基于主斷面分析法的輕薄體量儀表板工程可行性研究

李兆雷

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車走進(jìn)了千家萬戶。在消費(fèi)者購車的過程中，汽車造型已成為重要的考量因素之一。對于內(nèi)造型來說， 儀表板對內(nèi)造型主題風(fēng)格的塑造起著決定性的作用，其他內(nèi)飾部件，如副儀表板、門板等作為儀表板造型主題風(fēng)格的延伸，輔助儀表板將內(nèi)造型的主題風(fēng)格塑造完整。

伴隨著汽車電動(dòng)化、智能化的浪潮，簡潔化、輕薄化逐漸成為目前汽車內(nèi)造型的設(shè)計(jì)趨勢。但主機(jī)廠推出的概念車儀表板體量很輕薄，當(dāng)量產(chǎn)車推出后，因集成各種功能部件及匹配其工程約束后，儀表板的體量依然比較厚重，致使輕薄簡潔的主題感染力減弱了很多。因此，實(shí)現(xiàn)儀表板輕薄體量的工程可行性，對內(nèi)造型的設(shè)計(jì)發(fā)展很重要。

1 影響儀表板體量的因素

1.1 常見儀表板體量厚度尺寸

雖然不同品牌的儀表板造型各不相同，但體量厚度差異不大，因儀表板中集成的功能大體相同，而每個(gè)功能部件所需的布置空間及工程約束基本相同，儀表板最終呈現(xiàn)的狀態(tài)是造型主題與工程約束相互融合的結(jié)果。圖1為某儀表板的體量厚度示意。

圖1 某儀表板的體量厚度示意

1.2 儀表板體量工程約束

1.2.1 人機(jī)約束

1.2.1.1 前下視野

人機(jī)約束中的前下視野確定了儀表板前沿高度的上限,如圖2所示。

圖2 儀表板與前風(fēng)擋匹配處斷面

通常乘用車的前下視野為5.5°～6.5°，待前下視野的角度確定后，根據(jù)前風(fēng)擋全黑邊界到儀表板前沿的落差可確定儀表板前沿的高度。前風(fēng)擋黑邊用于包容周圈零件因制造及安裝導(dǎo)致的公差，同時(shí)保證發(fā)罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被前排乘員看到。

1.2.1.2 前排腳部空間

人機(jī)約束中前排腳部空間確定了儀表板下沿高度的下限,如圖3所示。

圖3 儀表板與腳部關(guān)系斷面

通常乘用車前排腳部空間向的高度(儀表板下沿到地毯的高度)在280 mm以上，儀表板的體量可根據(jù)需求，保證儀表板的下沿到地毯的高度大于280 mm。

1.2.1.3 前排進(jìn)出性

人機(jī)約束中的前排進(jìn)出性確定了儀表板可向車后方向做到的最后凸位置，如圖4所示。

圖4 儀表板進(jìn)出性校核斷面

通常前排進(jìn)出性由人機(jī)輸入的約束點(diǎn)來限制門洞開口的輪廓，不考慮儀表板對進(jìn)出性的影響。但目前儀表板的造型越來越多變，有的儀表板會(huì)向車后方向凸出很多，影響到前排進(jìn)出性。校核儀表板對前排進(jìn)出性的影響，需要過假人(95百分位)點(diǎn)做一個(gè)半徑為637 mm的圓柱，如果儀表板沒有侵入到該圓柱中，則認(rèn)為進(jìn)出性無問題。所以，可將過該圓柱面作為儀表板可向車后方向凸出的極限位置。

1.2.1.4 手觸及性

人機(jī)約束中的手觸及性約束面，確定了儀表板向車前方向的前極限位置(無手動(dòng)風(fēng)口及獨(dú)立按鍵面板的儀表板除外)，如圖5所示。

圖5 手觸及區(qū)示意

通常布置在儀表板上的按鍵及手動(dòng)出風(fēng)口等需經(jīng)常使用的功能要滿足操作的便利性。按鍵等需單指操作的功能，要布置在單指觸及區(qū)以內(nèi)(圖5中單指觸及區(qū)右側(cè))。出風(fēng)口等需三指操作的功能，要布置在三指觸及區(qū)以內(nèi)(圖5中三指觸及區(qū)右側(cè))。所以，按鍵及出風(fēng)口等為滿足操作便捷性，儀表板的體量不能太靠車前，人機(jī)中的手觸及區(qū)域約束可作為儀表板體量向車前方向的前極限位置。

