汽車儀表板頭部碰撞改進方案研究

孫曉哲

【摘 要】交通便利已經(jīng)是現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚牟糠郑囋谌藗兊娜粘Ｉ钪械匚灰苍絹碓礁?。儀表板頭部碰撞是汽車內(nèi)飾重要安全性能要求之一，乘用車儀表板開發(fā)過程中，都要滿足國標(biāo)《GB11552-2009乘用車內(nèi)部凸出物》要求。本文就汽車儀表板頭部碰撞改進方案展開探討。

【關(guān)鍵詞】儀表板；頭部碰撞；問題分析；改進方案

引言

儀表板總成是汽車內(nèi)飾中最重要的組成部分，是集安全性、功能性、舒適性與裝飾性于一身的部件，設(shè)計上較好的儀表板能使駕駛員感到方便舒適，反之則可能影響駕駛員和乘員的安全，儀表板設(shè)計已成為汽車車身設(shè)計的一個重要組成部分。

1汽車儀表板的性能需求

儀表板因其特殊的空間位置，使得越來越多的操控功能集布于其中，成為汽車內(nèi)部裝飾件中的核心單元。汽車儀表板在整體優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)滿足以下多個方面的使用性能。（1）足夠的剛性強度。即能夠有效支撐儀表板內(nèi)部儀表、音響設(shè)備、管線管路、以及其它雜物的負荷，還應(yīng)具備一定的耐沖擊能力。（2）較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。即在高溫環(huán)境下不會變形和失效，為各類儀表功能單元提高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)空間。（3）選材的安全性。儀表板的原料均不得選含鎘等危害人體身體健康和環(huán)境污染的材料。（4）滿足安全法規(guī)的要求。儀表板總成除了滿足功能性要求外，還要滿足許多安全法規(guī)的要求，包括成員碰撞保護要求（頭部碰撞，膝部碰撞），人機工程要求等。

2儀表板頭部碰撞性能要求

儀表板需要滿足GB11552內(nèi)部凸出物的性能要求，對法規(guī)進行解讀大體包含以下內(nèi)容：（1）靜態(tài)測量。主要是設(shè)計尺寸、突出部位高度以及倒角之類的要求，頭碰區(qū)域內(nèi)不能有棱邊（推薦尖棱≥0.5mm），頭碰區(qū)域外圓角曲率半徑不小于3.2mm（推薦做到>3.5mm）；測試時378N的擠壓力要保證按鈕之類的突出物能潰縮到9.5mm內(nèi)。（2）動態(tài)測量。碰撞區(qū)域加速度超過80g的持續(xù)時間不得超過3ms。（3）開裂要求。試驗時，碰撞區(qū)內(nèi)的儀表臺面板不能發(fā)生開裂。

3計算方法分析

在汽車碰撞中，大變形問題需要耗費大量的計算機時，為避免大型聯(lián)立方程組求解，提高計算速度，一般采用CAE瞬態(tài)顯式算法進行計算和分析。虛功原理變分格式的能量平衡方程如（1）式：

在te時刻，變形體運動方程的半離散形式為（2）式：

式中：M，¨qN，PN，F(xiàn)N分別為凝聚質(zhì)量矩陣、N時刻加速度矢量、總體載荷矢量、單元應(yīng)力場的總體等效節(jié)點力矢量。單元采用單點積分算法，并在程序中增加對由于單點高斯積分四邊形和六面體單元產(chǎn)生的沙漏模式（hourglassmode）控制，考慮到結(jié)構(gòu)碰撞中的接觸問題，在計算中引入接觸力FC，則方程變?yōu)椋?）式：

式中HN為結(jié)構(gòu)沙漏粘性阻力矢量。時間積分通常采用顯式中心差分法進行求解，具體如（4）式：

4儀表板的安裝方式

裝配作業(yè)中，因為內(nèi)飾件裝配有些工序難以讓機械手操作，所以是耗費人工最長的地方，但如果采取模塊化裝配方式將這些零配件安裝上儀表板裝配模塊套在駕駛艙內(nèi)，那么總裝生產(chǎn)線將會簡化工序，縮短生產(chǎn)線，降低成本。

5某車型儀表板頭部碰撞問題分析

5.1某車型頭碰現(xiàn)狀

靜態(tài)測量：在儀表板3D數(shù)據(jù)中按照法規(guī)要求進行頭碰區(qū)域劃分，并對圓角和開關(guān)類進行測量檢查。根據(jù)測量檢測結(jié)果，可知靜態(tài)分析滿足法規(guī)要求。動態(tài)測量：分析模型包含：儀表板本體，管梁，裝飾板，MP5主機，方向盤，車身前圍板及A柱板等。車身進行全約束，劃分各零件網(wǎng)格，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)定義厚度、材料信息，建立連接關(guān)系，然后根據(jù)經(jīng)驗對儀表板頭碰區(qū)域內(nèi)選取14個點作為CAE動態(tài)頭碰分析點。對14個點進行加速度仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果得出各點的加速度都滿足法規(guī)要求。開裂要求：內(nèi)飾面板塑料屬于高分子材料，由于多分子性、多相性、以及加工成型過程中產(chǎn)生的微孔、雜質(zhì)等特點，高分子材料的破壞是一個結(jié)合微觀、細觀、宏觀的非常復(fù)雜的多層次過程。所以并沒有確定相關(guān)高分子材料的失效準(zhǔn)則，有限元仿真不能模擬材料斷裂，只能根據(jù)工程經(jīng)驗判斷是否斷裂。設(shè)計初期，對此未進行評判。理論設(shè)計通過后就開始進行實車頭碰試驗驗證，但在實車驗證中出現(xiàn)頭碰區(qū)域的裝飾板開裂問題。

