严重的情况，本文重点从下饰板松脱问题，找出问题所在并提出相关解决方案。
1 卷收器安装支架的功能
卷收器安装支架用于安装卷收器本体，卷收器的安装方式不同，支架结构类型不同，目前安全带卷收器有单点式固定和双点式固定两种，单点式固定和双点式固定的区别就是卷收器组件的安装点数量不同，从成本上考虑，某些微车常采用是单点式固定方式，单点式固定对卷收器安装支架的要求更加严格，卷收器支架既要能满足卷收器组件的安装要求，又要能满足现有的焊接工艺，同时成本、重量上也有一定的轻量化要求，某微车所采用的卷收器安装支架为1.5mm料厚的SPCC材质，所选用的材质和料厚要求能否满足强度、刚度要求，支架本体需CAE的虚拟仿真分析，分析内容大致为常规工况及螺栓拧紧过程中施加一定扭矩的强度、模态等。
2 故障问题调查
为满足出口车法规要求，出口车后侧围上内板焊合件需增加第三排安全带固定点，即增加第三排后安全带上加强板焊合件和第三排后安全带卷收器支架合件，质量部反馈每天约有10台车存在第三排座椅安全带下饰板松脱的问题，对比故障车与合格车辆，发现安全带Y向内偏，与安全带下饰盖磕碰，导致下饰盖松脱。现场验证将一个合格安全带互换到故障车上，故障重现，进而发现安全带卷收器安装支架亦Y向内偏（图1）。
排除了人工操作、产品尺寸精度和零件焊接工装定位精度等原因，我们分别从钣金结构、安全带下饰板结构和焊接工艺设备着手调查，经过长期的生产车间现场跟踪及产品调研分析，得出以下几点原因分析。
图1 安全带卷收器安装支架Y向内偏
2.1 焊枪方面原因分析
焊接安装带卷收器安装支架时，车间使用的焊枪型号是C25-2119，该焊枪焊接需要35mm的间隙（图2），而侧围内板焊合件与侧围外板X向的间隙不足26mm，焊枪在焊接过程中碰歪第三排安全带卷收器安装支架（图3），导致安全带卷收器安装支架在完成装配后Y向偏离，从而出现第三排座椅安全带装饰板松脱现象。
图2 C25-211焊枪结构 图3 焊枪与支架干涉
2.2 安全带方面原因分析
对故障车第三排安全带进行分析：对比故障车安全带与合格安全带未发现差异，故障车更换安全带后，故障重现。对安全带进行尺寸测量，结果符合设计要求（见图4）。
图4 安全带尺寸分析
2.3 安全带装饰盖原因分析
对故障车拆下的第三排安全带下饰板进行分析。
（1）零件使用的材料为改性PP，符合设计要求。（2）随机抽取1件库存零件进行耐冲击实验，冲击试验要求制品在-40℃环境中放置4h，用350g钢制落锤自1m高度对刚性支撑的任意表面进行落球冲击，试验结果合格（见图5）。（3）第三排座椅安全带下饰板结构，装饰盖有4个卡脚，我们对4个卡脚进行加热试验，验证温度对卡脚的影响，4个卡脚烤10分钟，卡脚温度达到50°，装车后装饰盖保持力没有变化，温度对安全带装饰盖保持力没有影响。但安全带装饰盖卡脚底部为直角，卡脚处应力集中，导致卡爪断裂（图6）。
图5 安全带装饰盖耐冲击实验报告
图6 安全带装饰盖结构及卡爪断裂情况
3 相关解决方案
经过调查分析，导致第三排座椅下饰板松脱的原因为安全带卷收器安装支架Y向距离与焊枪干涉，该支架在Y向变形影响饰板装配的稳定性；安全带下饰板卡脚底部为直角，卡脚处应力集中，导致卡爪断裂，针对这些问题，总结出解决措施为更改卷收器安装支架及与之匹配的安全带组件、优化安全带下饰板直角卡爪结构。
3.1 更改安全带卷收器安装支架
调查分析卷收器安装支架的Y向与焊枪干涉，通过优化卷收器安装支架的Y向距离，达到产品改进要求，安全带卷收器安装支架更改，材料（SPCC）、料厚（t=1.5mm）不变，上部翻边在Y向优化11mm（图7），同时相应的左/右后卷收器组件做匹配更改（图8）。
图7 卷收器更改示意，绿色为老状态结构，粉色为新状态结构。
图8 卷收器组件更改示意
3.2 更改第三排安全带下饰板
第三排安全带下饰板由于卡脚处为直角，存在应力集中，通过优化该处直角，拐角处倒圆，消除应力集中，两筋位加高至与R角平齐（图9）来消除饰板装配松脱问题。
图9 安全带饰板更改示意
4 CAE分析验证