1.2.1.5 前排腿部及膝部空間

人機(jī)約束中的腿部及膝部空間約束，確定了下儀表板(儀表板上下分界線以下的區(qū)域)體量向后下方向的極限位置，如圖6所示。

圖6 儀表板與腿部或膝部空間的斷面

通常乘用車的儀表板到腿部和膝部(95百分位)的距離在120 mm以上，以保證腿部有舒適的活動(dòng)空間及在碰撞時(shí)有足夠的滑移空間。所以，用腿部及膝部向車前法向偏移120 mm得到的線或用該線向拉伸得到的面，作為下儀表板向車后方向的極限位置。

1.2.2 布置約束

1.2.2.1 抬頭顯示系統(tǒng)(head up display,HUD)的布置

HUD(包括AR-HUD)作為近年來各大主機(jī)廠推出的亮點(diǎn)配置，雖給消費(fèi)者提供了虛實(shí)結(jié)合的科技體驗(yàn)，但它的布置卻給儀表板體量帶來了更大的挑戰(zhàn)。HUD布置關(guān)系斷面如圖7所示。

圖7 HUD布置關(guān)系斷面

HUD的布置原理為在平面內(nèi)以駕駛員眼點(diǎn)為起點(diǎn)做水平向下2.5°～3.0°的直線，該線與前風(fēng)擋玻璃相交后，過交點(diǎn)做該線通過前風(fēng)擋的空間反射線，將HUD光束中心線與該反射線重疊，HUD可沿該反射線移動(dòng)到合適位置。

為防止車外雜散光線通過HUD的LENS反射到人眼，影響駕駛員的駕駛安全。需將HUD護(hù)罩的前沿做高遮擋雜散光，護(hù)罩最高點(diǎn)到HUD的LENS的向最小距離需大于75 mm。

滿足HUD以上布置要求后，HUD基本會(huì)將駕駛員側(cè)儀表板內(nèi)部空間占滿，儀表板造型方案需有足夠的體量包住HUD。

1.2.2.2 轉(zhuǎn)向管柱的布置

轉(zhuǎn)向管柱的布置主要由匹配方向盤的位置來確定，方向盤的布置位置和角度確定后，轉(zhuǎn)向管柱的位置和角度隨之確定。轉(zhuǎn)向管柱布置位置與儀表板體量關(guān)系斷面如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)向管柱布置位置與儀表板體量關(guān)系斷面

轉(zhuǎn)向管柱根據(jù)方向盤確定布置位置和角度后，如開發(fā)的項(xiàng)目有HUD配置，那么左側(cè)窗除霜風(fēng)道、儀表板線束、左吹面風(fēng)口風(fēng)道3個(gè)部件，從儀表板右側(cè)越過轉(zhuǎn)向管柱穿到左側(cè)的空間通道，僅能使用圖中虛線框區(qū)域，該區(qū)域由HUD、儀表板橫梁、儀表板上部護(hù)板合圍而成。在轉(zhuǎn)向管柱及HUD布置位置確定后，該區(qū)域的空間取決于儀表板上表面的位置，左側(cè)窗除霜風(fēng)道的截面積在900 mm以上，左吹面風(fēng)口風(fēng)道的截面積在2 000 mm以上，儀表板線束的直徑在30 mm以上。這3個(gè)部件的需求的布置空間，確定了駕駛員側(cè)儀表板上表面的最低位置。

車輛發(fā)生碰撞時(shí)，方向盤沿轉(zhuǎn)向管柱軸線方向潰縮，通常乘用車的方向盤潰縮量保證在70 mm以上，即認(rèn)為滿足對乘員的合理傷害值。所以，儀表板不能與轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩沿軸線下移70 mm后的包絡(luò)發(fā)生干涉。

儀表板的下邊緣需包住轉(zhuǎn)向管柱電機(jī)等內(nèi)部零件，用前排和后排的眼橢圓作視野校核，轉(zhuǎn)向管柱電機(jī)等零件不可見。該要求可作為主駕駛側(cè)儀表板下沿的最高位置限制，如圖9所示。

圖9 主駕駛側(cè)儀表板內(nèi)部部件可視性校核

1.2.2.3 空調(diào)主機(jī)的布置

空調(diào)主機(jī)作為儀表板內(nèi)布置的體積最大的零件，占用了儀表板寬度方向接近2/3的空間，對儀表板的體量有非常大的影響。空調(diào)主機(jī)的布置要求如圖10所示。

