汽車儀表板橫梁設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

高偉偉

（江西五十鈴有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的不斷發(fā)展壯大，汽車作為一種常見的交通工具已廣泛存在于普通消費(fèi)者家庭，在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的汽車市場(chǎng)中，汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)得到越來越多消費(fèi)者的關(guān)注。儀表板橫梁作為汽車內(nèi)飾最重要的結(jié)構(gòu)件之一，其為儀表板本體、空調(diào)、中控屏、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱、空調(diào)風(fēng)道和各類電器件等內(nèi)飾件提供支撐支架[1]，因此，儀表板橫梁需要有足夠的剛度來抵抗安裝在其內(nèi)飾件的重力以及外力所帶來的變形[2]，同時(shí)又需要其模態(tài)能夠避開來自路面和發(fā)動(dòng)機(jī)所帶來的振動(dòng)，防止發(fā)生共振現(xiàn)象。文章簡(jiǎn)述了橫梁在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，為以后的開發(fā)提供依據(jù)和參考價(jià)值。

1 儀表板橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 儀表板橫梁作用

儀表板橫梁的主要作用包括：1）儀表板飾件及其附件、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱、空調(diào)箱、線束等零部件提供支撐；2）模塊化儀表板總成裝配過程中的輔助夾具和定位支承件；3）直接與車身相連，承受所支承和連接零部件傳遞的載荷，對(duì)乘員的安全性有較大影響。

主流的儀表板橫梁一般采用鋼制材料，中心管使用無縫鋼管或焊接鋼管，橫梁的支架根據(jù)強(qiáng)度或厚度需要，可選擇冷軋或熱軋鋼板。汽車儀表板橫梁常用材料有Q215、Q235、DC01、DC02、冷軋?zhí)间摫“澹⊿teel Galvanized Cold Common,SPCC）等，其中SPCC 防銹性能好，但是價(jià)格較貴[3]。儀表板橫梁一般由主副管梁以及各種安裝支架焊接而成，主管梁按結(jié)構(gòu)可以分為直管和彎管，直管加工簡(jiǎn)單，制造公差容易控制，有利于碰撞試驗(yàn)，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成直管，如圖1、圖2 所示。若因空調(diào)箱等周邊件的影響無法布置成直管，則應(yīng)設(shè)計(jì)成彎管。儀表板橫梁比較常用的防銹處理方式有電泳黑漆、噴涂黑漆、涂防銹油，其中電泳黑漆效果比較理想；但電泳黑漆單件成本最高，涂防銹油成本最低。

圖1 儀表板橫梁（直管）

圖2 儀表板橫梁（彎管）

1.2 儀表板橫梁主管梁設(shè)計(jì)

橫梁主管梁材料通常采用20 號(hào)鋼材，一般由兩個(gè)預(yù)制圓管通過CO2氣體保護(hù)焊接而成，如圖3 所示。由于主管梁在駕駛員側(cè)有轉(zhuǎn)向管柱，對(duì)其噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能要求較高，因此，該預(yù)制構(gòu)件1的直徑較大，一般為65～80 mm，管壁一般為1.5～2.0 mm。預(yù)制構(gòu)件2 的直徑可為40～50 mm，管壁為1.2～1.5 mm。橫梁主管梁支撐著副駕駛安全氣囊，通過安裝氣囊支架對(duì)兩者進(jìn)行固定，且與副駕駛側(cè)安全氣囊的距離應(yīng)為25～50 mm，以保證氣囊有足夠的安裝操作空間，如圖4 所示。

圖3 主副管梁

圖4 主管梁與PAB 的距離

1.3 儀表板橫梁支架設(shè)計(jì)

儀表板橫梁支架必須包含端頭支架，頂部支架以及接地支架與車身鈑金螺栓連接，以保證其自身有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)還需包含轉(zhuǎn)向管柱安裝支架，各種電器安裝支架等。其沖壓方向必須與儀表板橫梁上儀表板骨架定位梢的插入方向保持一致。橫梁支架厚度一般設(shè)計(jì)為1.2～1.6 mm，材料一般選擇DC01，端頭支架上一般布置三個(gè)X向M8 螺栓以及一個(gè)Y向M8 螺栓，并將橫梁固定在車身上，且四個(gè)螺栓應(yīng)布置在主管梁直徑外50 mm區(qū)域內(nèi)，且端頭支架上應(yīng)有儀表板骨架定位槽以及儀表板系統(tǒng)裝配過程中的機(jī)械臂定位槽，如圖5所示。端頭支架一端與儀表板橫梁主管梁焊接，Y向的螺栓配合長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的螺母，用以吸收Y向的裝配公差。