更改后的卷收器安装支架强度和刚度是个很重要的指标，我们用Hyperworks、NASTRAN进行CAE分析，分析工况为X向5g加速度，Z向-1g加速度；Y向7g加速度，Z向-1g加速度；Z向-10g加速度，分析结果表明，支架结构优化前强度为73Mpa，结构优化后强度有较大的改善（图10），但支架的刚度却有所降低，支架Y向偏置11mm，相当于在原有结构基础上形成了一个“悬臂梁”结构，在螺栓轴线方向加50N.M的扭矩，计算在打扭力时第三排排安全带卷收器安装支架刚度（图11），在加载50N情况下，支架的最大位移量由0.46mm变更为1.291mm，卷收器最大位移应以小于1.8mm为目标，卷收器安装支架结构优化后在50N加载扭矩的位移量满足产品设计要求。
图10 卷收器支架更改前后最大应力值情况
图11 卷收器支架更改前后最大位移情况
5 实车验证
改进方案实施后，现场质量工程师负责跟踪新方案实施情况，对下线前100辆车进行跟踪验证确认新方案实施有效，通过产品的结构优化，消除第三排座椅安全带下饰板松脱问题，根本上消除了因产品设计问题而导致客户抱怨的潜在风险。
6 结语
对于安全带卷收器安装支架，前期开发过程中一定要与安装支架装配的区域进行多次有效的沟通确认，同时要求工艺在前期参与评估，在现有焊接设备的情况下尽量不把产品设计过于复杂，但需保证产品性能满足相关要求，目前某客车安全带下部卷收器趋于平台化，卷收器安装结构在满足某车型要求的情况下可以很好的完成产品的沿用，减少设计验证成本的同时也能满足产品开发需求，同时由于在开发此款微车时，对于安全带卷收器安装支架只分析了零件在加载一定扭矩情况的位移量，而缺失强度和模态的仿真分析，此问题给以后车型卷收器安装支架的设计提供了很好的参考范例，同时后续车型卷收器安装支架也增加了强度和模态的仿真分析。
参考文献
[1] 郭竹亭.汽车车身设计（上、下）[M].吉林科学
技术出版社，1992.
[2] （美）莫维尼，王崧（译）.有限元分析ANSYS
理论与应用（第二版）[M].北京：电子工业出版
社，2005.
作者简介：钟能财（1986—），男，江西兴国人，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心助理工程师，研究方向：汽车车身设计。
摘要：由于汽车内饰要求，卷收器本体外部常带有饰板结构用于遮挡卷收器而提高感知质量，对于安全带卷收器安装支架，前期开发过程中一定要与安装支架装配的区域进行多次有效的沟通确认，同时要求工艺在前期参与评估。
关键词：卷收器；安装支架；下饰板；结构改进
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）09-0099-03
国家新法规GB14167-2012强制要求安全带形式为三点式结构，这就要求卷收器安装支架的结构设计要求更加严格，由于汽车内饰要求，卷收器本体外部常带有饰板结构用于遮挡卷收器而提高感知质量，同时与卷收器安装支架相关的零件有卷收器组件、后侧围内板防水薄膜等，某微车在总装后存在第三排座椅安全带下饰板松脱较严重的情况，本文重点从下饰板松脱问题，找出问题所在并提出相关解决方案。
1 卷收器安装支架的功能
卷收器安装支架用于安装卷收器本体，卷收器的安装方式不同，支架结构类型不同，目前安全带卷收器有单点式固定和双点式固定两种，单点式固定和双点式固定的区别就是卷收器组件的安装点数量不同，从成本上考虑，某些微车常采用是单点式固定方式，单点式固定对卷收器安装支架的要求更加严格，卷收器支架既要能满足卷收器组件的安装要求，又要能满足现有的焊接工艺，同时成本、重量上也有一定的轻量化要求，某微车所采用的卷收器安装支架为1.5mm料厚的SPCC材质，所选用的材质和料厚要求能否满足强度、刚度要求，支架本体需CAE的虚拟仿真分析，分析内容大致为常规工况及螺栓拧紧过程中施加一定扭矩的强度、模态等。
2 故障问题调查
为满足出口车法规要求，出口车后侧围上内板焊合件需增加第三排安全带固定点，即增加第三排后安全带上加强板焊合件和第三排后安全带卷收器支架合件，质量部反馈每天约有10台车存在第三排座椅安全带下饰板松脱的问题，对比故障车与合格车辆，发现安全带Y向内偏，与安全带下饰盖磕碰，导致下饰盖松脱。现场验证将一个合格安全带互换到故障车上，故障重现，进而发现安全带卷收器安装支架亦Y向内偏（图1）。
排除了人工操作、产品尺寸精度和零件焊接工装定位精度等原因，我们分别从钣金结构、安全带下饰板结构和焊接工艺设备着手调查，经过长期的生产车间现场跟踪及产品调研分析，得出以下几点原因分析。
图1 安全带卷收器安装支架Y向内偏
2.1 焊枪方面原因分析
