汽車儀表板橫梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)及剛度分析

鄧清華 ，廖程亮 ，孔 飛

（江西五十鈴汽車有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330010）

隨著汽車市場(chǎng)日益發(fā)展壯大，汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)的好壞逐漸引起顧客的重視，而汽車儀表板橫梁作為汽車內(nèi)飾最重要的結(jié)構(gòu)件之一，其主要作用是為儀表板、空調(diào)、中控屏、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱和各類電器件等提供支撐[1-4]。因此，本文主要介紹橫梁的主管梁及各種支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行剛度分析，為后續(xù)橫梁的設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)。

1 儀表板橫梁概述

儀表板橫梁位于儀表板內(nèi)部，為儀表板飾件、乘員側(cè)安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱、線束等提供支撐，其由主管梁及各種支架焊接而成。主管梁是儀表板橫梁的主體，是主要的支撐結(jié)構(gòu)。支架包括左端板、右端板、轉(zhuǎn)向管柱支架、接地支架以及各種電器安裝支架等，具有連接橫梁與車身、安裝電器件的功能。儀表板橫梁采用沖壓和焊接工藝，沖壓工藝主要由裁剪、落料、沖孔、切口、彎曲等工序組成，橫梁各部件沖壓成型后通過CO2氣體保護(hù)焊接成型[5-7]。橫梁材料主要為鋼材，但隨著技術(shù)的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)，有些車型采用鎂鋁合金材料，但是價(jià)格較貴。儀表板橫梁根據(jù)其材料和結(jié)構(gòu)的類型，大致可分為鈑金焊接型、塑料鈑金混合型、鎂鋁合金壓鑄型（鋁鎂合金壓鑄型）和全塑料型橫梁等。目前主流汽車上，大量采用鈑金焊接型儀表板橫梁，圖1和圖2分別為鋼制橫梁和鎂鋁合金橫梁。

圖1 鋼制橫梁

圖2 鎂鋁合金橫梁

2 儀表板橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橫梁的定位安裝策略

橫梁一般在車身布置8～10個(gè)固定點(diǎn)，車身左右側(cè)4個(gè)固定點(diǎn)，地板有2個(gè)或4個(gè)固定點(diǎn)，在前艙布置1～2個(gè)固定點(diǎn)。儀表板橫梁一般選取YZ平面作為X向定位基準(zhǔn)。橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，一般在左、右端板分別焊接主、輔定位銷，按照左主右輔原則與車身定位進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]，定位銷直徑為13 mm～16 mm。緊固件的選擇一般在左、右端板及轉(zhuǎn)向管柱處使用M8螺栓，中間支撐支架選用M6螺栓。橫梁上與前艙鈑金相連的支架厚度一般為1.5 mm～2.5 mm，推薦料厚2.0 mm。橫梁定位安裝策略如圖3所示。

圖3 橫梁定位安裝策略

2.2 橫梁主管梁設(shè)計(jì)

鋼制橫梁主管梁的材料通常采用20號(hào)鋼材，在布置空間充足的情況下，盡量使用直管，如果不能滿足相關(guān)性能要求，建議采用變直徑的直管。如果因?yàn)榭照{(diào)等周邊件布置要求不能使用直管，則可使用彎管，如圖4和圖5所示。橫梁管徑盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，如35 mm、42 mm、45 mm、50 mm、54 mm、60 mm等，管壁一般為1.5 mm～2.0 mm[9]。管梁焊接時(shí)焊縫數(shù)量多、焊縫長(zhǎng)度長(zhǎng)、焊接變形大，需控制焊縫數(shù)量和長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)儀表板橫梁時(shí)，盡可能將焊縫對(duì)稱于截面中心軸，這樣能夠使焊縫引起的撓曲變形相抵消；焊縫在管梁中間時(shí)的焊接變形最大，所以設(shè)計(jì)橫梁時(shí)，盡量減少管梁中間部分的焊縫，并使橫梁中間部分焊縫對(duì)稱，這樣會(huì)使橫梁設(shè)計(jì)的剛性更好，結(jié)構(gòu)更合理。

圖4 直管

圖5 彎管

2.3 儀表板橫梁支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向管柱布置在駕駛員側(cè)，安裝在儀表板橫梁轉(zhuǎn)向管柱安裝支架上，為了避免轉(zhuǎn)向管柱處產(chǎn)生共振異響，在轉(zhuǎn)向管柱安裝支架旁采用頂部支架與前圍鈑金用M8螺栓進(jìn)行連接，支架的厚度為2.5 mm～3.0 mm，轉(zhuǎn)向管柱常用4個(gè)M8螺栓與橫梁轉(zhuǎn)向管柱安裝支架連接，如圖6所示。橫梁轉(zhuǎn)向管柱處的布置要求如圖7所示：①方向盤輪輻平面到主管梁中心的距離≤410 mm；②橫梁中心到轉(zhuǎn)向管柱中心的距離≤60 mm，以減少其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；③轉(zhuǎn)向管柱前固定點(diǎn)到主管梁中心的距離≤150 mm；④轉(zhuǎn)向管柱后固定點(diǎn)到主管梁中心的距離≤110 mm，儀表板橫梁上轉(zhuǎn)向管柱安裝支架與主管梁采用CO2焊接[10]。

