汽車儀表板分析與設(shè)計(jì)

敖天霞

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330010）

0 引言

儀表板總成是汽車內(nèi)飾開發(fā)的核心部件，其開發(fā)好壞決定著項(xiàng)目開發(fā)的成敗。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的儀表板要求外觀簡潔大方，按鈕布置協(xié)調(diào)，操縱簡單便捷，整個(gè)儀表板既具有整體性，又功能劃分清晰[1]。儀表板是汽車中集安全性、功能性、舒適性與裝飾性于一體的部件，是汽車內(nèi)飾中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、包含零部件數(shù)量最多的總成零件，其處于車內(nèi)的高可見區(qū)域，是汽車內(nèi)飾開發(fā)的核心部件。

儀表板總成包含儀表板本體、手套箱、裝飾面板、組合儀表罩等，儀表板本體位于汽車駕駛艙前端的儀表板系統(tǒng)上，是儀表板系統(tǒng)的重要組成部分，其不僅為儀表板上各零部件提供了安裝結(jié)構(gòu)，還具備裝飾、隔音減振等功能?；诖?，筆者重點(diǎn)講述儀表板本體的設(shè)計(jì)要求。

1 儀表板分類及材料選擇

1.1 儀表板的分類

儀表板本體一般由儀表板骨架、隔音棉、吹面風(fēng)道、除霜風(fēng)道、左右吹面風(fēng)口、除霜風(fēng)口、副安全氣囊及氣囊蓋板、裝飾條等組成，不同檔次和配置的車型不完全一樣。按儀表板骨架是否分塊，可將儀表板分為一體式和分體式兩種類型，分別如圖1、圖2所示。按儀表板表面質(zhì)感及處理方式可分為軟質(zhì)和硬質(zhì)儀表板，按儀表板安全性又可分為有安全氣囊儀表板和無安全氣囊儀表板，目前有安全氣囊儀表板居多，且大多為無縫安全氣囊儀表板，PAB模塊布置有前置式和頂置式兩種[2]。氣囊蓋的爆破方式有兩種：U型蓋板和H型蓋板。U型蓋板適用于頂置式氣囊，鉸鏈要帶金屬板，這種布置只要爆破時(shí)玻璃不對(duì)氣囊袋磨損或者劃破都沒有問題；前置式無縫氣囊一般都采用H型蓋板打開，這種布置爆破力小一些，對(duì)二次碰撞傷害的風(fēng)險(xiǎn)較??；U型蓋板翻開面積太大，不利于二次碰撞。儀表板本體以注塑工藝制成的為硬塑儀表板，其因工藝簡單、投資低等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用，尤其是在中低檔車中。其表面處理主要以增加皮紋、涂漆裝飾（包括軟觸漆）等來改善外觀、增加色調(diào)或提高質(zhì)感。在注塑骨架外增加一層發(fā)泡層和軟皮，提高觸感，增加吸收能量的能力[3]。軟質(zhì)儀表板的骨架主要采用注塑工藝，發(fā)泡層主要用發(fā)泡工藝，表皮主要工藝有搪塑、陰模成型和陽模成型等。

圖1 一體式儀表板

圖2 分體式儀表板

1.2 儀表板的材料選擇

儀表板的材料選擇需根據(jù)儀表板的表面處理方式不同而有所區(qū)別，對(duì)于硬塑儀表板，一般采用改性PP，如PP+EPDM-T20等。對(duì)于軟質(zhì)儀表板，其主要包括骨架、發(fā)泡層、表皮，骨架材料一般選擇PPT20、PC/ABS、PP+PF等[4]；發(fā)泡材料一般選用PU（聚氨酯）等材料；表皮材料多選用PVC、TPU、TPO等。儀表板材料選擇類型如表1所示。

表1 儀表板材料選擇類型

2 儀表板的設(shè)計(jì)

2.1 儀表板前端與前擋玻璃之間的密封條設(shè)計(jì)

儀表板前端與前擋玻璃之間增加密封海綿，可起減振及防止看穿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，插槽及對(duì)應(yīng)插片示意圖如圖3所示。海綿條的尺寸一般為10 mm*10 mm，長度應(yīng)略小于儀表板寬度。其粘貼位置應(yīng)在儀表板前端分型線以下，且此處區(qū)域不要腐蝕皮紋，否則海綿條可能會(huì)粘貼不牢而脫落。儀表板與A柱的搭接示意圖如圖4所示。

圖3 插槽及對(duì)應(yīng)插片示意圖

圖4 儀表板與A柱的搭接示意圖

2.2 儀表板拔模角度設(shè)計(jì)

根據(jù)儀表板的外表面及出風(fēng)口位置確定儀表板的主拔模方向，一般都取20°～30°，副儀表板拔模方向?yàn)榇怪狈较颍桓鶕?jù)該方向分析儀表板外表面的各個(gè)地方能否順利脫模，其中儀表板本體等大件的拔模角度至少為7°，具體還應(yīng)根據(jù)儀表板的表面皮紋深度而定。不可見區(qū)域拔模角度不應(yīng)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)行拔模方向及后期的布置方案的選擇上，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，而且模具成本也會(huì)相應(yīng)地增加[5-7]。

2.3 儀表板與揚(yáng)聲器面罩的配合設(shè)計(jì)