焊接安装带卷收器安装支架时，车间使用的焊枪型号是C25-2119，该焊枪焊接需要35mm的间隙（图2），而侧围内板焊合件与侧围外板X向的间隙不足26mm，焊枪在焊接过程中碰歪第三排安全带卷收器安装支架（图3），导致安全带卷收器安装支架在完成装配后Y向偏离，从而出现第三排座椅安全带装饰板松脱现象。
图2 C25-211焊枪结构 图3 焊枪与支架干涉
2.2 安全带方面原因分析
对故障车第三排安全带进行分析：对比故障车安全带与合格安全带未发现差异，故障车更换安全带后，故障重现。对安全带进行尺寸测量，结果符合设计要求（见图4）。
图4 安全带尺寸分析
2.3 安全带装饰盖原因分析
对故障车拆下的第三排安全带下饰板进行分析。
（1）零件使用的材料为改性PP，符合设计要求。（2）随机抽取1件库存零件进行耐冲击实验，冲击试验要求制品在-40℃环境中放置4h，用350g钢制落锤自1m高度对刚性支撑的任意表面进行落球冲击，试验结果合格（见图5）。（3）第三排座椅安全带下饰板结构，装饰盖有4个卡脚，我们对4个卡脚进行加热试验，验证温度对卡脚的影响，4个卡脚烤10分钟，卡脚温度达到50°，装车后装饰盖保持力没有变化，温度对安全带装饰盖保持力没有影响。但安全带装饰盖卡脚底部为直角，卡脚处应力集中，导致卡爪断裂（图6）。
图5 安全带装饰盖耐冲击实验报告
图6 安全带装饰盖结构及卡爪断裂情况
3 相关解决方案
经过调查分析，导致第三排座椅下饰板松脱的原因为安全带卷收器安装支架Y向距离与焊枪干涉，该支架在Y向变形影响饰板装配的稳定性；安全带下饰板卡脚底部为直角，卡脚处应力集中，导致卡爪断裂，针对这些问题，总结出解决措施为更改卷收器安装支架及与之匹配的安全带组件、优化安全带下饰板直角卡爪结构。
3.1 更改安全带卷收器安装支架
调查分析卷收器安装支架的Y向与焊枪干涉，通过优化卷收器安装支架的Y向距离，达到产品改进要求，安全带卷收器安装支架更改，材料（SPCC）、料厚（t=1.5mm）不变，上部翻边在Y向优化11mm（图7），同时相应的左/右后卷收器组件做匹配更改（图8）。
图7 卷收器更改示意，绿色为老状态结构，粉色为新状态结构。
图8 卷收器组件更改示意
3.2 更改第三排安全带下饰板
第三排安全带下饰板由于卡脚处为直角，存在应力集中，通过优化该处直角，拐角处倒圆，消除应力集中，两筋位加高至与R角平齐（图9）来消除饰板装配松脱问题。
图9 安全带饰板更改示意
4 CAE分析验证
更改后的卷收器安装支架强度和刚度是个很重要的指标，我们用Hyperworks、NASTRAN进行CAE分析，分析工况为X向5g加速度，Z向-1g加速度；Y向7g加速度，Z向-1g加速度；Z向-10g加速度，分析结果表明，支架结构优化前强度为73Mpa，结构优化后强度有较大的改善（图10），但支架的刚度却有所降低，支架Y向偏置11mm，相当于在原有结构基础上形成了一个“悬臂梁”结构，在螺栓轴线方向加50N.M的扭矩，计算在打扭力时第三排排安全带卷收器安装支架刚度（图11），在加载50N情况下，支架的最大位移量由0.46mm变更为1.291mm，卷收器最大位移应以小于1.8mm为目标，卷收器安装支架结构优化后在50N加载扭矩的位移量满足产品设计要求。
图10 卷收器支架更改前后最大应力值情况
图11 卷收器支架更改前后最大位移情况
5 实车验证
改进方案实施后，现场质量工程师负责跟踪新方案实施情况，对下线前100辆车进行跟踪验证确认新方案实施有效，通过产品的结构优化，消除第三排座椅安全带下饰板松脱问题，根本上消除了因产品设计问题而导致客户抱怨的潜在风险。
6 结语
对于安全带卷收器安装支架，前期开发过程中一定要与安装支架装配的区域进行多次有效的沟通确认，同时要求工艺在前期参与评估，在现有焊接设备的情况下尽量不把产品设计过于复杂，但需保证产品性能满足相关要求，目前某客车安全带下部卷收器趋于平台化，卷收器安装结构在满足某车型要求的情况下可以很好的完成产品的沿用，减少设计验证成本的同时也能满足产品开发需求，同时由于在开发此款微车时，对于安全带卷收器安装支架只分析了零件在加载一定扭矩情况的位移量，而缺失强度和模态的仿真分析，此问题给以后车型卷收器安装支架的设计提供了很好的参考范例，同时后续车型卷收器安装支架也增加了强度和模态的仿真分析。
参考文献
[1] 郭竹亭.汽车车身设计（上、下）[M].吉林科学
技术出版社，1992.
