整車被動(dòng)安全設(shè)計(jì)之儀表板設(shè)計(jì)

林祥輝 楊志剛 張路

極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

整車被動(dòng)安全開發(fā)，主要有兩大方面內(nèi)容，一是整車耐撞性開發(fā)——這方面主要是車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)；二是約束系統(tǒng)的開發(fā)——約束系統(tǒng)就是采用被動(dòng)安全的設(shè)備對(duì)乘員進(jìn)行防護(hù)。一般的，約束系統(tǒng)包含安全氣囊、安全帶、座椅系統(tǒng)、車內(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板等。

車輛乘員約束系統(tǒng)包括車輛乘員所在空間的各種設(shè)備，座椅作為重量的主要承載體，坐墊需要設(shè)計(jì)成防下潛形式、導(dǎo)軌要堅(jiān)固不滑脫、側(cè)翼要夠厚實(shí)以保證側(cè)碰、頭枕的設(shè)計(jì)要保證揮鞭傷等；安全氣囊則需要與安全帶配合一起作用，有安全氣囊而前排人員不帶安全帶防護(hù)能力將會(huì)大幅降低；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的配置，方向盤可以設(shè)置為鋁鎂合金骨架加柔軟覆蓋層，轉(zhuǎn)向管柱設(shè)為可潰縮吸能結(jié)構(gòu)；儀表板要進(jìn)行頭部碰撞區(qū)域與外凸的校核，覆蓋層材質(zhì)可用搪塑軟質(zhì)材料；膝部區(qū)域需要進(jìn)行距離校核，對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的零部件不要布置硬物，避免碰撞損傷；機(jī)艙的布置，剛性物考慮橫向布置在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，為縱向潰縮騰出空間，這樣可以減小前艙侵入導(dǎo)致約束系統(tǒng)失效或傷害的增加。

約束系統(tǒng)在于碰撞發(fā)生后，使乘員避免或減小與駕駛室內(nèi)部組件發(fā)生二次碰撞的傷害。由上述內(nèi)容可得，約束系統(tǒng)包含的內(nèi)容很多，本文以儀表板為出發(fā)點(diǎn)，闡述儀表板設(shè)計(jì)在被動(dòng)安全方面的諸多考量。

儀表板在某些企業(yè)簡(jiǎn)稱為IP（Instrument panel），是內(nèi)飾中其重要的系統(tǒng)件，與這個(gè)件相關(guān)的作用或要求有：法規(guī)校核、安全性、操作與功能性、舒適性、裝飾性、NVH、氣味等，開發(fā)儀表板需要有集成的能力，需要將各類問題融合到一起進(jìn)行平衡。從整車安全的角度，我們首選軟質(zhì)儀表板，軟質(zhì)儀表板是在骨架外吸附/粘結(jié)或在注塑時(shí)復(fù)合軟質(zhì)材料，最外層是皮質(zhì)外觀材料，在骨架和表皮之間是軟質(zhì)緩沖材料，這個(gè)材料可以是填充的聚氨酯泡沫，也可以是吸塑在表皮背面的一層泡沫，這樣的工藝既能保證良好的觸感有能有吸能緩沖的被動(dòng)安全性能（儀表板的被動(dòng)安全性是指發(fā)生碰撞時(shí)，盡量減少對(duì)駕乘人員的傷害）。

另外，儀表板的被動(dòng)安全性還包括：進(jìn)出方便性、頭部碰撞區(qū)域、內(nèi)部凸出物、吸能材料與結(jié)構(gòu)；主動(dòng)安全性（是指保證駕駛時(shí)的方便與舒適，提高行車安全性）主要包含：前方視野、儀表板可視性、操作方便與舒適性。

1.2.3.4.5.6.7.8.9.9.1.9.2.1 被動(dòng)安全性

1.1 前排人員的進(jìn)出方便性

進(jìn)出方便性雖然是人機(jī)校核這一部分的工作，但也涉及危機(jī)時(shí)刻人員外逃的方便性，這就要求，儀表板下端與車身底板之間要有足夠的距離。細(xì)節(jié)方面：需要對(duì)儀表板下面的弧度、形狀以及高度，按照95% 人體模型來校核；對(duì)于這個(gè)高度，工程師需要在日常項(xiàng)目開發(fā)中積累經(jīng)驗(yàn)，確定經(jīng)驗(yàn)值，一般的，對(duì)于轎車儀表板最下端與底板間距在300 ～380mm 之間。

1.2 吸能性能

提升儀表板的吸能性能有助于撞車時(shí)吸收能量，減輕前排駕乘人員損傷。從材料的角度說，儀表及其它車內(nèi)飾都應(yīng)采用軟性材料，如圖1 所示，盡量減少硬性材料的使用。

圖1 軟質(zhì)儀表臺(tái)

