汽車內(nèi)飾副儀表板設(shè)計(jì)及其模態(tài)仿真分析

廖智鵡

（江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車內(nèi)飾的舒適性已成為消費(fèi)者在購(gòu)買時(shí)的關(guān)注點(diǎn)[1]。汽車內(nèi)飾件直接關(guān)系到駕乘人員的體驗(yàn)感，其設(shè)計(jì)是否科學(xué)會(huì)影響新車型的研發(fā)，副儀表板是汽車內(nèi)飾件的重要部件之一[2-4]，有必要對(duì)其加以研究。本研究主要從副儀表板的材料選擇、脫模角度分析以及布置要求等方面入手，概述了其在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)分析了其與地毯及手剎等周邊件的匹配設(shè)計(jì)要求，并針對(duì)零件試制過(guò)程中常出現(xiàn)異響問(wèn)題，在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中利用常用的有限元方法輔助設(shè)計(jì)，分析副儀表板的模態(tài)，分析結(jié)果表明，此副儀表板的設(shè)計(jì)符合公司標(biāo)準(zhǔn)。

1 副儀表板的材料選擇及設(shè)計(jì)要求

汽車副儀表板裝配在駕駛艙主駕駛座椅和副駕駛座椅之間的中央通道上，目的是集成儲(chǔ)物盒、后排出風(fēng)口、杯托、煙灰缸、點(diǎn)煙器、電器按鈕、換擋桿、手動(dòng)剎車桿等功能性部件。根據(jù)副儀表板和儀表板的過(guò)渡方式，可分為流線型、連貫型和獨(dú)立型三種[5]，分別如圖1、圖2、圖3所示。副儀表板包括副儀表板本體、后蓋板、副儀表板面板、前端蓋板、扶手、杯托、換擋蓋板等零件，主要運(yùn)用的成型工藝有注塑、噴涂、電鍍、焊接、發(fā)泡、雙色注塑、氣體輔助成型。氣體輔助成型是將熔融塑料粒子注入模具的同時(shí)注入一定量的惰性氣體，并通過(guò)氣路、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝控制使零件的特定區(qū)域形成中空結(jié)構(gòu)的注塑工藝。中空結(jié)構(gòu)的形成增強(qiáng)了零件的機(jī)械性能的同時(shí)減少了零件壁厚，改善了零件外觀，降低了材料成本和成型周期。

圖1 流線型

圖2 連貫型

圖3 獨(dú)立型

1.1 材料選擇

副儀表板的材料需根據(jù)其表面定義及零件所處位置進(jìn)行選擇，如副儀表板本體一般選擇PP+EPDMTD20，而副儀表板面板選擇ABS或PC/ABS等，具體可參考選用的材料如表1所示。

表1 副儀表板材料選擇

1.2 設(shè)計(jì)要求

1）脫模分析。副儀表設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行脫模分析，根據(jù)副儀表板的外表面確定其主脫模方向，一般都為正Z方向（垂直方向）。根據(jù)該方向分析副儀表板外表面的各個(gè)地方都能順利脫模，一般拔模角度至少為7°，副儀表板上有些不可見(jiàn)區(qū)域可以為5°，但拔模角度不得小于3°，如果小于3°可能拉傷零件表面，產(chǎn)生痕跡。另外，在進(jìn)行拔模方向及后期布置方案的選擇上要盡量避免使用滑塊，因?yàn)槭褂没瑝K首先會(huì)影響外觀，在零件表面產(chǎn)生分模線，其次會(huì)影響模具壽命[6]。

2）安裝方式。設(shè)計(jì)前需要確定副儀表板總成的安裝結(jié)構(gòu)、方式，整個(gè)總成一般是通過(guò)前后安裝支架固定在中央通道上，副儀表板上其他附件如后蓋板、副儀表板面板等一般采用塑料卡子或自身卡子固定。如果前端副儀表板與儀表板有連接關(guān)系，還需要考慮兩者的定位策略，并通過(guò)左右兩側(cè)各兩個(gè)螺釘進(jìn)行固定。

