卫 刚

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601 ）

乘用车迎宾踏步承载结构校核分析及优化设计

卫 刚

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601 ）

文章首先阐述了乘用车迎宾踏步的概念、特点和应用范围，介绍乘用车迎宾踏步的主要功用、组成结构和制造工艺、以及常见分类，根据分类型式描述不同类型的迎宾踏步结构型式，并详细说明承载式迎宾踏步各部分组成和功能。其后重点阐述承载式迎宾踏步承载结构校核分析方法和优化设计方案，将计算机辅助设计和仿真分析应用到实际产品的研发设计流程中。

乘用车迎宾踏步；概念；功能；计算机辅助设计；仿真分析

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-65-03

前言

登车踏步在众多车型中是重要的组成部分，尤其在车身底盘较高的车型中是乘员上下车辆不可或缺的辅助部件，并且具有相关法规和标准对其进行严格限制和要求。本文所述登车踏步应用于乘用车及皮卡车型。此类登车踏步在满足法规、标准要求的同时更加注重外观的美化及使用舒适性，突出体现“迎宾”的意义，可提升车辆品质感、豪华感。为与其他类型登车踏步进行区分，本文所述踏步仅限为乘用车迎宾踏步。

1、乘用车迎宾踏步简介

1.1 乘用车迎宾踏步的功用

本文所述乘用车迎宾踏步是专指适用于M1类和N1类乘用车及皮卡车型，装配于车身两侧，其主要功能包括提供登车踩踏、助力的承载装置，帮助驾乘人员方便上下车辆，以及装饰美化整车造型，提升车辆品质感和豪华感。

1.2 乘用车迎宾踏步的组成和制造工艺

迎宾踏步一般由承载结构、装饰部件、防滑结构、排泄结构组成，由于设计结构型式的差异，组成部件结构并非严格区分。

乘用车迎宾踏步涉及的制造工艺较为广泛，需要应用多种制造工艺生产其组成部件。生产迎宾踏步组成部件常见的制造工艺有冲压成型、挤出成型、注塑成型、模压成型等。

1.3 乘用车迎宾踏步的一般分类

本文所述迎宾踏步按其使用功能可分为两大类：

1）承载式：承载式迎宾踏步可供驾乘人员踩踏、助力上下车辆，此类踏步具有典型的承载结构、必备的防滑结构和排泄结构，以及合理的人机工程设定。该类踏步必须满足相关法规、标准要求，其登车踩踏面高度、面积以及承载性等都有严格规定。

2）非承载式：仅起装饰美化功能，不可踩踏。此类踏步并无承载式踏步相关标准要求，因此该类踏步可以容易实现型式多样化，只适用于登车高度较低的车辆用于装饰美观。

2、乘用车迎宾踏步常见的结构型式

2.1 承载式迎宾踏步

承载式迎宾踏步具有典型的承载结构，其承载性能至少满足两名正常成年人同时由前车门和后车门踩踏登车或下车，且提供的踩踏面积和登车高度在满足法规要求的同时应方便、舒适。承载式迎宾踏步的承载结构具有较高强度、刚度，较好的耐久性和耐腐蚀性，多为铝合金制品、钢材制品以及其他合金类制品构成。根据迎宾踏步承载组成部件制造材料的不同，可大致分为四类：1） 铝合金制承载结构，2）钢材制承载结构，3）铝合金、钢材组合使用承载结构，4）其他材料制承载骨架类，如应用高科技材料。

装饰类部件满足造型设计要求，突出美观和视觉效果，实现方式种类较多，较为常见的有：1）铝合金制品采用氧化工艺达到高光、亚光、磨砂效果；2）不锈钢制品实现不同色泽的高光、镜面效果；3）塑料制品采用喷漆、电镀工艺实现不同颜色、花纹、仿真效果；4）塑料制品通过皮纹工艺实现深浅粗细、磨砂等不同类型的皮纹效果。