[2] （美）莫维尼，王崧（译）.有限元分析ANSYS
理论与应用（第二版）[M].北京：电子工业出版
社，2005.
作者简介：钟能财（1986—），男，江西兴国人，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心助理工程师，研究方向：汽车车身设计。
摘要：由于汽车内饰要求，卷收器本体外部常带有饰板结构用于遮挡卷收器而提高感知质量，对于安全带卷收器安装支架，前期开发过程中一定要与安装支架装配的区域进行多次有效的沟通确认，同时要求工艺在前期参与评估。
关键词：卷收器；安装支架；下饰板；结构改进
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）09-0099-03
国家新法规GB14167-2012强制要求安全带形式为三点式结构，这就要求卷收器安装支架的结构设计要求更加严格，由于汽车内饰要求，卷收器本体外部常带有饰板结构用于遮挡卷收器而提高感知质量，同时与卷收器安装支架相关的零件有卷收器组件、后侧围内板防水薄膜等，某微车在总装后存在第三排座椅安全带下饰板松脱较严重的情况，本文重点从下饰板松脱问题，找出问题所在并提出相关解决方案。
1 卷收器安装支架的功能
卷收器安装支架用于安装卷收器本体，卷收器的安装方式不同，支架结构类型不同，目前安全带卷收器有单点式固定和双点式固定两种，单点式固定和双点式固定的区别就是卷收器组件的安装点数量不同，从成本上考虑，某些微车常采用是单点式固定方式，单点式固定对卷收器安装支架的要求更加严格，卷收器支架既要能满足卷收器组件的安装要求，又要能满足现有的焊接工艺，同时成本、重量上也有一定的轻量化要求，某微车所采用的卷收器安装支架为1.5mm料厚的SPCC材质，所选用的材质和料厚要求能否满足强度、刚度要求，支架本体需CAE的虚拟仿真分析，分析内容大致为常规工况及螺栓拧紧过程中施加一定扭矩的强度、模态等。
2 故障问题调查
为满足出口车法规要求，出口车后侧围上内板焊合件需增加第三排安全带固定点，即增加第三排后安全带上加强板焊合件和第三排后安全带卷收器支架合件，质量部反馈每天约有10台车存在第三排座椅安全带下饰板松脱的问题，对比故障车与合格车辆，发现安全带Y向内偏，与安全带下饰盖磕碰，导致下饰盖松脱。现场验证将一个合格安全带互换到故障车上，故障重现，进而发现安全带卷收器安装支架亦Y向内偏（图1）。
排除了人工操作、产品尺寸精度和零件焊接工装定位精度等原因，我们分别从钣金结构、安全带下饰板结构和焊接工艺设备着手调查，经过长期的生产车间现场跟踪及产品调研分析，得出以下几点原因分析。
图1 安全带卷收器安装支架Y向内偏
2.1 焊枪方面原因分析
焊接安装带卷收器安装支架时，车间使用的焊枪型号是C25-2119，该焊枪焊接需要35mm的间隙（图2），而侧围内板焊合件与侧围外板X向的间隙不足26mm，焊枪在焊接过程中碰歪第三排安全带卷收器安装支架（图3），导致安全带卷收器安装支架在完成装配后Y向偏离，从而出现第三排座椅安全带装饰板松脱现象。
图2 C25-211焊枪结构 图3 焊枪与支架干涉
2.2 安全带方面原因分析
对故障车第三排安全带进行分析：对比故障车安全带与合格安全带未发现差异，故障车更换安全带后，故障重现。对安全带进行尺寸测量，结果符合设计要求（见图4）。
图4 安全带尺寸分析
2.3 安全带装饰盖原因分析
对故障车拆下的第三排安全带下饰板进行分析。
