儀表板支架車身搭接結(jié)構(gòu)的平臺化研究與應(yīng)用

王曉蒙，劉杰昌，常光寶

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

汽車座艙系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，CCB(Cross Car Beam)在其中起重要的支撐作用，是儀表板、空調(diào)、轉(zhuǎn)向管柱等搭接的基礎(chǔ)，是座艙系統(tǒng)與車身連接的紐帶。CCB與車身的連接狀態(tài)，直接影響汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)[1]。為了使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有較好的NVH(Noise Vibration Harshness)性能，避免方向盤抖動，一般CCB和車身的連接需具有較好的剛性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)提升一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門問題[2-3]，提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能，多是通過優(yōu)化CCB形狀和厚度以及儀表板橫梁剛度以提升模態(tài)頻率[4]，并非從CCB和車身連接的整體結(jié)構(gòu)著手，且不利于輕量化。

作者以CCB車身搭接的整體結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)和前門鉸鏈垂直剛度仿真分析，找到了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中影響這兩項(xiàng)性能的關(guān)鍵因素為連接剛度不足。設(shè)計了不同固定方式下的CCB車身搭接的平臺化結(jié)構(gòu)。以平臺化結(jié)構(gòu)的某車型為例，通過對前門鉸鏈的垂直剛度分析以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)的仿真分析和試驗(yàn)測試，保證了該平臺化結(jié)構(gòu)對性能提升的同時，還有利于整車的輕量化。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)在多種車型上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了該處連接結(jié)構(gòu)的平臺化。

1 傳統(tǒng)CCB車身搭接結(jié)構(gòu)

1.1 CCB車身搭接結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)CCB與車身的固定方向，可分為X向固定、Y向固定及混合固定。若CCB與左右前側(cè)板通過在X向打螺栓固定則稱之為X向固定；若通過Y向打螺栓固定則稱之為Y向固定；若一側(cè)為X向固定，另一側(cè)為Y向固定，則稱之為混合固定。CCB與車身的固定方向在研發(fā)前期由總布置決定。

若按CCB與車身連接數(shù)量，可以分為兩點(diǎn)式、三點(diǎn)式和四點(diǎn)式。兩點(diǎn)式CCB是指CCB與車身僅有兩處連接，即與左右前側(cè)板連接；三點(diǎn)式CCB是指CCB與車身有3處連接，即與左右側(cè)圍和前隔板連接；四點(diǎn)式CCB是指CCB與左右側(cè)圍、前隔板和前地板連接，如圖1所示。

圖1 四點(diǎn)式CCB結(jié)構(gòu)

1.2 CCB車身搭接結(jié)構(gòu)分類

1.2.1X向固定的CCB車身搭接結(jié)構(gòu)

X向固定的四點(diǎn)式CCB與車身搭接的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，CCB與前側(cè)板搭接結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，儀表板橫梁連接支架為開口盒形支架，CCB加強(qiáng)板為一結(jié)構(gòu)簡單的平板，另為了保證前門上鉸鏈的剛度，在該處安裝點(diǎn)布置了一塊尺寸較大的加強(qiáng)板。

圖2 X向固定CCB與車身搭接結(jié)構(gòu)

圖3 X向固定CCB與車身搭接結(jié)構(gòu)

CCB與前地板搭接結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，儀表板中間連接支架尺寸較大，儀表板橫梁下部安裝支架為整體式，中間通過兩個螺栓與地板相連。CCB加強(qiáng)板和前門上鉸鏈加強(qiáng)板為獨(dú)立的兩塊板，只能局部加強(qiáng)各自的連接剛度，且后者尺寸較大，不利于整車輕量化。同樣儀表板中間連接支架也不利于輕量化；由于儀表板橫梁下部安裝支架承受的力主要來自上部的拉力，螺栓布置在中間造成力臂長，不利于提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)。

1.2.2Y向固定的CCB車身搭接結(jié)構(gòu)

Y向固定的CCB僅前側(cè)板處的搭接結(jié)構(gòu)與X向固定的CCB不同，因此僅說明該處搭接結(jié)構(gòu)，其余不再贅述。CCB與前側(cè)板搭接結(jié)構(gòu)如圖4所示，儀表板橫梁連接支架在安裝點(diǎn)處起小凸臺，CCB加強(qiáng)板和前門上鉸鏈加強(qiáng)板為分開的兩塊，此類結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)同上。

圖4 Y向固定CCB與車身搭接結(jié)構(gòu)

2 平臺化后的CCB車身搭接結(jié)構(gòu)

綜上分析，針對CCB車身搭接處的剛度不足以及加強(qiáng)板尺寸大的問題，設(shè)計了不同固定方式的CCB車身搭接的共性結(jié)構(gòu)，使之可以應(yīng)用于不同車型上，以提高設(shè)計效率。

2.1 X向固定的平臺化結(jié)構(gòu)

X向固定的平臺化結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中儀表板橫梁連接支架設(shè)計為凸臺形式，可以利用空腔提升該處的連接剛度；CCB加強(qiáng)板和前門上鉸鏈加強(qiáng)板合二為一，平臺化結(jié)構(gòu)為一塊“U”形板，底部與前門上鉸鏈連接，左右兩側(cè)與儀表板橫梁連接支架和前側(cè)板連接，截面圖如圖6所示。

