浅析C柱化妆镜设计

浅析C柱化妆镜设计

郭兴林

上海岱美汽车内饰件股份有限公司 上海 201204

摘要: 随着汽车的发展，汽车化妆镜已经广泛的出现在汽车中，现在更多化妆镜出现在商务车的后排。本文试对某车型C柱化妆镜的打开机构进行阐述。重点在于对化妆镜静态，动态的受力分析，确认相应的阻尼、门锁、弹簧等的参数。化妆镜的运动过程本身是一个复杂的变加速运动，在设计时将作相应的简化，本文给出一些建议供大家参考学习。

关键词：汽车化妆镜，阻尼，角加速度，刚体转动惯量。

一、首先，明确设计要求

收到某客户要求开放C柱化妆镜，根据客户标准明确设计要求。

a)开启、关闭力值要求：7.5±2.5N;

b)开启时间：23℃ 环境中开启时间1.8±0.7S，-30℃ 环境中开启时间5±0.5S或辅助施加最大18N，80℃ 环境中开启时间1.5±0.7S；

c)侧碰时,满足30g重力加速度化妆镜不打开。

d)产品基本参数：产品克重150g,镜子L：100mm,H：150mm,打开角度：115°，转轴尺寸：直径4.8mm；

e)化妆镜灯通常被卡扣锁止在关闭位置；

f)卡扣解锁后，化妆镜灯在转轴扭簧的自由释放力矩作用下克服阻尼器力矩和系统摩擦力矩，在2±0.5s/ 23℃时间内缓慢旋转至全开位置；

g)产品结构：扭簧提供镜子打开动力，门锁提供镜子保持力，镜子关闭时，克服压弹簧力矩、阻尼器力矩和系统摩擦力矩缓缓旋转至关闭位置，并被卡扣锁止。

二、明确产品要求后，分模块对产品进行设计：

门锁部分设计

化妆镜的开启、关闭力满足：7.5±2.5N。结合客户A面要求，采用简单的门闩结构，如图2所示，零件包括：门闩，门闩底座、按钮、弹簧、固定螺丝，以及化妆镜本体锁孔。基本工作原理：门闩可以在门闩底座上平行运动，按下按钮时，按钮上的导向斜面带动门闩后退，打开化妆镜本体；关闭化妆镜，本体压到门闩向后运动，门闩运动到锁孔处，按钮弹簧驱动门闩向前，使本体锁定，化妆镜本体关闭。按钮操作力主要由弹簧提供，,弹簧力与弹性系数k和弹簧的压缩量是s有关,压簧弹性系数计算公式为：

（1）

式中G为横弹性模流，单位：MPa或N/mm2；d为线材线径，单位：mm；n为有效圈数；D为弹簧中径，单位mm。d和k是四次方关系，线径对弹力系数影响特别大，稍微增加线径，弹性系数将变化特别大。70#钢的横向弹性模量为79000MPa,SUS 304不锈钢的横向弹性模量为68600MPa,SWC不锈钢的横向弹性模量为78400MPa,通常我们选择70#钢的，70号钢的屈服强度要优于不锈钢，防止弹簧在长时间的压迫下产生塑性变形。琴钢丝会生锈，需要注意镀锌，并做盐雾测试确认电镀性能，通常要求48小时中性盐雾试验无锈。根据弹簧环境尺寸，以及弹簧行程等调整弹簧参数，最终达到满足操作力要求的弹簧。产品打样完成后，装配好产品进行实物测试，验证是否满足打开力的要求。关闭力主要受到扭簧力矩及门锁弹簧的影响，扭簧后再对关闭力进行验证，下面将对扭簧设计进行分析。

开启时间的设计

先预设定阻尼参数，阻尼为标准件，结合产品外形及空间选择滚筒式阻尼。阻尼特性：转速越快，阻力越大，结合阻尼曲线，预先选择最小力矩的阻尼：0.05N.m。为了后面计算准确，最好请阻尼供应商测试转速每增加1r/min的力矩数值。根据数据推导出阻尼转速与力矩的函数，方便后面放入表格计算。

再对化妆镜打开过程分析

扭簧扭矩，由扭簧图3提供，与旋转角度θ成正比，具体表达式为：

K*θ（2）

式中的θ为弹簧被扭转的角度K表示弹簧扭转的系数，单位：N*m/° ，其表达式为：

（3）

式中E为材料纵向弹性模量，d为弹簧线径，Dm代表扭簧中经，N代表有效圈数。

K目标值预设，我们先认为将镜子打开过程是匀加速-匀减速的过程，且在θ/2角度时角速度为0，此时的角速度最大ωmax，即达到力矩平衡，则有：

Mθ/2=M阻+M磨动（4）

根据客户需求打开角度和时间可以算出ωmax=2ω=23 .23R/min,查表，速度阻尼曲线可得，M阻为0.05N.m；

M磨=N*μ动*L（5）

式中N表示压力，μ动表示摩擦系数，摩擦系数可以通过实验测试，确认了材质，摩擦系数就确定，需要分别测试出静摩擦系数和动摩擦系数，L是接触面转动半径。

由上面的数值就可以算出预设K0.

