汽车前踏板设计及其刚度分析

况江秀，孔 飞，何小明

汽车前踏板设计及其刚度分析

况江秀，孔 飞，何小明

（江西五十铃汽车有限公司 产品开发技术中心，江西 南昌 330001）

驾驶舱内前踏板属于汽车内饰系统，为乘客上下车的踏步平台。文章从前踏板制造工艺、材料、表面防滑结构、人机布置要求以及外观几方面介绍前踏板的设计要求，以及在前踏板试制过程中需要满足的实验验证设计的合理性，如：需满足乘用车内部凸出物要求、汽车内饰材料燃烧特性要求、禁用物质要求等。最后利用有限元分析软件HyperMesh和ABAQUS对前踏板进行刚度分析，计算其在500 N的外力作用下的变形量。结果显示，前踏板在垂直载荷500 N的作用下变形量为0.36 mm，满足公司标准规定的变形量不大于0.5 mm的要求，可为后续车型前踏板的设计开发提供相应的参考。

前踏板；布置要求；内部凸出物；刚度分析

随着国民经济总量的快速提升，城市化进程促使城市人口快速增长，城市居民消费水平快速提高，电商兴起促进快递物流高速发展等[1]，为轻客的发展创造了良好的需求基础。前踏板是轻客车型内饰系统的重要组成部分，本文主要介绍其制造工艺以及材料选择，探讨在前踏板开发设计过程的人机布置要求，与周边件的匹配关系，并且介绍了前踏板需满足的各种实验要求，最后利用有限元分析方法对前踏板进行刚度分析，以验证设计的合理性[2-7]。通过本文的研究，有助于提升后续车型的前踏板设计水平，从而在设计阶段规避一些设计不合理之处，减少后期设计变更费用。

1 前踏板制造工艺及材料

轻客车型前踏板一般会布置在前门处，是乘车人员上下车的中间踏步平台，如图1所示，其材料主要为尼龙+玻纤GF40，采用的是一体注塑成型工艺，其成型原理是将烘干的塑料颗粒通过成型机料斗进入成型机料筒，在加热片加热和螺杆旋转产生的剪切热的共同作用下转化为熔融状态，接着熔融塑胶在成型机机头部分聚集，计量螺杆停止转动，改为向前平动，挤压塑料熔体塑胶进入模具浇注系统，然后流到模具型腔内[8]，通过模具本身热传导以及模具外加的冷却系统使塑胶冷却凝固，冷却完全后打开模具，成型机的顶出系统将产品顶出，同时成型机螺杆后退开始下一次塑胶熔融计量。

图1 汽车前踏板

根据人体工程学分析，上车踏板的高度要满足乘客乘降性要求，且便于乘客上下车。因此，踏板上表面与地面之间的向高度应保持在400～600 mm之间。为满足乘降性要求，根据美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers, SAE）所建立的SAE-95%人体数据可知，脚底部的长宽尺寸（包括鞋的厚度）为320 mm×116 mm，因此，踏板的最小有效踩踏面的长宽应设为 300 mm× 170 mm，如图2所示，即踏板的向宽度不小于170 mm。

图2 前踏板的布置要求

上车踏板通常都设计有防滑功能，如图3所示，防滑结构主要作用为防止乘客踩踏时滑倒受伤。根据材料不同，防滑结构也不同，采用塑料材质的踏板多在踏板的上表面设计突起结构进行防滑。

图3 前踏板表面防滑结构

2 前踏板结构设计及实验要求

2.1 前踏板结构设计

前踏板通过塑料卡扣和螺钉固定在地板钣金上，主副定位分别布置在踏板两侧，如图4所示，定位间隙为0.1 mm，主定位处钣金为圆孔，直径为10 mm，副定位处钣金是16 mm×10 mm的腰型孔，踏板侧面布置蜂窝筋[9]，底部布置支撑筋与钣金零贴。由于踏板是外观件，且表面一般定义为粗皮纹，因此，其拔模角度至少为5°，背面的加强筋拔模角度至少为0.5°。踏板常见的外观缺陷是缩印，会影响前踏板的美观。为避免踏板外观面有缩印，背面加强筋需要按以下要求进行设计：踏板料厚3 mm，背面加强筋大端1.2 mm，小端1.0 mm，加强筋的间距30 mm，如图5所示。

