贾晓彦，徐源林，王玉，王长余，李加成，战磊

(长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司，吉林长春 130033)



汽车门板扶手疲劳耐久性能的影响因素研究

贾晓彦，徐源林，王玉，王长余，李加成，战磊

(长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司，吉林长春 130033)

摘要：扶手疲劳试验的结果受多个因素的影响，主要阐述了温度、频率和试验加载顺序3个因素与试验结果的关系。通过选取试验参数，设置试验矩阵，对试验结果进行分析和讨论，得出各因素与试验结果存在如下关系：高温对试验结果有显著的影响，温度越高，样件受破坏的可能性越大；在同一温度下，频率与试验结果存在明显的线性关系，即加载频率越慢，试验越易失效；另外，高温低频的试验条件是使试验失效最严重的工况，而且，先低温后高温的工况顺序会使试验结果表现得更加恶劣。

关键词：门板；扶手；疲劳耐久；试验条件

0引言

汽车门板扶手，又称支撑臂，通常由骨架和面料包覆而成，是汽车门板的重要组成部分，其造型设计、材料的优劣直接影响乘客的感受，是评价门板的重要指标[1]。

目前，扶手性能的检测是各汽车主机厂和汽车零部件生产厂家必做的试验，各主机厂都制定了相关的标准方法，比如德国大众公司相关的扶手检测标准EP84610.10、EP84610.21、EP84610.22；日本马自达公司的扶手考察标准MES PA68420；广汽集团的扶手考察标准PF-11084等。而在众多的检测标准中，扶手疲劳耐久试验被认为是唯一一项对扶手舒适性和外观进行考察的试验。因为其他试验方法只要求扶手的骨架满足不破坏、功能无损失、与周围连接件无干扰的性能要求，强调的是在使用中出现较大滥用力或侧撞发生时，扶手是否可以满足驾驶员与乘客的安全、起到维持乘客身体平衡的作用；而扶手疲劳试验除要求骨架在长期使用中满足上述条件外，还规定了骨架的覆盖材料，即扶手表面材料不允许出现肉眼可见的变形，或轮廓的改变。所以说，疲劳耐久试验是对扶手的一项综合检测，扶手能否满足疲劳耐久试验要求，是驾驶员和乘客在长期使用中提高操作方便性、乘坐舒适性以及降低乘驾过程中产生疲劳感的一项重要保证[2]。

所谓扶手疲劳耐久试验，可以概括为：模拟门板在各种工况下，扶手受到持久载荷作用，在试验台架上，按照一定的加载原则，对扶手施加一定大小的持续循环载荷，从而测定扶手的疲劳寿命。影响疲劳耐久试验结果的因素很多，如加载力的大小、加载力的频率、周围环境的温湿度等，而目前，各主机厂间对于各工况的条件设置差异均很大，选择的影响因素具体数值也各有不同。但国内外对于各因素与试验结果间的关系研究还很少，这里，作者选取温度、频率和工况试验的顺序3个因素进行研究，讨论3个试验条件与疲劳试验结果间存在的关系。

1影响因素分析

1.1温度

材料的性能与温度有着直接的关系，因为材料的光化学反应和热化学反应速度都受温度影响。一个公认的规律就是，材料的温度每升高10 ℃, 光化学反应的速度便会加快1倍[3]。热化学反应则发生在较高的温度下，在低温下热化学反应速度很慢，在温度降到足够低时，反应根本不会发生[3]。汽车门内护板属于第2负荷区，即非阳光直射区[4]，但在炎热的夏天，暴露在室外的汽车，在不开启空调的情况下，车内温度很可能达到60 ℃，甚至更高。在我国北方冬季室外也会出现-30 ℃以下的严寒天气，车内气温甚至低至-20～30 ℃。可见，汽车内饰产品必须要能承受很大的温度范围，这也是作者把温度作为研究因素的原因。结合上述分析，实验研究时温度需覆盖-30～60 ℃。

1.2加载力及频率

扶手疲劳耐久试验是模拟乘客的身体部位(如手臂支撑在扶手上)对其产生的持久负荷，所以，乘坐人的体重、施力的大小以及施力的频率，都会对扶手的性能产生影响。在研究试验中，在对体重分布情况进行分析时，文中参考的是Hybrid III 95百分位假人的数据，见表1。

