一種碳纖維車載中控臺設計

巨小龍，郭木鐸，王 騰

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

1 前言

隨著機動式指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展，車載指揮平臺對于車內(nèi)中控臺提出了輕量化、高強度、高可用性的要求[1]。傳統(tǒng)的金屬中控臺受制于工藝及原材料的特性，其造型較為平直，輕量化實現(xiàn)難度較大。為了提升指揮車的承載能力，盡可能減少承載結(jié)構(gòu)件的自重，提高指揮車內(nèi)的整體美觀性及人機工程水平，使用碳纖維復合材料是實現(xiàn)這一要求的重要途徑。

碳纖維復合材料（CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強體的一種力學性能優(yōu)異的無機高分子材料，是新一代軍民兩用增強纖維[2-4]。碳纖維材料已在軍事及民用工業(yè)的各個領域取得廣泛應用，在從汽車、電子、機械、化工、輕紡等民用工業(yè)到航天、航空等軍工領域均有不可替代的地位。它所具有的密度小、比模量大、比剛度高、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐高溫、抗腐蝕和便于大面積整體成形等諸多優(yōu)點，可以滿足高結(jié)構(gòu)效率的要求?，F(xiàn)在，CFRP已經(jīng)與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空、航天領域的四大結(jié)構(gòu)材料[5]。

2 碳纖維復合材料特性

2.1 輕質(zhì)高強

碳纖維復合材料的密度為1.6 g/cm3，是普通鋼材的20%，與鎂合金相似。碳纖維環(huán)氧樹脂基復合材料的拉伸強度可達2 000 MPa，模量可達200 GPa以上，性能遠高于普通鋼材。據(jù)統(tǒng)計，同等外形和性能條件下，采用碳纖維復合材料使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕30%～40%。而且由于碳纖維復合材料的比強度、比模量很高，產(chǎn)品可以獲得更好的輕量化效果。

2.2 耐沖擊

碳纖維復合材料具有較高的固有頻率，同時復合材料基體纖維界面有較大的吸收振動能量的能力，使其在受到相同程度的破壞時，能夠承受比其他材料更高的沖擊力。在發(fā)生碰撞時，能量吸收率較鋁合金和鋼高5倍以上，具有非常高的抗振、抗沖擊性能。

2.3 可設計性強

碳纖維復合材料沿纖維軸向和垂向的電、磁、導熱、比熱、熱膨脹系數(shù)以及力學性能等，具有明顯的差別。碳纖維復合材料可以在很寬的范圍調(diào)整鋪層取向，由于鋪層的各向異性特征，可通過選擇合適的鋪層方向和層數(shù)來滿足強度、剛度和各種特殊要求，以獲得滿足使用要求、具有最佳性能質(zhì)量比的復合材料結(jié)構(gòu)，這為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計開闊了巨大的發(fā)展空間，是各向同性材料所無法比擬的。

2.4 易于大面積整體成形

碳纖維復合材料具有多種成型方式，代表性的是整體共固化成形，該技術(shù)減少了零件和緊固件的數(shù)量，簡化了生產(chǎn)工序，縮短了生產(chǎn)周期。例如，美國洛克希德·馬丁公司試制的JSF戰(zhàn)斗機的復合材料垂直安定面，復合材料的零件數(shù)目減少到1個，取消了1 000多個機械緊固件，既簡化了工序，又節(jié)省了工時，使裝配協(xié)調(diào)問題更簡單，制造成本減少了60%。

3 中控臺設計

3.1 外觀設計

作為駕駛室內(nèi)重要的組成部分，中控臺的設計需參照原車的造型風格及色彩搭配，與改裝后的整體效果相協(xié)調(diào)。整車的內(nèi)飾設計需以滿足操作人員的視覺、觸覺的舒適感以及心理需求為目標，整體把握車體內(nèi)部空間的效果。由于原車前后兩排席位中間為過道，為了實現(xiàn)設備上裝，因此在過道處設置了整體式中控臺。

中控臺整體效果如圖1所示，中控臺采用深灰色的色彩基調(diào)，上裝結(jié)構(gòu)件及配套設備均噴涂淺灰色的油漆，在保證顏色協(xié)調(diào)的基礎上，確保可達性及可操作性。

圖1 中控臺整體效果圖

3.2 成型工藝

碳纖維復合材料成型主要有模壓工藝、拉擠工藝、熱壓罐成型工藝、RTM工藝、纏繞工藝、真空導流工藝等。相比與其他工藝，真空導流工藝具有成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、一致性好、工步少、樹脂含量少、污染小等優(yōu)點，其鋪貼如圖2所示。整個鋪貼過程需要考慮制品的結(jié)構(gòu)和形狀，布置好導流網(wǎng)。

圖2 真空導流成形鋪層示意圖

具體操作步驟為：①準備模具。將模具清理干凈，然后打脫模蠟或抹脫模水。②增強材料鋪設。依次鋪設碳纖維、芳綸纖維、強芯氈等復合材料。③真空袋材料鋪設。先鋪上脫模布，接著是導流布，最后是真空袋。④抽真空。鋪設纖維材料后，安裝各進樹脂管，對整個體系進行抽真空處理。⑤配樹脂。抽真空達到一定要求后，準備樹脂。按凝膠時間配入相應固化劑。⑥導入樹脂。把進膠管插入配好的樹脂桶中，依次導入樹脂。⑦脫模。樹脂完全固化后，揭去真空袋材料，取出制品。

3.3 結(jié)構(gòu)設計

本文研究的對象主要由框架、臺板和安裝附件組成，其設計模型如圖3所示。由于中控臺需從儀表臺延伸至第二排區(qū)域，同時需避讓駕駛員側(cè)部的操作桿。因此中控臺整體設計為楔形，前部較窄，并逐步過渡至正常寬度。