圖10 空調(diào)主機(jī)的布置要求

傳統(tǒng)空調(diào)主機(jī)布置位置在和轉(zhuǎn)向管柱向錯(cuò)開后，幾乎占據(jù)了儀表板的和副駕駛側(cè)空間。副駕駛側(cè)儀表板包住空調(diào)主機(jī)及風(fēng)道等所需的空間可作為副駕駛側(cè)體量的最小厚度限制。副駕駛側(cè)儀表板在包住空調(diào)主機(jī)后，需用前排和后排(如有三排乘員，三排乘員做同樣校核)的眼橢圓做視野校核，空調(diào)主機(jī)等零件不可見，該要求可作為副駕駛側(cè)儀表板下沿的最高位置限制，如圖11所示。

圖11 副駕駛側(cè)儀表板內(nèi)部部件可視性校核

1.2.2.4 副駕駛氣囊(passenger air bag，PAB)的布置

PAB是目前乘用車中不可缺少的被動(dòng)安全配置，PAB的布置需滿足布置角度和與周邊零件的距離要求，才能發(fā)揮最佳的性能，給乘員提供最優(yōu)的安全保障。PAB布置要求如圖12所示。

圖12 PAB布置要求

PAB的布置要求為：PAB中心點(diǎn)到前風(fēng)擋的向距離在180～250 mm，PAB底面到橫梁的距離大于25 mm，PAB到儀表板上表面在向的落差小于20 mm，PAB到儀表板上表面在向的落差小于10 mm，PAB中心線與前風(fēng)擋的夾角小于45°。PAB氣囊門在旋轉(zhuǎn)的過程中和前風(fēng)擋距離大于25 mm。在確定PAB的位置后，儀表板的上表面匹配調(diào)整。

1.2.3 總裝工藝約束

1.2.3.1 儀表板總裝裝配性

在進(jìn)行儀表板方案設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮人機(jī)約束、零件布置、制造工藝，還要考慮儀表板總成在總裝生產(chǎn)線上的可裝配性。

總裝線一般共線生產(chǎn)多個(gè)不同車型，為保證總裝吊具的共用性，開發(fā)的儀表板在做總裝裝配性校核時(shí)，需匹配現(xiàn)有的總裝吊具。

對DMU裝配性進(jìn)行校核時(shí)，用現(xiàn)有總裝吊具夾持儀表板后，從左前門門洞裝入乘員艙，在裝入的過程中，可上下前后移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)儀表板，找到合理的裝入路徑，并保證路徑包絡(luò)(含儀表板和總裝吊具)與門洞間隙在25 mm以上。總裝裝配性校核確定了儀表板整體體量的最大邊界。

1.2.3.2 總裝吊具夾持頭空間

第1.2.3.1節(jié)論述了總裝吊具對儀表板整體體量的約束，同時(shí)儀表板還要滿足總裝吊具的夾持頭有足夠的夾持空間，總裝吊具夾持頭與儀表板的匹配關(guān)系，如圖13所示。

圖13 夾持頭與儀表板夾持孔對應(yīng)關(guān)系

總裝吊具通過將夾持頭插入儀表板橫梁上對應(yīng)的夾持孔吊起儀表板。以圖13所示為例，總裝吊具采用的是雙夾持頭方案，儀表板橫梁做好對應(yīng)的夾持孔后，儀表板需有足夠的體量包住儀表板橫梁夾持孔，并留足結(jié)構(gòu)及安全間隙空間。所以，總裝吊具夾持頭確定了儀表板凸出門洞區(qū)域的向和向的最小體量。

1.3 各工程約束之間的關(guān)系

通過上節(jié)的歸納基本明確了影響儀表板體量的各個(gè)工程約束點(diǎn)。對于儀表板的某一邊界來說，會(huì)有多個(gè)不同維度的工程約束，不同維度的工程約束對邊界的要求也會(huì)不同。

如果幾個(gè)不同工程約束對儀表板同一邊界約束方向相同，則應(yīng)滿足幾個(gè)約束的合集。例如，第1.2.2.3中儀表板的厚度需包住空調(diào)主機(jī)的要求和第1.2.3.1中儀表板的厚度需包住儀表板橫梁夾持孔的要求，都是對于儀表板最小厚度的約束。比如某車型包住空調(diào)主機(jī)需要的儀表板厚度為420 mm，而包住橫梁上的夾持孔需要的厚度為220 mm，則儀表板的厚度應(yīng)大于420 mm，滿足兩相同方向約束的合集，才能滿足工程可行性。