當(dāng)揚(yáng)聲器面罩布置在儀表板中部上端位置時(shí)，揚(yáng)聲器面罩的形狀都比較大，卡接處建議使用兩個(gè)金屬卡接機(jī)構(gòu)，間隙推薦0～0.3 mm。軟質(zhì)儀表板與揚(yáng)聲器面罩間隙為0，注塑儀表板與揚(yáng)聲器面罩間隙為0.3 mm，建議揚(yáng)聲器面罩低于本體面差為1 mm。儀表板與揚(yáng)聲器面罩的配合如圖5所示。

圖5 儀表板與揚(yáng)聲器面罩的配合

2.4 儀表板與橫梁的安裝設(shè)計(jì)

儀表板與橫梁的裝配方式有兩種形式[8-10]，一是普通的分裝，即橫梁裝在車身后，儀表板再裝配在橫梁上；二是目前流行的集成模塊裝配（COCKPIT）。兩種形式的定位基本是一致的，安裝需遵守以下原則：1）儀表板與橫梁定位方式的原則是控制6個(gè)自由度，X方向需要有大面積貼合限制，作為A基準(zhǔn)；主定位控制YZ方向，作為B基準(zhǔn)；輔助定位控制Z方向，作為C基準(zhǔn)。其中B基準(zhǔn)控制4個(gè)方向，儀表板的這個(gè)定位銷或定位塊要最先接觸到橫梁，才能更好地定位。2）螺栓固定分布要均勻，主定位和輔助定位處要有螺栓固定點(diǎn)。3）考慮IP重力因素，設(shè)計(jì)Z向定位時(shí)，可以將定位銷與定位孔Z向單邊設(shè)計(jì)0間隙。4）由于儀表板本體長，強(qiáng)度弱，可以適量做過定位控制形變。

A基準(zhǔn)：儀表板與橫梁接觸面（YZ平面），控制X方向。B基準(zhǔn)：采用定位銷與孔的配合或者方形孔配合，Y方向左右單邊留0.1 mm～0.2 mm間隙，Z方向一邊0間隙，一邊留0.3 mm～0.4 mm間隙（考慮自重問題）。主定位附近要有螺栓固定，而且主定位在裝配過程中要最先接觸。至于BC基準(zhǔn)形式可以是定位銷與孔配合，也可以是孔與銷配合。由于儀表板拔模角度的問題，儀表板定位孔或定位銷不是規(guī)則的圓形，所以不推薦具體孔徑或圓柱直徑，只推薦定位的間隙。C基準(zhǔn)：Y方向左右單邊留2 mm間隙，Z方向上面0間隙，Z方向下邊留0.3 mm～0.4 mm間隙，附近要有螺栓固定。緊固件如果使用M6螺栓，儀表板上孔的直徑為8 mm。一般儀表板有10～12個(gè)螺栓固定點(diǎn)，前端還有3～5個(gè)插銷與前圍鈑金連接。

定位結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是儀表板上是銷子，橫梁上是孔；另一種是儀表板上是孔，橫梁上焊接銷子或螺紋柱?？紤]橫梁焊接柱子精度不好控制，所以推薦儀表板上是銷子結(jié)構(gòu)，橫梁上打孔。具體要求有以下幾點(diǎn)：1）在裝配時(shí)儀表板主定位銷要最先接觸到橫梁，否則安裝定位會(huì)有偏差，或者導(dǎo)致定位銷劃傷。2）定位銷強(qiáng)度要好，建議不用實(shí)心定位銷，塑料銷子會(huì)有縮痕導(dǎo)致變形，用米字型定位銷比較好，但米字型的筋厚度要2 mm以上，保證強(qiáng)度。3）要考慮安裝導(dǎo)向和拔模角度，推薦定位銷長度15 mm～20 mm，定位銷根部直徑20 mm以上。4）儀表板定位銷對(duì)應(yīng)的橫梁孔可以在橫梁管梁上，也可以在焊接支架上，如果是支架形式，支架要保證足夠的強(qiáng)度。

3 儀表板有限元分析

儀表板是乘客高頻接觸的區(qū)域，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，避免后續(xù)零件試制過程中儀表板區(qū)域產(chǎn)生異響而產(chǎn)生額外的修模費(fèi)，利用有限元分析軟件HyperMesh和ABAQUS對(duì)儀表板進(jìn)行仿真分析。首先將由Catia創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，有限元模型單元類型為四面體單元，單元尺寸為5 mm，單元總數(shù)為223 567個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為239 584個(gè)，約束儀表板與車身連接點(diǎn)的6個(gè)自由度，再通過ABAQUS軟件求解，分析儀表板的剛度和強(qiáng)度。從圖6、圖7可知，此儀表板的剛度分析變形量1.96 mm，滿足不小于2 mm的規(guī)范要求，強(qiáng)度分析其應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足公司規(guī)范要求。

圖6 儀表板剛度分析

圖7 儀表板強(qiáng)度分析

4 結(jié)論

綜上所述，筆者從儀表板的分類、儀表板的材料選擇、儀表板與前擋玻璃之間密封條的設(shè)計(jì)、儀表板拔模角度分析、儀表板與揚(yáng)聲器面罩的配合設(shè)計(jì)以及儀表板與橫梁之間的安裝定位幾方面入手，探討了汽車儀表板的設(shè)計(jì)，以為后續(xù)車型提供相應(yīng)的參考。同時(shí)利用有限元分析軟件對(duì)儀表板的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，分析結(jié)果表明，此儀表板的設(shè)計(jì)符合要求。