圖5 端頭支架螺栓布置形式及定位槽開口形式

由于轉(zhuǎn)向管柱需與儀表板橫梁（Cross Car Beam, CCB）上的支架固定連接，為了提升轉(zhuǎn)向管柱的NVH 性能，在轉(zhuǎn)向管柱安裝支架旁需有頂部支架與前圍鈑金用M8 的螺栓進(jìn)行連接，且頂部支架需布置在轉(zhuǎn)向管柱中心上Y向+/-100 mm 范圍內(nèi)，一般盡可能布置在轉(zhuǎn)向管柱中心線位置上，保證轉(zhuǎn)向管柱處無異響產(chǎn)生。

儀表板橫梁上轉(zhuǎn)向管柱安裝支架與主管梁采用CO2焊接，支架截面如圖6 所示，轉(zhuǎn)向管柱支架上的安裝面與主管梁中心線的距離為 60～70 mm，便于減小其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)向管柱安裝螺栓應(yīng)以CCB 中心線對(duì)稱布置，支架翻邊高度至少為20 mm，以確保支架有足夠的剛度和強(qiáng)度。

圖6 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架

儀表板橫梁除了通過兩側(cè)端頭支架及轉(zhuǎn)向管柱處頂部支架與車身連接外，還需要通過中間的接地支架與中央通道鈑金連接，如圖7 所示。一般接地支架左右各一個(gè)，且通過M6 或M8 的螺栓連接固定，其中線距離主管梁的中心線最大不超過150 mm。

圖7 接地支架

2 儀表板橫梁模態(tài)分析

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，路試時(shí)發(fā)生儀表板異響的情況時(shí)有發(fā)生，原因?yàn)閮x表板系統(tǒng)的振動(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)艙的頻率接近從而產(chǎn)生共振異響。一旦出現(xiàn)這種情況，一般都需要將整個(gè)儀表板系統(tǒng)從車身上拆除，并進(jìn)行具體分析，返工工作量大，因此，有必要在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，對(duì)其儀表板橫梁進(jìn)行模態(tài)分析。

2.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近似方法，其研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，包括固有頻率和振型。模態(tài)是振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、動(dòng)載荷的產(chǎn)生和傳播，以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)的形式等具有重要影響。作為具有有限個(gè)自由度的彈性系統(tǒng)，振動(dòng)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；x˙˙(t) 為加速度向量；x˙(t) 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(lì)。

在無阻尼自由振動(dòng)情況下，進(jìn)行傅式變換可得

變換為特征方程可得

式中，ω為系統(tǒng)固有頻率；φ為系統(tǒng)振型。

2.2 有限元分析

將儀表板橫梁模型導(dǎo)入常用有限元軟件HyperMesh 中，利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行3D 網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格類型為四邊形殼單元，單元尺寸為5 mm，在節(jié)約計(jì)算所需要時(shí)間的同時(shí)，能確保計(jì)算精度，如圖8 所示。約束儀表板橫梁與車身的所有連接點(diǎn)全部為六個(gè)自由度。儀表板橫梁上多為CO2氣體保護(hù)焊，使用剛性單元模擬二氧化碳保護(hù)焊，并且模型中所有的螺栓連接點(diǎn)都使用剛性單元模擬。儀表板橫梁的主管梁材料為20 號(hào)鋼，剩下的沖壓件支架的材料為 DC01。在計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering,CAE）分析中，材料的密度取7 850 kg/m3，泊松比設(shè)置為0.28，彈性模量為2.1 GPa[4]，如表1 所示。根據(jù)以上有限元網(wǎng)格建模方法，此模型單元數(shù)為24 573 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為225 126 個(gè)。根據(jù)本公司內(nèi)部規(guī)范要求，儀表板橫梁一階模態(tài)頻率不小于100 Hz。儀表板橫梁的一階頻率為110 Hz，滿足本公司規(guī)范要求，如圖9 所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)引起的激振頻率約為35 Hz，而汽車在正常行駛或以最高速度行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，激振頻率一般大于100 Hz，因此，可避免儀表板橫梁產(chǎn)生共振異響[5]。

圖8 橫梁的有限元模型

圖9 橫梁的一階模態(tài)（110 Hz）

表1 儀表板橫梁材料

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了汽車儀表板橫梁在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的一些重要設(shè)計(jì)參數(shù)，如主副管梁直徑、厚度、支架厚度等，為后續(xù)車型橫梁的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。根據(jù)以往車型設(shè)計(jì)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，駕駛艙儀表板總成在顛簸路面時(shí)常發(fā)生異響，而儀表板橫梁設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致異響產(chǎn)生的重要因素之一。因此，本文利用有限元分析軟件，對(duì)儀表板橫梁進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，文中的橫梁的一階模態(tài)為110 Hz，根據(jù)本公司內(nèi)部的設(shè)計(jì)規(guī)范，模態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。