1.3 手套箱

在整車被動(dòng)涉及方面，手套箱的設(shè)計(jì)涉及了三個(gè)方面：自身堅(jiān)固性、空間與吸能。自身堅(jiān)固性講的是手套箱不可以在碰撞打開，已產(chǎn)生二次傷害；空間指的是人體腿部與手套箱外板的兼具，一般要求不低于100mm，這個(gè)是作為碰撞發(fā)生時(shí)的安全間距；吸能是指在手套箱內(nèi)外蓋板之間設(shè)置吸能件，這也要求內(nèi)外版之間的間隙有25mm以上，這樣才能使吸能裝置布置下去，這種吸能裝置普遍采用泡沫材料來吸能，也有用附帶吸能特征的鐵板結(jié)構(gòu)。

1.4 頭部碰撞區(qū)域和內(nèi)部突出物

內(nèi)部突出物和頭部碰撞區(qū)域的相關(guān)法規(guī)內(nèi)容在GB11552 里，碰撞區(qū)域校核方法請(qǐng)參看GB11552 或ECE R21 法規(guī)，在此不做詳細(xì)的法規(guī)校核方法闡述。

頭部碰撞區(qū)域可以理解為頭部可碰區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)只要是165mm 球頭模型可接觸到的表面都要求凸出物能滿足法規(guī)要求(GB11552 與ECE R21 此處定義一致)，劃分區(qū)域如圖2 所示。黃色區(qū)域?yàn)榭赡芘鲎矃^(qū)域，A、B、C 區(qū)域?yàn)槊鉁y(cè)試區(qū)域，紅色線與A、C 線圍成的區(qū)域?yàn)閷?shí)際測(cè)試區(qū)域。依照法規(guī)規(guī)定，頭部碰撞試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用球頭是以24.1km/h 的速度撞擊IP 表面，要求“球頭減速度超過80g 的持續(xù)時(shí)間不能超過3ms”，這一點(diǎn)將是IP 設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)邊界輸入點(diǎn)。這個(gè)碰撞區(qū)域可采用軟質(zhì)材料、減薄材料增強(qiáng)柔性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低剛度及避免不必要的加強(qiáng)筋及固定點(diǎn)來降低頭部碰撞傷害。

圖2 區(qū)域劃分示意圖

1.5 膝部護(hù)墊：

膝部護(hù)墊簡(jiǎn)單的理解為儀表板內(nèi)部的緩沖裝置，核心目的是減小發(fā)生碰撞時(shí)，膝蓋的損傷。原理是碰撞發(fā)生時(shí)，人體前移，膝蓋與護(hù)墊發(fā)生接觸，護(hù)墊變形壓縮、吸收沖擊能量，減小對(duì)膝蓋和大腿產(chǎn)生的沖擊力，從而保護(hù)膝蓋。

膝部護(hù)墊：結(jié)構(gòu)上一般包含吸能支架和膝蓋擋板。有些膝部護(hù)墊結(jié)構(gòu)會(huì)在膝蓋擋板內(nèi)側(cè)增加薄鈑金件，一方面可以吸能、另一方面還可以保證總成件的剛度。膝蓋擋板整體結(jié)構(gòu)是與IP 本體一致且相融合的。

2 主動(dòng)安全性

良好的視野、合理的操作按鈕布置、駕駛室色彩的合理搭配，都有利于駕駛員保持最佳的身體狀態(tài)，縮短緊急情況的反應(yīng)時(shí)間，提高主動(dòng)安全性。

2.1 儀表板可視性

儀表板的可視性主要指駕駛員觀察儀表的動(dòng)作，觀察是在一瞬間完成，因此必須保證這個(gè)觀察的方便性，基本要求是組合儀表不能被遮擋，布置的示意圖如圖3 所示。

圖3 儀表板視野校核圖

設(shè)計(jì)上的基本原則：

組合儀表不可以被遮擋，駕駛員的雙眼均在可視范圍內(nèi)；

組合儀表布置的角度應(yīng)滿足與駕駛員的視角垂直（90°左右即可）；

組合儀表的高度位置，近可能在駕駛員的最佳下視角范圍內(nèi)（30°）；

儀表板的目視距離，普遍要求是在460 ～711mm 范圍內(nèi)。711mm 是最大視距距離, 最佳視距距離是550mm。組合儀表的視距也可以借鑒計(jì)算公式D ＝(1.2-1.5)L（L 是儀表板外廓長(zhǎng)度）。當(dāng)然，在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中，人機(jī)校核的上述各參數(shù)不是孤立的，需要綜合平衡來確定。

另外，不管是視野的校核還是其它方面，最基本的原則或要求就是滿足法律法規(guī)。

2.2 組合儀表炫目

首先要分析眩目的來源：A、從前風(fēng)窗玻璃照到組合儀表罩殼上，由儀表罩殼反射光線眼睛引起的眩目；B、從側(cè)窗玻璃進(jìn)入的光線入射到組合儀表罩殼上的反射光線；C、組合儀表自身的亮光，在夜間照射到前風(fēng)窗玻璃引起的駕駛員眩目，相關(guān)的校核用95%的眼橢球來進(jìn)行檢驗(yàn)。相關(guān)的規(guī)避措施，核心點(diǎn)是組織光的反射與折射，要分析光的反射與折射路徑，在其路徑上加組合、反射表面的形狀或曲率變化、組合儀表的深度尺寸變化等。

