一套乘用車儀表板正向設計思路

張明，呂崇建，蔣志軍，張志剛，李隆欣

（北京汽車股份有限公司，北京 100300）

1　概述

1.1　前言

針對現下紛繁的汽車市場，廣大消費者對于購車的需求已不僅僅局限于其本身的實用操控性，對內飾的感官舒適度的追求也越來越高，在整個內飾中儀表板（Instrument Panel）則是不可或缺的一個重要模塊，其點綴駕駛艙的功能更是“畫龍點晴”的一筆，除此以外還具有如下功能：

√ 提供安裝副駕駛員氣囊、膝部氣囊等安全件載體，當發生碰撞時，能有效保護車內乘員安全。

√ 提供安裝方向盤、出風口、手套箱、儀表、影音、導航等功能件載體，為乘員提供儲物、操縱、冷暖風、娛樂及車輛行駛信息的功能。

1.2　分類（按工藝、表面材質分類）

1.2.1硬質儀表板

分為整體注塑（考慮降本與降重）和分體注塑（考慮分色），料厚一般為 3mm，材質 PP-EPDM-TD20，見圖1，注塑成型，適用于小型車等低端車型，不詳細介紹。

圖1　硬塑儀表板示意圖

1.2.2上軟下硬儀表板

如搪塑發泡、PVC包覆、陰模吸塑、TPO表皮、PU噴涂，見圖2、圖3，為增加觸感，骨架表面吸附一層1-1.2mm厚的PVC和2-5mm厚的無紡布，既實現軟硬及分色工藝，又有利于造型多樣化需求；搪塑發泡手感較好且成本適中，是目前中、高端車型的主流，也是本文重點闡述的內容。

圖2　上軟下硬儀表板（左）搪塑發泡（中）pvc包覆（右）

圖3　TPO表皮（左）陰模吸塑（中）PU噴涂（右）

1.2.3軟質儀表板

為凸顯高檔豪華，其表面包覆一層厚度為1-1.2mm真皮或帶背泡海綿，質感及縫線有效提升車內檔次感，見圖 4，但考慮原材料、加工、人工成本較高，僅豪華車采用，本文也不重點闡述。

圖4　軟質儀表板（真皮包覆）示意圖

1.3　組成

某車型儀表板基本組成，見圖5。

圖5　某SUV儀表板分塊示意圖

1.4　儀表板開發流程

2　工程設計

2.1　技術方案

編制正向設計“技術方案”，是工程設計的重點，既能整體管控各零部件搭接形式，又能有效集成儀表板模塊化，減少開發風險。

技術方案主要體現新造型的各零件搭接定位關系、模塊化設計、關鍵技術難點。為確保工程驗證和設計合理性，每個設計結構都需要有充足的驗證及依據，遵循“模塊化設計，工程結構少創新”。

以某款熱銷SUV車型為例，介紹一下儀表板開發過程。

一款新車型開發，都需經過對標某一款或幾款競爭車型（或標桿車），進行拆解對標，雖然新造型和標桿車有很大區別，但成熟結構、工藝、定位等參數盡量參考標桿車，結合專家、CAE和供應商資源，能有效降低設計風險及DV驗證風險，圖6、圖7為標桿車與新造型儀表板、橫梁對比。

圖6　某參考車儀表板（左）、新造型（右）對比

圖7　某參考車橫梁(左-注塑鋁合金)、新橫梁(右-焊接鋼材)對比

2.1.1新橫梁考慮參考車注塑鋁合金成本高

采用低成本焊接鋼材替代，因車身鈑金形狀、固定點布置及數量變化不大，故新橫梁安裝點布局及數量參考樣車，見圖8。

定位機構采用定位銷，為增加裝配導向，定位銷長度一般設計為55-70mm之間，推薦70mm，采用變直徑銷便于裝配導向，見圖9。

圖9　橫梁與車身定位點分布

2.1.2新造型儀表板分塊形式為上下分體

其本體與橫梁安裝采用螺栓固定，參考樣車布局，見圖10。

圖10　上下本體與橫梁安裝點及定位點分布

儀表板上下分體結構形式是基于造型分色考慮，上下本體采用螺釘連接，考慮定位分布、控制外觀間隙合理性，兩安裝點間距一般為50-150mm之間，見圖11。

圖11　上下本體安裝點及定位點分布

上蓋板安裝與定位參考某車型，采用螺釘+卡扣連接，上蓋板兩個卡扣起到預安裝作用，考慮定位分布、控制外觀間隙合理性，兩安裝點間距一般為50-150mm之間，見圖12。