但是实际的阻尼的力矩一直在变化，弹簧的力矩也是一直在变化的，所以镜子将会做变加速-变减速运动。我们可以将镜子理解为刚体转动模型，则有刚体转动定律。

M=Iβ（6）

式中M为合力矩，I为转动惯量，β为角加速度，为了方便计算，我们将模型进行简化，对转动过程进行拆分，近似的认为镜子在转动过1°的过程中为弹簧的力矩不变，阻尼的力矩不变，镜子做匀加速运动，摩擦力不变。则可以得，

M弹-M磨-M阻=Iβ（7）

刚体对转轴z的转动惯量I。

（8）

将化妆镜看作平板零件，则有

,

（9）

代入可以求得，由于我们将镜子转动1°的过程看作匀加速转动，则有：

（10）

（11）

可得角速度、时间，速度知道了，查表就可以知道阻尼的在当前速度的，弹簧此时提供的力矩也可以求到。再根据式子（7），可以求得，代入式子（10），可得化妆镜再次转1°后的角速度，代入式子（11），可得，化妆打开到最大角度的时间t,就是化妆镜每1°所需时间的总和。

整个就算过程放在电子表格里，同时使用图片，角速度和打开角度的图表。

通过观察角度曲线是否基本符合上图曲线，以及总时间是否满足产品要求。

1）如果角速度在90°时就为0，说明化妆镜不能打开到底，弹簧的驱动力不足，需要大扭簧力矩，增大线径和增加预紧角度。还可以通过减小阻尼的方式实现（一般不推荐，除非无论增调下弹簧都无法满足要求）

2）如果角速度在115°时，仍然很大，说明化妆镜可以打开到底，且打开到最后时的速度仍然很大，可能有撞击声，此时扭簧驱动力矩太大，还需要确认打开时间是否满足要求，如果时间太短，就需要减小扭簧力矩，通过减小线径和减小预计角度方式来实现，还可以通过增大阻尼的方式实现（一般不推荐，除非无论增调下弹簧都无法满足要求）。

三、验证

产品功能验证，对客户需求的化妆镜主要功能进行验证。打开力：9.8N,关闭力8N，打开时间：1.7s,满足客户要求。

跌落实验,产品从距离地面1m处自由落体到坚实地面，产品无功能缺少。此时考察门锁结构强度，设计时应对门锁结构加强，如需增加圆角等的需增加圆角，确保门锁强度满足实验要求。

侧气帘爆破试验，此实验通常是主机厂自主完成，各零部件供应商提供零件，设计时应充分考虑到选用材料强度，卡接结构做到足够强壮，防止气帘点爆实验时有零件飞出。

耐久测试，此实验考察产品设计是否可以满足生命周期，通常要求满足1倍生产周期没有功能问题，3倍生命周期测试到丧失功能。经过耐久测试，化妆镜满足客户需求。

BSR-噪音测试，此时实验考察化妆镜再打开和关闭2个状态下，按照特定的振动路谱，产生的噪音小于3宋。

Table 1振动噪音路谱

和客户在现场确认零件状态，打开和关闭两种状态下都满足标准要求，X方向0.2sone,Y方向0.3sone,Z方向1.1sone。

结论：化妆镜设计涉及动态静态力学分析、转动等相关知识，以及对注塑材料选择、弹簧特性、钢材特性等等，适当的将复杂的运动简化处理，产品设计出来后的试制验证，通过不断的测试，调整，逼近产品运动的真实情况，从而满足产品的设计要求。

扩展，眼镜盒的设计和化妆镜类似，但是要引入重力矩。分析产品运动过程中都有哪些力矩提供了加速度，选择正确的转动惯量模型，代入正确的转动惯量公式，就可以求得正确的角加速度。考虑到扭簧制造过程中，预紧角度存在偏差，需要将预紧角度最大，最小分别代入图表，确认打开时间公差。