乘客在乘车时对扶手区域产生的载荷有以下几种可能情况：

(1)手；(2)手和小臂；(3)手、小臂和上臂；(4)手、小臂、上臂及头部；(5)手、小臂、上臂、头部及颈部。

针对上述产生载荷的5种情况，结合表1中的数据，它们对扶手可能产生的作用力分别为：26.3，54.4，103.8，120.6 N。

结合上述分析，Hybrid III 95百分位假人对扶手产生的最大负载力为120.6 N，在试验研究中，选取加载力上限为150 N，略苛刻于参考假人产生的作用力。

2试验设置及试验方法

2.1试验设置及参数选取

车门内护板疲劳耐久试验是在型号SEWT-Z-241L温湿度环境箱中进行的，加载设备为北京鑫盛星创测控技术有限公司制造的电动伺服系统，型号为Smartservo2000，具体试验设置如图1所示。

根据上节对影响因素的讨论，在方案设计中，做如下规定[5]：

(1)加载力。恒定的循环载荷,加载信号为正弦信号，载荷变化规律为0～150～0 N，如图2所示。

(2)压头尺寸为50 mm×30 mm×30 mm，矩形压头；

(3)力的作用点为扶手的几何理论中心；

(4)试验温度： -35、-30 ℃，RT(23 ℃)，50、70 ℃；

(5)试验湿度为50%(检测室恒定湿度)；

(6)加载频率[6]为 1、6 LW/min(LW/min表示负荷交变/每分钟)；

(7)循环加载次数：室温23 ℃，10 000次；

高温(50、70 ℃)，1 000次；

低温(-30、-35 ℃)，1 000次；

(8)样件。因室温10 000次后，样件几乎无变化，因此，为方便研究，文中试验所选样件均为RT试验后样件。

2.2试验方法

2.2.1温度和频率对试验结果的影响

为研究温度、频率2个因素对试验结果的影响，设置了如表2所示的试验实施表。

按照试验实施表2，文中进行了8项试验，试验结果如表3所示。为保证试验结果的准确性，文中对样件在试验刚结束和放置在室温下4 h后(样件完全恢复至室温)的状态分别进行了记录。

试验结果分析及讨论。把表3所示的试验结果，扶手表面压痕深度与温度和频率的关系进行量化处理，其中，图3—4为扶手表面压痕与温度的关系曲线。可以看出：压痕深度与温度之间不存在明显的线性关系；试验刚结束时，作用在低温(-35、-30 ℃)工况下的样件压痕明显深于高温(50、70 ℃)工况，但随着试验结束时间延长至4 h，此时样件温度已完全恢复至室温，试验结果出现了如下变化：低温作用下的样件压痕已基本恢复至试验前状态，只有0.1 mm左右深度的轻微痕迹，变化量达4.6 mm，改变明显；而高温50和70 ℃工况下的试验样件变化量最大仅达到0.2 mm，改变微小。由此可知，高温对试验的最终结果有显著的影响，温度越高，压痕越明显。

图5—6为扶手表面压痕与频率的关系曲线，可以看出在试验刚结束和样件完全恢复至室温均存在如下规律：在同一温度下，频率与试验结果存在明显的线性关系，即加载频率越慢，压痕越深，试验结果失效越严重。

针对一项试验，通常用于评定的有效试验结果是指试验样件完全恢复至室温后，对其表现的状态进行评价的结果。因此，上述文中进行的8组试验，图4和图6所呈现的为试验的最终结果。

从这两组数据可以得到进一步结论，试验样件与温度和频率综合因素的关系：高温低频(70 ℃，1 LW/min)的工况压痕最深，低温高频(-35 ℃、6 LW/min)的试验结果最佳，当然此结果与(-30 ℃、6 LW/min)的非常接近。

因为扶手疲劳耐久试验结果的评价包括两部分：对扶手表面状态的评价和对扶手骨架状态的评价。所以，文中在评价完样件表面状态后，拆卸所有的试验件，从门板的B面对扶手骨架进行评估，结果如下：试验1—试验6和试验8均无变形及损坏；试验7——70 ℃、1 LW/min，扶手的骨架出现了变形，如图7所示。可见，高温低频(70 ℃、1 LW/min)对试验结果的破坏作用最大。