（1）零件使用的材料为改性PP，符合设计要求。（2）随机抽取1件库存零件进行耐冲击实验，冲击试验要求制品在-40℃环境中放置4h，用350g钢制落锤自1m高度对刚性支撑的任意表面进行落球冲击，试验结果合格（见图5）。（3）第三排座椅安全带下饰板结构，装饰盖有4个卡脚，我们对4个卡脚进行加热试验，验证温度对卡脚的影响，4个卡脚烤10分钟，卡脚温度达到50°，装车后装饰盖保持力没有变化，温度对安全带装饰盖保持力没有影响。但安全带装饰盖卡脚底部为直角，卡脚处应力集中，导致卡爪断裂（图6）。
图5 安全带装饰盖耐冲击实验报告
图6 安全带装饰盖结构及卡爪断裂情况
3 相关解决方案
经过调查分析，导致第三排座椅下饰板松脱的原因为安全带卷收器安装支架Y向距离与焊枪干涉，该支架在Y向变形影响饰板装配的稳定性；安全带下饰板卡脚底部为直角，卡脚处应力集中，导致卡爪断裂，针对这些问题，总结出解决措施为更改卷收器安装支架及与之匹配的安全带组件、优化安全带下饰板直角卡爪结构。
3.1 更改安全带卷收器安装支架
调查分析卷收器安装支架的Y向与焊枪干涉，通过优化卷收器安装支架的Y向距离，达到产品改进要求，安全带卷收器安装支架更改，材料（SPCC）、料厚（t=1.5mm）不变，上部翻边在Y向优化11mm（图7），同时相应的左/右后卷收器组件做匹配更改（图8）。
图7 卷收器更改示意，绿色为老状态结构，粉色为新状态结构。
图8 卷收器组件更改示意
3.2 更改第三排安全带下饰板
第三排安全带下饰板由于卡脚处为直角，存在应力集中，通过优化该处直角，拐角处倒圆，消除应力集中，两筋位加高至与R角平齐（图9）来消除饰板装配松脱问题。
图9 安全带饰板更改示意
4 CAE分析验证
更改后的卷收器安装支架强度和刚度是个很重要的指标，我们用Hyperworks、NASTRAN进行CAE分析，分析工况为X向5g加速度，Z向-1g加速度；Y向7g加速度，Z向-1g加速度；Z向-10g加速度，分析结果表明，支架结构优化前强度为73Mpa，结构优化后强度有较大的改善（图10），但支架的刚度却有所降低，支架Y向偏置11mm，相当于在原有结构基础上形成了一个“悬臂梁”结构，在螺栓轴线方向加50N.M的扭矩，计算在打扭力时第三排排安全带卷收器安装支架刚度（图11），在加载50N情况下，支架的最大位移量由0.46mm变更为1.291mm，卷收器最大位移应以小于1.8mm为目标，卷收器安装支架结构优化后在50N加载扭矩的位移量满足产品设计要求。
图10 卷收器支架更改前后最大应力值情况
图11 卷收器支架更改前后最大位移情况
5 实车验证
改进方案实施后，现场质量工程师负责跟踪新方案实施情况，对下线前100辆车进行跟踪验证确认新方案实施有效，通过产品的结构优化，消除第三排座椅安全带下饰板松脱问题，根本上消除了因产品设计问题而导致客户抱怨的潜在风险。
6 结语
对于安全带卷收器安装支架，前期开发过程中一定要与安装支架装配的区域进行多次有效的沟通确认，同时要求工艺在前期参与评估，在现有焊接设备的情况下尽量不把产品设计过于复杂，但需保证产品性能满足相关要求，目前某客车安全带下部卷收器趋于平台化，卷收器安装结构在满足某车型要求的情况下可以很好的完成产品的沿用，减少设计验证成本的同时也能满足产品开发需求，同时由于在开发此款微车时，对于安全带卷收器安装支架只分析了零件在加载一定扭矩情况的位移量，而缺失强度和模态的仿真分析，此问题给以后车型卷收器安装支架的设计提供了很好的参考范例，同时后续车型卷收器安装支架也增加了强度和模态的仿真分析。
参考文献
[1] 郭竹亭.汽车车身设计（上、下）[M].吉林科学
技术出版社，1992.
[2] （美）莫维尼，王崧（译）.有限元分析ANSYS
理论与应用（第二版）[M].北京：电子工业出版
社，2005.
作者简介：钟能财（1986—），男，江西兴国人，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心助理工程师，研究方向：汽车车身设计。