圖6 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架

圖7 布置要求

2.3.2 儀表板橫梁下部支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在儀表板橫梁下部支架即副駕駛側(cè)安裝手套箱處，目前橫梁上手套箱處的支架與右中通道支架的配合有以下兩種方式，第一種是懸臂式結(jié)構(gòu)，如圖8（a）所示，懸臂式中心距一般要求在150 mm以下，支架翻邊的高度不小于5 mm，支架的壁厚為1.5 mm，通過CO2氣體保護(hù)焊與右中通道支架焊接，焊縫數(shù)量為2，為保證支架有足夠的剛度和強(qiáng)度，其上應(yīng)做凸筋。第二種為封閉式結(jié)構(gòu)，如圖8（b）所示，支架的翻邊高度為6 mm，支架的壁厚1.5 mm，與右中通道支架焊接，焊縫數(shù)量為2，由于封閉式支架的剛度較好，在設(shè)計(jì)中較為常見[11-13]。

圖8 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.3 保險(xiǎn)絲盒支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀表板保險(xiǎn)絲盒大部分會(huì)安裝在橫梁上，少部分安裝在儀表板本體上。安裝在橫梁上的保險(xiǎn)絲盒，其安裝方式共有兩種，如圖9和圖10所示，一種是保險(xiǎn)絲盒自帶安裝支架，橫梁提供保險(xiǎn)絲盒安裝支架的固定點(diǎn)，一般采用螺栓或者螺母緊固；另一種是橫梁上做保險(xiǎn)絲盒固定支架，單獨(dú)為保險(xiǎn)絲盒提供固定位置。橫梁保險(xiǎn)絲盒支架的料厚建議選擇1 mm～1.5 mm，提供2～3個(gè)固定點(diǎn)。保險(xiǎn)絲盒的定位應(yīng)通過支架上定位銷和孔的配合進(jìn)行設(shè)計(jì)，單邊預(yù)留間隙0.5 mm，一般的保險(xiǎn)絲盒固定點(diǎn)數(shù)量為2～3個(gè)，緊固件為M6螺栓或者Φ4.2 mm的自攻螺釘。

圖9 保險(xiǎn)絲盒自帶安裝支架

圖10 保險(xiǎn)絲盒不帶安裝支架

2.3.4 橫梁前端支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫梁前端支架是對(duì)儀表板橫梁的模態(tài)有重大影響的支架，所以需要在橫梁前端增加一個(gè)固定支架與車身連接，支架厚度為2.0 mm～2.5 mm，如果固定在儀表板的零部件的重量超過1.5 kg（如音像、手套箱、安全氣囊等），則必須固定在橫梁支架上，支架厚度1 mm～1.2 mm，或者直接固定在車身鈑金上。

3 儀表板橫梁剛度分析

儀表板橫梁為儀表板、空調(diào)、中控屏、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱和各類電器件等提供支撐，其設(shè)計(jì)至關(guān)重要，否則在產(chǎn)品試制過程中會(huì)頻繁出現(xiàn)橫梁設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的異響問題，需要拆卸整個(gè)儀表板總成進(jìn)行分析，工作量巨大，因此在設(shè)計(jì)凍結(jié)前，儀表板橫梁的剛度及強(qiáng)度需滿足設(shè)計(jì)要求。將儀表板橫梁模型導(dǎo)入有限元軟件HyperMesh中，利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，本文設(shè)置網(wǎng)格類型為四邊形殼單元，單元尺寸為4 mm，約束橫梁與車身的所有連接點(diǎn)全部為6個(gè)自由度。本文儀表板橫梁的主管梁材料為20號(hào)鋼，剩下的沖壓件支架的材料為DC01，所用材料相關(guān)參數(shù)如表1所示，計(jì)算橫梁在20 N的外力作用下的變形量，要求其變形量不大于0.5 mm。橫梁變形云圖如圖11所示，由圖11可知，此橫梁的最大變形量為0.431 4 mm，滿足規(guī)范要求。

表1 儀表板橫梁材料參數(shù)

圖11 橫梁變形云圖

4 結(jié)論

1）儀表板橫梁是支撐儀表板及其上面電器件的重要零部件，本文介紹了橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并分析了主管梁及焊接在其上的各種支架在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的相關(guān)參數(shù)，可為后續(xù)車型橫梁的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2）儀表板橫梁的剛度對(duì)其性能有重要影響，本文利用有限元分析軟件，分析橫梁在20 N的外力作用下的變形量，分析結(jié)果表明此橫梁的最大變形量為0.431 4 mm，小于規(guī)范規(guī)定的0.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，說明此橫梁設(shè)計(jì)合理。