承载式迎宾踏步必须设计防滑和排泄结构，确保乘驾人员上下车辆安全性以及防止异物堵塞、填埋、覆盖防滑结构等因素导致防滑结构失效；防滑结构和排泄结构实现型式一般有两种：1）承载结构本身设计有防滑特征和排泄结构，增大踩踏摩擦力，同时可排泄泥水、异物；2）设计具备防滑特征及排泄结构的部件安装于承载结构之上。

2.2 非承载式迎宾踏步

与承载式迎宾踏步相比，非承载式迎宾踏步不具备供驾乘人员踩踏的功能，同时为避免出现诱导性危险，该类踏步设计无踩踏面或无法实现踩踏助力的外观特征。非承载式踏步仅实现整车造型装饰美化功能，其组成部件无须满足承载性等法规、标准要求，但同样需要满足车辆外部装饰部件相关标准和要求。

3、承载式迎宾踏步承载结构校核分析

承载式迎宾踏步必须满足法规和标准要求，其承载性能和耐久可靠性非常重要，必须防止产生失效风险造成乘驾人员损伤。为确保踏步产品具备足够的承载性和耐久可靠性，在产品的设计阶段需进行充分的计算和分析，使理论状态满足法规和标准要求；同时在产品验证阶段需进行多种型式的试验验证，以检测产品实物状态是否满足法规和标准要求。但若于产品验证阶段检测发现踏步的承载性能不满足要求，开发的产品则无法使用，将产生二次开发费用，延长开发周期。因此在设计阶段应完全规避理论状态下不满足法规和标准要求的可能性，并结合实际经验设定合理安全系数，降低产品实物不满足要求的风险。本文介绍一种应用计算机辅助设计校核承载式迎宾踏步承载结构校核分析的方法，用于设计阶段对踏步承载结构的理论分析。

3.1 法规要求

承载式迎宾踏步踩踏高度及踩踏深度必须满足相关标准要求，避免造成踩踏不便甚至出现安全隐患；同时必须满足乘用车外部突出物安全性的相关要求。承载性能并无法规强制规定，但缘于其重要性及风险严重性，行业标准及企业标准会进行严格要求。

3.2 分析方法和内容

3.2.1 分析方法

利用计算机辅助设计软件建立迎宾踏步3D数学模型，并将所建立模型数据导入仿真分析软件，采用有限元法对迎宾踏步承载结构进行强度分析。根据分析所得结果与标准规定进行对比分析，校核其承载性和耐久性是否满足要求。建立3D数学模型和分析中使用的软件有CATIA、ANSYS、ABAQUS和HYPERVIEW。

3.2.2 模型建立

本文设计一款承载式乘用车迎宾踏步，其承载结构使用铝合金制品、钢材制品组合方案：选用铝合金制品踩踏结构，钢材制品承载安装支架。该方案中钢材制品具有良好的成型性，避免因承载安装支架形状复杂而难以加工；采用铝合金制品踩踏结构，可降低成本、重量和对车身承载部位的负荷。

首先进行乘用车迎宾踏步3D数学模型设计，设计约束条件包括：满足法规要求的登车高度和踩踏面积，车身驾驶室提供的安装结构，迎宾踏步的外观造型效果图和造型曲面。根据以上条件，进行迎宾踏步的构想设计和制造工艺、安装工艺等初步设定，编制合理的设计方案。本文设计乘用车迎宾踏步具体实施方案如下：钢材制品承载安装支架，采用冲压工艺成型，共计3个，分别于前、中、后位置支撑迎宾踏步；铝合金制品踩踏结构，采用挤出工艺成型；可拆卸式防滑结构采用塑料注塑成型；排泄结构与踩踏结构集成，组成排泄系统。

第二步，根据迎宾踏步及驾驶室3D数学模型建立有限元分析模型。固结踏步踩踏结构和承载安装支架，设定为刚性连接。节选部分驾驶室3D数学模型，但是必须包含驾驶室安装迎宾踏步的结构及其支撑部件，如图1所示。驾驶室钣金件数学模型采用SHELL单元离散，点焊采用SOLID单元模拟，缝焊采用BEAM单元模拟。