3）布置要求。①與座椅的間隙要求：為了保證扶手在打開過(guò)程中不與座椅干涉及座椅在滑動(dòng)過(guò)程中不與扶手干涉，扶手總成要滿足扶手總成與座椅靠背的包絡(luò)間隙不小于12 mm以及扶手總成與座椅坐墊的包絡(luò)間隙不小于15 mm的要求[7-8]。②副儀表板扶手布置要求：扶手最前端在R點(diǎn)（設(shè)計(jì)位置）后端距離不小于76 mm、扶手最后端在R點(diǎn)（最前位置）前端距離不小于50 mm、扶手前端上表面與R點(diǎn)高度距離為152 mm～203 mm。

2 副儀表板與周邊件匹配設(shè)計(jì)要求

2.1 副儀表板與地毯搭接關(guān)系

如圖4所示，副儀表板與地毯精致工藝一般定義為零間隙，防止出現(xiàn)地毯塌陷或漏洞。設(shè)計(jì)時(shí)副儀表板側(cè)板壓地毯，干涉量一般為1.5 mm～2.5 mm，保證兩者貼合，考慮地毯的制造及裝配公差，副儀表板與地毯的切口邊界搭接量最小距離為20 mm，如圖5所示。

圖4 副儀表板與地毯干涉量

圖5 副儀表板與地毯搭接量

2.2 副儀表板與手剎搭接關(guān)系

副儀表板與手剎的配合關(guān)系如圖6所示，手剎安裝在地板鈑金上，且是運(yùn)動(dòng)件，副儀表板與其的間隙需滿足的尺寸要求如表2所示。為方便乘客操作手剎，手剎側(cè)面與副儀表板的間隙一般推薦為45 mm，手剎下方與副儀表板的間隙推薦為35 mm，手剎前方與副儀表板的間隙推薦為30 mm[9-10]。

圖6 副儀表板與手剎的配合關(guān)系

表2 手剎與副儀表板尺寸要求 單位：mm

3 副儀表板模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)，包括固有頻率和振型，是振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性；模態(tài)與是否受外力及外力的大小無(wú)關(guān)，由其材料屬性和結(jié)構(gòu)決定。在副儀表板設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析，可以提前判斷存在異響的可能性。對(duì)任意一個(gè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微分方程為：

式（1）中，M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；¨x(t)為加速度向量；.x(t)為速度向量；x(t)為位移向量；F(t)為外界激勵(lì)載荷矩陣。

在無(wú)阻尼自由振動(dòng)情況下，進(jìn)行傅式變換可得：

變換為特征方程：

基于式（3）可求得結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，ω為系統(tǒng)固有頻率，φ為系統(tǒng)振型。

3.2 有限元分析

該汽車副儀表板為薄壁型塑料注塑件，其總質(zhì)量為6.9 kg，為了保證有限元建模的準(zhǔn)確度，將副儀表板的三維模型導(dǎo)入HyperMesh前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為4 mm，單元總數(shù)為122 786個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為124 560個(gè)，卡扣和螺栓連接采用 RBE2單元模擬，螺栓孔周邊采用Washer處理，零件材料及材料特性如表3所示。約束副儀表板所有安裝點(diǎn)的6個(gè)自由度，通過(guò)ABAQUS求解器進(jìn)行求解，計(jì)算其模態(tài)。從圖7可知，副儀表板的一階為31.5 Hz，滿足公司標(biāo)準(zhǔn)副儀表板一階自然頻率不小于25 Hz的要求。

表3 副儀表板材料特性

圖7 副儀表板一階模態(tài)

4 結(jié)論

綜上所述，本研究主要從副儀表板的脫模分析、安裝方式、布置要求等方面分析了副儀表板在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中需遵循的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還論述了副儀表板與周邊件的匹配要求，如副儀表板與地毯、副儀表板與手剎等。并針對(duì)零件在顛簸路面常出現(xiàn)副儀表板由于設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的異響問(wèn)題，在零件設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中利用有限元分析軟件對(duì)某一副儀表板進(jìn)行了模態(tài)分析，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)提前驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)分析結(jié)果可知，副儀表板的設(shè)計(jì)符合本公司標(biāo)準(zhǔn)要求，可降低后續(xù)修模的風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)車型開發(fā)提供相應(yīng)參考。