淺述儀表板設計及其模態(tài)分析

崔金利

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

儀表板系統(tǒng)是整車內(nèi)飾中最重要、最復雜的系統(tǒng)，其造型風格、外觀質(zhì)量以及所包含的功能配置直接影響整車內(nèi)飾的品質(zhì)[1]。儀表板系統(tǒng)通常包含儀表板總成、副儀表板總成、轉(zhuǎn)向護罩總成等零部件。其中儀表板總成主要包含本體（軟質(zhì)、硬質(zhì)）、前除霜風管、組合儀表罩、左下護板、雜物箱、左右側飾板、風口、儲物盒、裝飾件等零件，其周邊匹配零件較多，如前擋玻璃，前圍鈑金，A柱，轉(zhuǎn)向護罩等，因此，本文針對儀表板系統(tǒng)，簡單介紹其在設計開發(fā)過程中與周邊件的匹配關系。

汽車的各種異響歷來都是投訴榜的前排問題，對整車品質(zhì)有極大的影響，在車輛開發(fā)前期，必須重視并盡快解決異響問題[2]。儀表板總成區(qū)域由于周邊零件較多，因此，在路試耐久時經(jīng)常出現(xiàn)異響問題，本文針對此情況，利用常用的有限元分析方法，在設計階段就對儀表板總成進行模態(tài)分析，降低后續(xù)零件試制過程中出現(xiàn)異響問題的概率。

1 儀表板概述

儀表板按舒適性可分為硬質(zhì)儀表板、軟質(zhì)儀表板。硬質(zhì)儀表板其本體是注塑工藝制成并表面腐蝕皮紋，因其工藝簡單、投資低等優(yōu)勢普遍用于中低檔車。軟質(zhì)儀表板是在注塑骨架外吸附并黏結或在注塑時復合表皮，使其外觀有皮質(zhì)感，同時在骨架和表皮之間填充聚氨酯泡沫，吸塑表皮的背面也可以直接附帶一層泡沫，這樣既提高觸感又增加吸收能量的能力[3]。目前表皮主要有真空熱成形表皮和搪塑表皮，真空熱成型表皮可分陽模真空吸附表皮和陰模真空吸附表皮，三種不同的表皮成型工藝優(yōu)缺點如表1所示，由于陽模真空吸附成型工藝會使表皮皮紋深淺不一，外觀不太接受，目前軟質(zhì)儀表板使用較多的是陰模真空吸附成型及搪塑工藝。

表1 三種不同成型工藝的性能

2 儀表板與周邊件匹配設計要求

2.1 儀表板與A柱上飾板搭接關系

硬質(zhì)儀表板與A柱上飾板的間隙一般定義為0.5 mm，軟質(zhì)儀表板與A柱上飾板的間隙可定義為0 mm。為確保儀表板與A柱上飾板匹配美觀，一般儀表板上設計有限位插槽，A柱上飾板上至少有兩個插片插入到儀表板對應插槽內(nèi)，以便控制儀表板與A柱上飾板的Y向間隙，如圖1(a)所示。A柱上飾板下端需要有一段直線段與儀表板搭接，且搭接深度至少6 mm，確保良好的匹配外觀，如圖1(b)所示。

圖1 儀表板與A柱匹配關系

2.2 儀表板與前擋玻璃搭接關系

儀表板前端分模線與前擋玻璃的配合間隙L3一般為5～8 mm，為了密封與減震，儀表板前端需粘貼海綿，海綿尺寸L4推薦使用10 mm×10 mm，為保證海綿壓縮后不被視線所看到，海綿粘貼區(qū)域要在儀表板分模線以下，且分模線到儀表板末端邊界距離L1一般為15～18 mm。在儀表板分模線處，通常預留0.5 mm 的寬度，便于上下模具拼接方便[4]，降低分模線出現(xiàn)毛刺的風險。為防止異響，要求儀表板本體末端與前圍鈑金的配合間隙L2不小于6 mm，本公司規(guī)范推薦8 mm以上，如圖2所示。

圖2 儀表板與前擋玻璃匹配關系

2.3 儀表板與前圍鈑金匹配設計

儀表板前端搭接在前圍鈑金上，配合間隙保證在6 mm以上，防止干涉異響。本公司一般有兩種類型的儀表板與前圍鈑金匹配結構。一種是用卡簧先卡在前圍鈑金上，儀表板上有插片，通過插片插入到卡簧上，控制Z向配合尺寸，而Y向尺寸放開，如圖3(a)所示。另一種就是聚甲醛（Polyformaldehyde, POM）固定座，先與前圍鈑金上的銷子固定，再與儀表板進行對接，如圖3(b)所示。儀表板與前圍鈑金間支撐點要求分布合理，考慮公差累積影響，支撐點間距盡量控制在 300～400 mm，最好350 mm以下，應避免塑料件 和鈑金件直接配合，否則容易造成塑料件的磨損。儀表板與前圍鈑金的配合結構盡量布置靠近儀表板前端，可見性好[5]，在裝配時工人站在前艙外可以很方便地看到，以便指導模塊安裝工人操作，儀表板上配合結構Z向高度不要太高，以免形成懸臂梁結構，強度弱，難以裝配到位。

圖3 儀表板與前圍鈑金匹配關系

3 儀表板模態(tài)分析

3.1 有限元模態(tài)分析理論基礎

模態(tài)是結構動態(tài)特性分析的基礎，包括固有頻率和振型，是振動系統(tǒng)的固有特性；對結構的動態(tài)響應、動載荷的產(chǎn)生和傳播以及結構振動的形式等具有重要影響，在儀表板設計開發(fā)時進行模態(tài)分析，可以提前判斷存在異響的可能性。作為具有有限個自由度的彈性系統(tǒng)，振動微分方程為

式中，M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣。為加速度向量；為速度向量；x(t)為位移向量；F(t)為作用在彈性體上的激勵。

在無阻尼自由振動情況下，進行傅式變換可得

變換為特征方程：

式中，ω為系統(tǒng)固有頻率；φ為系統(tǒng)振型。

3.2 有限元模態(tài)分析

將由 Catia創(chuàng)建的儀表板模型導入到Hypermesh有限元分析軟件中進行3D網(wǎng)格劃分，儀表板模型包含儀表板本體，管梁、手套箱，左、右端蓋等，單元類型為六面體及四面體單元，單元尺寸為4 mm，單元總數(shù)為217786個，節(jié)點總數(shù)為216385個，零件材料及材料特性如表2所示，約束儀表板和管梁及車身所有固定點的6個自由度，通過Abaqus求解器進行求解，計算儀表板的模態(tài)，由圖4可知，儀表板的一階和二階模態(tài)分別為45.3 Hz和51.2 Hz，滿足公司標準儀表板自然頻率不小于32 Hz的要求。

圖4 儀表板一階、二階模態(tài)

表2 儀表板材料特性

4 結論

本文介紹了儀表板的分類，及軟質(zhì)儀表板搪塑工藝，陽模真空吸附和陰模真空吸附工藝的優(yōu)缺點，并簡要概述了儀表板與A柱上飾板、前擋玻璃、前圍鈑金等周邊件的匹配設計要求，為后續(xù)車型開發(fā)提供可借鑒的經(jīng)驗。

根據(jù)零件試制過程常出現(xiàn)儀表板由于設計不合理而導致的異響問題，在零件設計開發(fā)過程中利用常用的有限元分析軟件對某一儀表板進行模態(tài)分析，借助計算機技術提前驗證儀表板設計的合理性，通過分析，零件的設計符合本公司標準要求，從而可減少相應的修模費用。