图1 迎宾踏步有限元分析模型

3.2.3 校核方案

校核标准：承载式迎宾踏步必须满足在前车门与后车门踩踏区域同时加载150kg重作用力时，承载结构安全系数不小于1.2。

模拟分析加载工况：施加Z向均载FZ=1471.5N（等效于前车门与后门踏步踩踏区域同时承载体重150kg的人上下车的情况）；加载面积即为踩踏面积，满足标准要求：国标98%成人1/2脚掌面积。

模拟分析约束条件：驾驶室截取处全约束。取踏步前车门与后车门两个踩踏区域，施加Z向均载FZ=1471.5N，加载位置位于车门边框中间位置，边界约束条件如图2所示。

图2 迎宾踏步约束条件

4、优化设计

4.1 优化设计意义

迎宾踏步承载结构设计时还应综合考虑制造成本、重量，在满足要求的前提下避免性能过剩。通过CAE仿真分析计算结果，可清楚的观察到迎宾踏步的承载结构强度与校核标准差异，针对性采取优化措施。优化设计目的，即为实现产品在成本、重量最为经济的条件下，满足法规和标准的要求。

4.2 优化设计方法

影响迎宾踏步安装支架强度的因素有：1）制造材料， 2）承载支架结构型式，包括料厚、形状等。进行优化设计时应从较为经济的优化方法开始，编制合理的优化流程，按优化流程进行3D数学模型优化、分析工作，避免因优化方向不明确，造成周期延长甚至不能达到理想效果。根据优化流程，首先进行迎宾踏步承载安装支架结构优化，该方法不会明显增加产品重量和成本，具体实施方案有增加加强筋、更改截面型式等。其次更改承载支架的料厚，包括局部增厚和整体加厚。如果优化承载支架结构效果不明显，增加料厚又影响重量达标，则需考虑更换性能更高的制造材料。性能、成本、重量相互制约、相互影响，设计与优化时应综合考虑。

图3

图4 优化流程图

5、结束语

本文介绍适用于M1类和N1类车型中乘用车及皮卡车型的迎宾踏步常见类别和结构型式，并对其制造工艺进行简要叙述，着重论述承载式迎宾踏步承载性的校核方法和优化设计方法。通过建立乘用车迎宾踏步3D数学模型，结合计算机仿真分析，对承载式迎宾踏步承载结构进行理论校核分析和优化设计，将CAD软件与CAE软件辅助设计应用于汽车部件设计过程中。在设计过程中，借助计算机编程对其进行校核和优化，不但速度快而且精度高，极大提高了设计效率，而且降低开发风险，缩短了设计验证周期。

[1] 张洪才.《ANSYS14.0理论解析与工程应用实例》机械工业出版社.

[2] 曾攀.《结构的建模与分析—基于ANSYS平台有限元分析》机械工业出版社.

[3] 何献忠.《优化技术及其应用》北京理工大学出版社.

[4] 王望予.《汽车设计》机械工业出版社.

Bearing Structure Of The Passenger Car Foot Rest Analysis And Design

Wei Gang
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd R&D center, Anhui Hefei 230601 )

This article first expounds the concept of the passenger car foot rest, characteristics and application scope. Then introduce the major function of the passenger car foot rest, composition structure and manufacturing process, as well as the common classification. According to the different types of the passenger car foot rest describe the composition structure, and introduce the components and functions of the passenger car foot rest in detail. The next part illustrate the method of analysis and plan of design for the passenger car foot rest. The computer aided design and simulation analysis is applied to the research and development of the actual product design process.

Passenger car foot rest; Concept; Function; Computer aided design; Simulation analysis

U463.8

A

1671-7988 (2017)08-65-03

卫刚（1988-），男，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，主要从事汽车内外饰设计的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.022