5.2影響因素排除

根據(jù)實車碰撞結(jié)果，查找頭碰飾板開裂區(qū)域，主要集中在出風(fēng)口周邊區(qū)域。飾板開裂影響因素比較多，初步確定主要影響因素有（1）儀表板的結(jié)構(gòu)；（2）裝飾板結(jié)構(gòu)（3）裝飾板的制造工藝；（4）儀表板和管梁之間的連接支架；（5）儀表板和裝飾板的材料。

5.3頭部碰撞區(qū)的確定

頭部碰撞區(qū)主要指駕駛員及副駕駛員的頭部可碰區(qū)頭部碰撞區(qū)的測量裝置。頭部碰撞測試的實際過程中一般不考慮車內(nèi)空間，測試時只用儀表板單件進行測試，設(shè)計一個直徑為165mm的球頭模型，裝于桿的一端，桿的另一端通過模擬的人體胯關(guān)節(jié)與底座鉸接從胯關(guān)節(jié)到球頭模型頂部的尺寸可在736～840mm之間連續(xù)調(diào)節(jié)。頭部碰撞區(qū)的確定。根據(jù)GB11552要求，頭部碰撞區(qū)是在靜態(tài)條件下，用上述規(guī)定的測量裝置（球頭模型）所能觸及的車廂內(nèi)部所有未裝玻璃的區(qū)域。

5.4整改方案分析

根據(jù)飾板開裂區(qū)域及飾板結(jié)構(gòu)狀態(tài)初步確定以下有利于滿足頭碰的方案：方案一：對飾板更換為材料特性更換的進口PC+ABS料；方案二：（1）對中間出風(fēng)口及右側(cè)出風(fēng)口匹配的飾板周邊增加加強筋；（2）對中間出風(fēng)口及右側(cè)出風(fēng)口匹配的飾板翻遍加厚，飾板背部增加一條加強筋；（3）對12點附近增加加強筋。方案三：在出風(fēng)口區(qū)域增加吸能塊。

6汽車儀表板整體優(yōu)化

（一）在你不易發(fā)現(xiàn)的地方降低成本。（1）集成零部件、減少生產(chǎn)工序。汽車生產(chǎn)過程中，通過提高內(nèi)飾零部件功能的集成度，來減少工序，降低成本，汽車儀表盤也可以通過提高功能的集成度，降低生產(chǎn)成本。（2）使用更省成本的卡扣。相比普通的塑料熔焊方式，改用卡扣裝配來代替，節(jié)省了焊接設(shè)備及加工的成本，自然就降低了汽車的生產(chǎn)成本。（二）看得見的地方給你錯覺。（1）觸感與視覺的差異。通常來說，汽車內(nèi)飾中軟質(zhì)的皮面要比硬質(zhì)的塑料表面更顯高檔，將車門內(nèi)板的表面注塑出和蒙皮一樣的紋理，視覺上很難分辨出有蒙皮和無蒙皮的部位，讓人感覺整個車門內(nèi)板都是軟質(zhì)蒙皮包覆的。（2）豐田的仿真縫線設(shè)計。為了模仿真皮縫線帶來的豪華感，豐田使用了仿真縫線的設(shè)計，配合內(nèi)飾部件上蝕刻的真皮紋理，讓低價位的車型在視覺上也有一種豪華車的氣息。這在旗下的威馳、卡羅拉、雷凌等車型上都有體現(xiàn)。（3）滿足性能，減輕零件重量。儀表板總成除了要滿足功能性要求，還要滿足許多安全法規(guī)的要求，計算機輔助設(shè)計技術(shù)可以快速對儀表板總成的模態(tài)性能、剛度性能、頭部碰撞性能指標(biāo)進行評價，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而降低開發(fā)成本。

結(jié)語

交通便利已經(jīng)是現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚牟糠?，汽車在人們的日常生活中地位也越來越高。汽車的安全性也越來越被人們所重視。汽車儀表板作為駕駛員和乘客直接接觸到的內(nèi)飾部件之一，在汽車行駛、緊急制動和發(fā)生碰撞時，儀表板內(nèi)部凸出物會對乘員產(chǎn)生很大傷害，因此需要提高儀表板的安全性要求。

參考文獻：

[1]曹渡.汽車內(nèi)外飾設(shè)計與實戰(zhàn)，北京：機械工業(yè)出版社，20151.1：203.

[2]GB11552-2009，乘用車內(nèi)部凸出物[s].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

（作者單位：吉利汽車研究院（寧波）有限公司）