2.2.2不同工况施加顺序对试验的影响

所谓不同工况施加顺序，就是指调整工况(温度、频率)施加的顺序，对同一样件进行连续加载，对比分析工况作用顺序不同对试验结果的影响。

根据表2，为节约资源、缩短试验周期，在下面试验设计时，选取了以下3种工况：低温-30 ℃、6 LW/min；高温50 ℃、1 LW/min及高温70 ℃、1 LW/min。具体试验设置如4所示。

按照试验方案设计表4，文中进行了4组试验，试验结果如表5所示。

由于在对试验结果进行评价时，通常针对样件恢复至常温后的状态，因此，这里只展示试验4 h后样件的状态。

压痕深度与加载顺序的关系如图8所示。可见：试验9和试验10结果对比值为2.6 mm∶2.3 mm，试验11和试验12的结果值对比为3.1 mm∶2.7 mm。两组试验表现出相同的规律，

即可得到如下结论：先高温再低温的顺序，样件表面的塌陷情况较对比件轻微，样件表现出来的性能略优于先低温后高温，加载工况的顺序会对试验结果产生一定的影响，但不显著。

3结论

通过以上对试验结果的分析和讨论，可以得到如下结论：

(1)扶手疲劳耐久试验在高温低频率的情况下，失效状态最严重，即温度、频率的综合作用是影响试验结果的关键因素。因为材料的热化学反应在高温下最为活跃，反应的速度较快，而低频率则使样件长时间处于受力状态，最终导致了样件改变；

(2)在低温工况下，样件表面的变形是可逆的，在室温下放置一段时间后，样件的表面压痕可以恢复，低温对试验结果无明显影响；

(3)一个完整的疲劳耐久试验需要在高温、低温、RT 3种工况下进行，而试验的顺序对试验结果有影响，但程度较轻。同时也可以得出如下结论：若想快速验证一个样件的性能，预知疲劳耐久试验的结果，可以先做高温低频率工况。

文中关于汽车门内护板扶手疲劳耐久试验提出了一种思路，通过试验设计及实施，得出了以上3个结论。但文中并没有考虑产品本身结构对试验结果的影响，所选取的扶手仅是由织物面料及ABS骨架组成的产品，因此结论具有局限性，只是提供一个研究方向。

参考文献:

【1】郝加杰.影响汽车内饰质量的因素分析[J].企业科技与发展,2011(8):21-23.

【2】麦秋颖.基于用户行为分析的GA5车门内饰板造型设计[D].成都：西南交通大学，2014.

【3】赖建萍,王一临.汽车内饰材料的人工老化试验[J].装备环境工程,2007,4(1):35-40,43.

【4】DIN 75220-1992 汽车结构件在太阳模拟装置中的老化[S].

【5】EP84610.21-2006，ZSB Tür-und Seitenverkleidung Dauerbelastung der Armauflage[S].

【6】EP84610.21-2012，ZSB Tür-und Seitenverkleidung Dauerbelastung der Armauflage[S].

Effects of Testing Condition on the Fatigue Property of Door Panel Armrest

JIA Xiaoyan,XU Yuanlin,WANG Yu,WANG Changyu,LI Jiacheng,ZHAN Lei

(Changchun Faway-Johnson Controls Automotives System Co.,Ltd., Changchun Jilin 130033,China)

Keywords:Door panel; Armrest; Fatigue durability; Testing condition

Abstract:The result of armrest fatigue test is affected by several factors. The effects of temperature, frequency and loading sequence on the fatigue property of door panel armrest were investigated.The results show that the three factors have a significant effect on the fatigue property of door panel armrest: high-temperature has a obviously impact on the test results, the temperature is higher, the sample is more easily destroyed; at the same temperature, there is an obvious linear relationship between the frequency and results, that is to say, frequency slower, the sample is more easily failure; in addition, when the testing is under a high-temperature and low-frequency condition, the door panel armrest would behavior its worst fatigue property; and the loading sequence also significantly influences the fatigue property of door panel armrest. That is to say, cool to warm testing condition would result in a more critical testing result than a warm to cool condition.

收稿日期：2015-12-01

作者简介：贾晓彦(1985—)，女，硕士，研究方向为汽车内饰产品测试。E-mail:xiaoyan.jia@jci.com。

中图分类号:U463.83+4

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)03-012-06