圖12　上蓋板安裝點及定位點分布

右面板安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖13。

圖13　右面板安裝點及定位點分布

左面板安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖14。

圖14　左面板安裝點及定位點分布

護膝板安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖15。

圖15　護膝板安裝點及定位點分布

側端蓋安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖16。

圖16　側端蓋安裝點及定位點分布

2.1.3模塊化設計方案

技術難點在于所有裝在儀表板骨架上的包括電器元件、轉向管柱等零件集成一個模塊，滿足總裝效率高，各零件匹配精度高要求。模塊組件見圖17。

圖17　儀表板模塊組裝圖

2.1.4機械臂及模塊通過性設計方案

支撐銷與橫梁銷套配合尺寸見圖18，裝配驗證表明，支撐銷尺寸已趨于標準化。模塊裝配過程中與門洞距離≥80mm，避免裝配干涉。

圖18　機械臂及車門通過性示意圖

2.1.5儀表板與A柱上飾板配合形式

見圖19，在蓋板內增設橡膠墊，其硬度為47-56 HD，利用橡膠墊彈性變形吸收裝配誤差。

圖19　A柱上飾板與儀表板設計斷面圖

2.1.6儀表板與A柱下飾板配合形式

見圖20，靠卡扣單邊結構保證Z向間隙，靠限位筋結構和卡緊力保證X向面差。

圖20　A柱下飾板與儀表板設計斷面圖

2.1.7儀表板前端與前風擋、車身配合形式

儀表板前端與前風擋玻璃預留5-6mm安裝間隙，部分車型采用兩道海綿密封，提高NVH性能。

為避免車輛在卵石路面行駛時產生異響，在定位銷或插片上貼0.3mm毛氈消除異響。

定位銷導向長度或插片長度25-30mm，取最大值增大導向，見圖21、圖22。

圖21　儀表板前端與車身、前風擋結構斷面圖

圖22　某車型車身前端支撐結構案例（插片式）

2.1.8為避免前門護板與儀表板運動中產生干涉

儀表板與前門護板外觀間隙為4-6mm，推薦5mm，根據車型不同，部分SUV、MPV為8-10mm。見圖23。

圖23　儀表板與前門護板間隙圖

2.1.9主、副儀表板搭接技術方案

圖24　主、副儀表板搭接圖

采用插接結構，有利于隱藏外觀間隙不均現象，個別SUV、MPV車型Y向外觀間隙為1mm，轎車通常為0.5mm，見圖24。

2.1.10氛圍燈設計方案

燈帶卡緊原理是利用卡座大半圓弧包住燈帶，以限制燈帶徑向竄動，創新技術難點在于大半圓弧與燈帶有效接觸包角 171°[1]和卡座的整體脫模。經實車驗證，該包角可有效獲得較好的卡接力和防脫落效果，見圖25、圖26。