圖3 中控臺設計模型

為了保障副駕駛席位及第二排兩個席位正常工作，中控臺上部集成安裝了顯示及操作終端、耳機話柄、便攜操作單元等各類顯控單元。

中控臺如圖4所示，傳統(tǒng)的中控臺以鈑金或鋼骨架作為承載主體，外部可根據(jù)需要使用木板或其他裝飾板進行包覆。但由于這種金屬框架設計受限，需使用較多數(shù)量的型材完成骨架的焊接，難以實現(xiàn)曲面、曲線的圓滑過渡；同時其剛強度受焊接質(zhì)量影響較大，若出現(xiàn)焊接瑕疵可能會造成中控臺剛強度不足。

圖4 中控臺（鋼骨架模型）

由于鋼制材料密度較大，金屬骨架焊接完成后，尚需設置外觀覆蓋件，集成后的金屬中控臺整體質(zhì)量通常高達40～50 kg，極大影響了整車的裝載能力。

如圖4所示，碳纖維中控臺由框架和臺板組成，框架采用整體成型方式，可保證產(chǎn)品獲得優(yōu)異的力學性能。為了滿足設備上裝緊固需要，框架和臺板成型時根據(jù)緊固點的分布，分別設置3 mm厚鍍鋅鋼板作為安裝埋鐵。后續(xù)集成上裝過程中，可使用安裝緊固件將設備與中控臺可靠連接。由于碳纖維中控臺鋪層完畢后，其已具有一定的厚度和完整的外觀面，無需額外使用表面覆蓋件，中控臺整體質(zhì)量能夠得到有效的控制。成型后的中控臺為24.1 kg，相比于金屬中控臺，減重達50%。

3.4 人機工程設計

為了滿足人機工程學需要，中控臺主體高度設置為530 mm，結(jié)合原車中部過道高度為220 mm，中控臺高度相對于操作人員腳面為750 mm；同時腿部空間高度為600 mm，深度為350 mm，符合GJB 2873—97中對坐姿操作空間的要求。

席位操作域如圖5所示。在水平面上，以肩關(guān)節(jié)為圓心，半徑600 mm的2個半圓覆蓋了操作臺板上的觸摸屏、手柄和鍵鼠設備，符合標準中對操作空間的要求。同時，最重要的和最常用的信息顯示等裝置（加固筆記本），布置在區(qū)域1內(nèi)；比較重要的和比較常用的操縱機構(gòu)和信息顯示等裝置（接口盒、操作終端），布置在區(qū)域2內(nèi)；經(jīng)常使用的裝置（電話手柄），布置在區(qū)域3內(nèi)。

圖5 席位操作域示意圖

4 試驗驗證

為滿足新形勢下全域機動的任務需求，新型特種車輛車載電子系統(tǒng)應能適應高海拔、高寒、潮濕及叢林等多種環(huán)境，并具備靈活開設、快速維護和高效多能等功能[6]。為了驗證碳纖維中控臺實裝下的環(huán)境適應性及其剛強度，參考GJB150的相關(guān)試驗要求及方法，對碳纖維中控臺進行高溫貯存、低溫貯存及振動試驗。

4.1 高溫貯存

試驗前檢查：試驗前對樣件進行外觀檢查，確認樣件外表面無異常。

環(huán)境升溫：將樣件置于試驗間中，試驗間初始環(huán)境溫度開始升高至70℃（溫度變化不超過2℃/min）。

溫度保持：將樣件置于70℃環(huán)境下，溫度穩(wěn)定后保持24 h。試驗間內(nèi)環(huán)境溫度及艙內(nèi)溫度均由70℃降至常溫，溫度變化不超過2℃/min，溫度穩(wěn)定后保持2 h。

試驗后檢查：檢查常溫下結(jié)構(gòu)件狀態(tài)。

4.2 低溫貯存

試驗前檢查：試驗前對樣件進行外觀檢查，確認樣件外表面無異常。

環(huán)境降溫：將樣件置于試驗間中，試驗間初始環(huán)境溫度開始降低至﹣55℃（溫度變化不超過2℃/min）。

溫度保持：將樣件置于﹣55℃環(huán)境中，溫度穩(wěn)定后保持24 h。試驗間內(nèi)環(huán)境溫度及艙內(nèi)溫度均由﹣55℃升至常溫，溫度變化不超過2℃/min，溫度穩(wěn)定后保持2 h。

試驗后檢查：檢查常溫下結(jié)構(gòu)件狀態(tài)。

4.3 振動試驗

使用固定工裝，將碳纖維中控臺與振動臺可靠連接。振動試驗條件如圖6所示。分別參照圖6（a）和圖6（b）設置振動條件，每個方向振動30 min。

圖6 振動試驗條件

4.4 試驗結(jié)果

經(jīng)過高、低溫及振動試驗驗證，同時隨整車進行了長距離跑車試驗考核，碳纖維中控臺能夠滿足整車的使用工況，滿足GJB150中對于高、低溫及振動的指標要求。中控臺試驗如圖7所示。

圖7 中控臺試驗圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)車載移動指揮平臺需求，設計了一種高集成性、高強度的碳纖維中控臺，通過人機工程分析驗證了人機工效的合理性、可行性；通過高溫、低溫、振動試驗對碳纖維中控臺的環(huán)境適應性和力學性能進行試驗驗證。經(jīng)分析試驗，碳纖維中控臺能夠更加有效地依據(jù)車輛內(nèi)飾環(huán)境進行針對性設計，滿足輕量化要求的同時，保證產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，可進一步在機動指揮裝備中進行推廣和應用。