2.3 除霜除霧

法規(guī)《GB11555 汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》規(guī)定了車輛除霜除霧的性能要求。除霜指標(biāo)（試驗(yàn)開始后的一段時(shí)間內(nèi)）：20min 內(nèi)，A 區(qū)不低于80%面積的霜除凈；25min 內(nèi)，A’區(qū)的至少80% 面積的霜除凈；40min 內(nèi)，將B 區(qū)的至少95% 面積的霜除凈。除霧指標(biāo)（試驗(yàn)開始后的一段時(shí)間內(nèi)）：10min 內(nèi)，將A區(qū)至少90% 和B 區(qū)至少80% 面積上的霧除凈。除霜除霧的性能優(yōu)劣由PTC 功率、出風(fēng)管路走向、管路密封設(shè)計(jì)、鼓風(fēng)機(jī)以及出風(fēng)口的設(shè)計(jì)所制約，對(duì)于儀表板的出風(fēng)格柵，可以參照以下圖4 方法。

圖4 儀表板出風(fēng)口布置

一般的，要求：L3 ≥2×L4，風(fēng)的流向與前風(fēng)檔的角度α 角一般為20 ～30°之間。而要定義除霜角度，我們還需定出風(fēng)擋上的目標(biāo)點(diǎn)，這個(gè)目標(biāo)的確定示意圖如下圖5 所示。這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的確定還需經(jīng)過CAE 的流場(chǎng)分析作為手段進(jìn)行校核。

圖5 目標(biāo)點(diǎn)確定示意圖

2.4 操作件按重要度配置

操作件的布置，在總布置專業(yè)中叫做手申及界面校核，主要是為了方便駕駛員操作。基本原則是各種控制開關(guān)的位置，應(yīng)盡可能安排在唾手可得之處。一般在H 點(diǎn)以上178-203mm 位置是手操縱的舒適點(diǎn)，這樣駕駛員不必大幅度改變正常駕駛姿勢(shì)即可方便操縱這些按鈕，這也是行駛安全性不可缺少的條件。

布置操縱按鈕的準(zhǔn)則：

1）IP 上各種常用開關(guān)與按鈕，應(yīng)布置在手伸及界面內(nèi)；

2）功能不同的開關(guān)應(yīng)以方向盤為中心分開布置，以避免誤操作；

3）在行駛中過程中，要操作儀表板上的各種開關(guān)和按鈕，必須保證快捷方便，在布置上，需要保證這些操作件在方向盤中心各500mm 內(nèi)；

4）尺寸大小適當(dāng)，操縱力及操縱方式符合人機(jī)工程要求。

2.5 開關(guān)的布置分區(qū)情況：

開關(guān)的布置與分區(qū)示意如下圖6 所示，可簡(jiǎn)單的分為A、B、C、的四個(gè)區(qū)域：

圖6 開關(guān)布置位置示意圖

A 區(qū)：駕駛員與副駕駛員的共用區(qū)域，中央控制板（副儀表板）。此區(qū)域一般布置駕駛員和副駕駛員都能操作的開關(guān)，主要是車機(jī)、空調(diào)、時(shí)鐘等；不建議布置與行駛相關(guān)的重要開關(guān)，如啟動(dòng)按鈕（啟動(dòng)按鈕可布置在B 區(qū)域，最好在A 區(qū)）。對(duì)于危險(xiǎn)警報(bào)開關(guān)可以布置在A 區(qū)域。對(duì)于大型車輛，如中卡/ 重卡，A 區(qū)域或A 與B 相交接的區(qū)域，這個(gè)位置的角度布置會(huì)偏向于駕駛員，以方便駕駛員操作。

B 區(qū)：主要是為駕駛員提供操作，必要時(shí)才由副駕駛操作。一般將雨刮類開關(guān)布置在此區(qū)域。

C 區(qū)：定義為只有駕駛員可操作的區(qū)域。布置與行駛直接相關(guān)而副駕駛員操作不到的開關(guān)。此位置一般布置點(diǎn)火開關(guān)、信號(hào)開關(guān)后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)、燈光調(diào)節(jié)按鈕等。

D 區(qū)：是A、B、C 區(qū)域以外的。此區(qū)域一般是車門玻璃升降操作開關(guān)、儲(chǔ)物空間等，對(duì)于座椅條接的開關(guān)一般布置在各自的座椅上。

3 總結(jié)

整車安全開發(fā)涉及的開發(fā)內(nèi)容及其廣泛，文中以儀表板為例，詳細(xì)闡述了儀表板在被動(dòng)安全開發(fā)中的工作內(nèi)容。分析內(nèi)容涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置分析、法規(guī)要求等，分析內(nèi)容全、參數(shù)數(shù)據(jù)多，為儀表板的被動(dòng)安全涉及提供了參考依據(jù)。