圖25　手套箱、護膝板上部氛圍燈分布及安裝點布置圖

圖26　氛圍燈結構設計斷面圖

2.1.11儀表板端蓋與前門框密封條配合形式

見圖27，密封條根部與端蓋間隙A為3-4mm，推薦經驗值3mm；端蓋與唇邊搭接量C≥6mm。唇邊變形后與側板根部≥3mm。

圖27　儀表板與前門密封條搭接示意圖

2.2　主斷面

主斷面作用是分析造型是否成立，同時指導后期工藝數模制作。

關鍵斷面有3個，見圖28，分別是序號1、2、3。同時增加若干個輔助結構斷面，以反映各功能件、底盤及電器件不同位置結構搭接形式。

主斷面主要反映如下信息：

√ 儀表板各零件搭接關系；

√ 人機、法規、功能、工藝校核；

√ 外觀各零件間隙、面差、圓角；

√ 零件材料、拔模方向及角度、分模線；

√ 總裝工藝、工具空間、運動件運動軌跡校核；

√ 與假人、車身、電器件、底盤操縱機構和運動極限位置校核。

圖28　主斷面分布圖

輸入條件：

√ 整車配置功能定義；

√ 儀表板效果圖及CAS面初步分塊；

√ 滿足國、內外相關法規，見附錄1；

√ DTS、色彩清單及脫模角度定義；

√ 總體人機、車身、電器布置、底盤操縱機構布置、內外飾密封邊界。

2.2.1駕駛員側縱向，見圖29：

圖29　駕駛員側縱向斷面圖

2.2.2儀表板中心縱向，見圖30：

圖30　儀表板中心斷面圖

2.2.3副駕駛員側縱向，見圖31：

圖31　副駕駛員側縱向斷面圖

2.3　工程可行性分析

儀表板造型分塊在內外飾造型風格上變化是最大的，周邊匹配零件的數量也最多，工程可行性分析越徹底，后期工藝數據及RP件驗證返工就越少。

工程可行性分析貫穿整個設計過程，從造型效果圖到3D數據凍結。主要包含如下幾部分：

√ 總體人機；

√ 工藝與結構可行性分析；

√ 國內外法規校核，見附錄1；

a）總體人機：

方向盤盲區及視野校核、前除霜、出風口、手套箱，駕駛員腳部空間校核，詳見以下詳解。

b）工藝與結構可行性分析：

搪塑發泡，表皮最小圓角要求R≥1mm，表皮厚度一般為 1-1.2mm，發泡層厚度一般為 8-12mm，最厚區域一般產生在帽檐處，封膠邊最小寬度≥3mm；

脫模要求，粗皮紋脫模角度≥6度，細皮紋≥3度，光板面≥1度，加強筋、斜頂、滑塊、抽芯≥0.5度。滑塊運動空間≥1.7－2.5倍抽芯長度。

加強筋大端厚度取值 0.4t-0.6t，小端最小 0.8mm；一般取0.5t，高度≤3t，間距≥4t。

2.3.1方向盤盲區及視野校核

詳見SAE J1050規定，①要求組合儀表顯示區域應100%可視，帽檐處是校核關鍵區域：②要求下視野滿足≥5°[2]，轎車一般取 6°；SUV為增大駕駛員視野，一般為 6-8°；推薦 8°，③方向盤手操作空間要求≥90mm；緊湊車型≥70mm，中大車型≥100mm，見圖32。

圖36　組合儀表下視野斷面圖

2.3.2前除霜布置

見圖37，布置關鍵點：①玻璃黑區與前風擋沖擊點距離一般為100～200mm，SUV等車型取180-200mm；②出風方向與前風擋玻璃夾角α=18～25°，SUV等車型取23-25°；③除霜格柵應布置在前下視野線下。

圖37　前除霜口布置斷面圖

2.3.3出風口布置

上吹風角度要達到95%頭部包絡上部150mm以上，下吹風角度要至少吹到乘員H點以上120mm處，中間最大出風角度吹到喉點，保證乘員乘坐舒適性；見圖38。單個出風口有效出風面積要求小型車＞4,200mm2，中大型車＞5,300mm2。

圖38　出風口吹風角度布置示意圖

2.3.4駕駛員腳部空間

為保證腳部運動空間，踵點與護膝板下邊界Z向高度，轎車≥310mm，SUV、MPV等車型≥320mm，推薦330mm左右，見圖39。

圖39　踵點與護膝板的Z向空間

2.3.5手套箱布置及運動校核

圖40　手套箱布置及運動曲線示意圖

2.3.6其余結構設計

箱斗底部開有漏液孔以防積液，見圖41，手套箱扣手的手操作空間A、B均需滿足人機要求，推薦經驗值25mm。

圖41　漏水孔及手操作空間示意圖

2.4　性能分析

儀表板不僅起到裝飾作用，同時在行車中保護乘員安全性作用，主要涉及前除霜、吹面、駕駛員小腿保護、副駕駛員頭部保護、吸音降噪、方向盤一階振動模態。

2.4.1前除霜

根據GB 11555-2009要求，結合空調出風流量，設計時對側除霜及前除霜進行流量及百分比分配，見圖42，經多次CFD分析及結構優化，除霜除霧滿足法規要求。流速分布見圖43。