图4 踏板定位布置要求

图5 踏板背面加强筋设计要求

为便于踏板安装，钣金孔的冲孔方向应与踏板安装方向保持一致，否则钣金毛刺会影响踏板安装。踏板的厚度应保持均匀，如厚度确需变化，则在50 mm范围内的变化率不能超过10%，否则踏板外表面会有缩印。此处设计的踏板前端没有与其它零件进行匹配[10]，后端需与B立柱下匹配，配合结构如图6所示，通过hook结构控制踏板与B立柱下的间隙，hook上端与B柱上对应结构设计干涉0.1 mm，B柱下与踏板向间隙为1 mm，为避免异响，踏板两侧需增加毛毡。

图6 踏板与立柱配合关系

2.2 前踏板的实验要求

前踏板除在设计阶段需满足相关人机布置要求及结构设计要求外，还需满足各种相关物理实验的要求，一般踏板需经过以下实验验证设计的合理性：

1）乘用车内部凸出物满足《乘用车内部凸出物》（GB 11552－2009）的要求；

2）汽车内饰材料燃烧特性满足《汽车内饰材料的燃烧特性》（GB 8410－2006）的要求，即踏板的燃烧速率不应大于100 mm/min；

3）禁用物质满足《汽车禁用物质要求》（GB/ T 30512－2014）的要求，即汽车及其零部件产品中每一均质材料中的铅、汞、六价铬、多溴联苯、多溴联苯醚的质量百分数不得超过0.1%，镉的质量百分数不得超过0.01%；

4）长周期热老化实验：在（90±2）℃的条件下放置7天，要求踏板的装配、外观、功能、尺寸等不受影响；

5）Sunload实验：将安装有踏板的整车放置在实验舱中，将舱内温度逐渐提高直至踏板表面温度达到90 ℃，保持2 h后，观察踏板与周边件的间隙并记录下来，间隙变化值不超过1 mm为合格；

6）耐候性实验：即氙灯老化实验，一般实验方法为SAE J2412－2003，实验后要求零件不褪色、翘曲、间隙面差符合要求；

7）维修性：踏板需满足至少能拆卸3次而不破坏的要求。

3 踏板刚度分析

踏板是乘客上下车中间平台，属于经常接触的零件，是高接触区域。因此，其刚度需满足设计要求。本文利用常用的有限元分析软件Hyper Mesh和ABAQUS来计算踏板在500 N的外力作用下的变形量。根据本公司的相关标准，当在踏板上垂直施加500 N的载荷时，分析计算踏板的变形量不应大于0.5 mm。为减少计算时间，将踏板中的海绵删除，并将模型导入到HyperMesh软件中进行网格划分，网格类型为六面体单元，单元尺寸为1 mm，然后将HyperMesh导出的模型导入到ABAQUS中进行计算，约束踏板与地板钣金所用固定点的6个自由度，由于踏板底部与地板钣金接触，在此需创建面与面的接触，踏板有限元模型单元数为55 446个，节点数为56 858个。由图7可知，踏板在500 N的载荷作用下其变形量为0.365 mm，满足公司规范要求。

图7 前踏板变形云图

4 结论

1）本文介绍了踏板的制造成型工艺、常用材料、人机布置要求、为避免表面外观缺陷进行背面加强筋的结构设计和踏板与B立柱的匹配要求，可为其它车型踏板设计提供参考；同时介绍了踏板需满足的物理实验要求，如阻燃性能、维修性能等。

2）踏板是高接触区域，其刚度需满足要求，本文利用有限元分析软件计算在500 N载荷作用下的变形量，结果表明踏板的设计符合公司规范要求。

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Design and Stiffness Analysis of Automobile Front Scuff Plate

KUANG Jiangxiu, KONG Fei, HE Xiaoming

( Product Design Technology Center, Jiangxi ISUZU Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

The front pedal in the cockpit belongs to the automotive interior system, and is the stepping platform for passengers to get on and off the automobile.This article introduces the design requirements of the front pedal in terms of manufacturing process, materials, surface antislip structure, human-machine layout requirements, and appearance, as well as the experimental verification of the rationality of the design that needs to be met during the trial production process of the front pedal, such as meeting the requirements for protrusions inside passenger automobile, combustion characteristics of automotive interior materials, and prohibited substances. Finally, finite element analysis software HyperMesh and ABAQUS are used to analyze the stiffness of the front pedal and calculate its deformation under an external force of 500N. The results show that the deformation of the front pedal under the vertical load of 500N is 0.36 mm, which meets the requirement of the company standard that the deformation should not exceed 0.5 mm, it can provide corresponding reference for the design and development of the front pedal of subsequent vehicle models.

Front pedal; Layout requirements; Internal projection; Stiffness analysis

U463

A

1671-7988(2023)21-59-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.012

况江秀（1988－），女，硕士，工程师，研究方向为机械工程，E-mail:122710963@qq.com。