圖5 X向固定CCB車身搭接平臺化結(jié)構(gòu)

圖6 CCB加強(qiáng)板與前側(cè)圍內(nèi)板、A柱下加強(qiáng)板間的截面(X向固定)

2.2 Y向固定的平臺化結(jié)構(gòu)

Y向固定的CCB僅前側(cè)板處的搭接結(jié)構(gòu)與X向固定的CCB不同，因此這里僅說明該處搭接結(jié)構(gòu)，其余不再贅述。如圖7所示，其中儀表板橫梁連接支架在安裝點(diǎn)周圍起小凸臺增加連接剛度；CCB加強(qiáng)板和前門上鉸鏈加強(qiáng)板同樣合二為一，平臺化結(jié)構(gòu)為一塊“Z”形板，底部與前門上鉸鏈連接，上部儀表板橫梁連接支架和前側(cè)板連接，截面圖如圖8所示。

圖7 Y向固定CCB車身搭接平臺化結(jié)構(gòu)

圖8 CCB加強(qiáng)板與前側(cè)圍內(nèi)板、A柱

3 仿真分析和試驗(yàn)對比

以X向固定的四點(diǎn)式CCB結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行仿真與試驗(yàn)的對比分析。

3.1 模態(tài)分析理論

發(fā)動機(jī)的振動通過傳動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)傳遞于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[5]。怠速時，主要激勵是二階往復(fù)慣性力[6]，與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階模態(tài)頻率接近，易激發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振，激勵頻率為：

(1)

式中：n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；g為汽缸數(shù)；c為沖程數(shù)。

若搭載四缸四沖程發(fā)動機(jī)、怠速轉(zhuǎn)速為750～800 r/min的車型，則根據(jù)式(1)得其怠速頻率為25～26.7 Hz，為了盡可能地避免共振，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階模態(tài)頻率不得低于35 Hz。

3.2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真分析與試驗(yàn)

3.2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析

某車型傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)約束模態(tài)分析[7]模型如圖9所示，節(jié)點(diǎn)330 458個，單元397 081個。螺栓連接和縫焊連接均用RBE2模擬；在儀表板總成和駕駛員側(cè)安裝氣囊質(zhì)心處建立質(zhì)量點(diǎn)，用RBE3連接到對應(yīng)的安裝點(diǎn)處。模型中所涉及的方向盤、轉(zhuǎn)向管柱等實(shí)心部件均用四面體單元模擬；儀表板橫梁等板殼件用以四邊形為主的混合單元模擬；約束截取車身斷面處節(jié)點(diǎn)的6個自由度。

圖9 某車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型

圖10為該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)頻率為32.0 Hz，低于設(shè)計目標(biāo)值35 Hz，且一階模態(tài)振型為垂向擺動占優(yōu)。圖10(c)為一階模態(tài)的應(yīng)變能云圖，可知：CCB與車身搭接處的應(yīng)變能累積嚴(yán)重，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的薄弱區(qū)域，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階模態(tài)偏低。

3.2.2 前門上鉸鏈剛度分析

前門上鉸鏈剛度分析模型如圖11所示。仿真分析顯示該處加載變形為3.38 mm，卸載變形為0.34 mm，不滿足加載變形低于3.0 mm、卸載變形低于0.5 mm的目標(biāo)要求，說明該結(jié)構(gòu)下的鉸鏈剛度不足。

圖11 前門上鉸鏈有限元模型與結(jié)果

3.2.3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)測試

利用錘擊法測試方向盤模態(tài)[8]，結(jié)果如圖12所示。

圖12 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下方向盤模態(tài)測試結(jié)果

3.3 平臺化結(jié)構(gòu)仿真分析與試驗(yàn)對比

應(yīng)用相同的仿真分析與試驗(yàn)測試方法，對平臺化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明前門鉸鏈加載變形2.89 mm、卸載變形0.30 mm，滿足目標(biāo)要求。平臺化后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率仿真值和測試值如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)仿真與測試結(jié)果

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和平臺化結(jié)構(gòu)仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果對比如表2所示，可知：

(1)平臺化結(jié)構(gòu)下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)和前門鉸鏈剛度仿真分析結(jié)果明顯提升，滿足目標(biāo)要求，證明平臺化結(jié)構(gòu)的有效性；

(2)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相對誤差均在5%內(nèi)，對應(yīng)的振型也均相同，證明了仿真分析的精度。

4 結(jié)束語

(1)CCB車身搭接結(jié)構(gòu)剛度不足，是影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)和前門鉸鏈垂直剛度的關(guān)鍵因素。

(2)通過仿真對比分析和試驗(yàn)測試，結(jié)果表明平臺化結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)能有效提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)和前門鉸鏈剛度，進(jìn)一步說明文中仿真分析與測試方法的正確性。

(3)平臺化結(jié)構(gòu)既能提升連接剛度且有助于整車輕量化；已應(yīng)用于多種車型上，均未出現(xiàn)因轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)低引起的方向盤抖動問題，驗(yàn)證了該平臺化結(jié)構(gòu)的有效性。

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