圖42　前、側除霜口流量及百分比

2.4.2側除霜

經CFD分析左、右側視野區在15分鐘內完成除霜，滿足目標要求，見圖44。

2.4.3吹面風道

吹面風道各出風口的流量分配比，分3種形式：1:1:1:1、1:2:2:1、2:1:1:2；本車型采用2:1:1:2，經CFD分析流量分配較合理，見圖45。

圖45　各出風口流量分配比及風道速度流線圖

2.4.4駕駛員小腿保護

根據附錄1中GB-11551-2014和ECE R94要求，以腳踝為中心R265～R437半徑區域內設計碰撞緩沖結構，見圖52；或加裝緩沖塊、膝部氣囊起到保護小腿的作用，見圖46、圖47。

圖46　護膝板內部緩沖區域

圖47　膝部保護措施參考車型

2.4.5副駕駛員頭部碰撞

在副駕駛員頭部碰撞區內，造型圓角 R＞2.5mm，見圖48，且要滿足吸能要求，涉及到出風口葉片、電器按鍵具體要求詳見GB11552-2009。

圖48　頭部碰撞區及加速度曲線示意圖

2.4.6吸音降噪

為提升NVH性能，通常在手套箱后部粘貼厚度10-20mm廢紡氈、擋腳板處粘貼吸音棉，以吸收空調運轉發出的噪聲。為滿足吸音降噪要求，棉氈材料性能需達到特定要求，見圖49，圖50。

圖50　手套箱背面貼廢紡氈、副駕駛員擋腳板貼吸音棉

為減少空調管路風燥，同時避免風管表面產生冷凝水，

考慮在風管表面包覆一層3-5mm開孔海綿，見圖51。

圖51　吹面風管表面包覆海綿

2.4.7方向盤一階振動模態

裝有方向盤、轉向管柱的橫梁總成，整體一階模態范圍35～52Hz，橫梁結構剛性越強，整體一階模態越大，可有效避開共振頻率，見圖52。

圖52　儀表板橫梁CAE仿真及臺架試驗

2.5　拆裝維修性

2.5.1保險絲覆蓋區域與檢修口邊界要＞5mm

便于手操保險絲更換空間，考慮陽光傳感器拆裝空間，該空間要滿足L＞L1，見圖53。

圖53　保險絲盒手操空間（左）、陽光傳感器手操空間（右）

2.5.2空調濾芯維修更換

需拆掉手套箱后進行，要求濾芯包絡與儀表板下本體開口周邊距離（A、B）要＞10mm；安裝PAB固定螺栓，工具空間校核，要求套筒（Φ28mm）套筒與周邊件最小距離 G＞20mm，見圖54。

圖54　空調濾芯維修空間（左）、PAB固定螺栓工具空間（右）

2.6　結構設計

2.6.1設計原則

√ 用定位、局部限位結構保證外觀間隙、面差；

√ 安裝結構須采用現有成熟結構；

√ 端蓋、堵蓋便于拆裝（開設拆卸槽）；

√ 盡量減少滑塊、斜頂、抽芯數量；

√ 同類型標準件、非標準件盡量從庫里統一，如卡扣、螺栓或螺釘；

√ 開模具前RP件驗證裝配可行性；

√ 儲物箱設有漏水孔以防積液；

√ 輕量化設計（局部減薄、挖孔）；

√ 美化外觀（分模線盡量放在外觀圓角下，BOSS柱或卡扣座根部減薄處理）；

√ 提高裝配效率（設有預安裝結構）。

2.6.2輸入條件

√ DTS；

√ 主斷面；

√ A面；

√ 相關周邊件；

√ 裝配流程；

√ 設計方案；

√ 篇幅有限，不在詳細闡述；

√ 案例1火山口設計，案例2輕量化設計，案例3預安裝設計，見圖55。

圖55　火山口（左）、局部掏空（中）、預安裝（右）

結束語

總結以上模塊化案例及工程結構設計經驗，模塊化裝配能有效縮短主線長度，降低總裝線投入成本，同時裝車充分驗證的工程結構，作為標準模塊，以指導后續開發項目。

附錄1 國、內外相關法規項

[1] 張明.一種汽車儀表板的氛圍燈安裝結構及汽車.CN201420565 638.實用新型專利.2015.CN201420565638, Utility model patent,2015.

[2] 任金東.汽車人機工程學.北京.北京大學出版社.2010.