如果幾個(gè)不同工程約束對儀表板同一邊界約束方向相反，則應(yīng)滿足幾個(gè)約束的交集。例如，第1.2.1.2中腳部空間的需求是對儀表板下沿最低位置的約束，第1.2.2.2中儀表板內(nèi)部零件不可見的視野校核是對儀表板下沿最高位置的約束，儀表板的下沿應(yīng)在兩約束之間。比如某車型儀表板下沿到地毯的高度滿足內(nèi)部零件不可視需低于305 mm，同時(shí)滿足腳部空間該值需大于280 mm，所以，儀表板下沿的高度需在280～305 mm，滿足兩不同方向約束的交集，才能滿足工程可行性。

2 主斷面分析法分析輕薄化體量工程可行性

主斷面分析法通常用于零件在做結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)前的方案分析，通過選取零件的典型位置做主斷面，即可全面分析出零件的結(jié)構(gòu)形式、空間布置、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)、工藝成型、零件匹配等信息，保證零件方案的工程可行性。引入主斷面分析法來分析儀表板輕薄化體量的工程可行性，根據(jù)儀表板的人機(jī)約束和內(nèi)部布置，選取過駕駛員點(diǎn)的縱向斷面、縱向斷面、過副駕駛員點(diǎn)的縱向斷面作為主斷面，分析找到影響儀表板輕薄化體量的工程限制因素。

2.1 過駕駛員點(diǎn)H縱向主斷面

從過駕駛員點(diǎn)縱向主斷面中，可以看到轉(zhuǎn)向管柱的布置位置作為硬點(diǎn)，將儀表板分成上下兩個(gè)區(qū)域，上部區(qū)域(圖14中框區(qū)1)布置側(cè)除霜風(fēng)道、側(cè)吹面風(fēng)道、儀表板橫梁、儀表板線束、ARHUD(如有)等。實(shí)現(xiàn)儀表板輕薄的體量，需盡可能降低儀表板的上表面，需合理布置紅框區(qū)域的零部件，充分利用該區(qū)域的空間。下部區(qū)域(圖14中框區(qū)2)布置轉(zhuǎn)向管柱的助力電機(jī)、收納轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩?jǐn)U縮的包絡(luò)等。實(shí)現(xiàn)儀表板輕薄的體量，需盡可能抬高儀表板的下沿，調(diào)整電機(jī)的布置位置，如有的車型將該電機(jī)由轉(zhuǎn)向管柱下方布置在了轉(zhuǎn)向管柱側(cè)方。優(yōu)化轉(zhuǎn)向管柱護(hù)罩?jǐn)U縮包絡(luò)。通過以上兩個(gè)方面的優(yōu)化，可以將主駕駛側(cè)儀表板的厚度體量減薄,如圖14所示。

圖14 駕駛員點(diǎn)H主斷面

2.2 Y0縱向主斷面

從縱向主斷面中，可以看到空調(diào)主機(jī)占據(jù)了儀表板內(nèi)部的大部分區(qū)域，在空調(diào)主機(jī)上部區(qū)域(圖15中框區(qū)1)布置了除霜風(fēng)道、吹面風(fēng)道等，空調(diào)下部區(qū)域(圖15中框區(qū)2)為空調(diào)主機(jī)與地板中通道之間的懸空區(qū)。如果空調(diào)主機(jī)可以降低布置位置，占用該懸空區(qū)的話，框區(qū)1在滿足風(fēng)道的布置空間時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)儀表板上表面的降低，有利于儀表板實(shí)現(xiàn)輕薄化的體量。但由于常規(guī)空調(diào)的結(jié)構(gòu)布局比較大，不僅布置在儀表板中間區(qū)域，也布置在儀表板副駕側(cè)區(qū)域，如果區(qū)域的空調(diào)布置位置降低，因空調(diào)為一個(gè)整體，副駕駛側(cè)的空調(diào)布置位置也會(huì)同步降低，因此跨儀表板中間和副駕兩大區(qū)域布置的空調(diào)，將儀表板兩區(qū)域的體量關(guān)聯(lián)在一起。在下節(jié)過副駕駛側(cè)點(diǎn)主斷面中分析副駕側(cè)空調(diào)布置位置降低的工程可行性。

圖15 Y0縱向主斷面

2.3 過副駕駛員點(diǎn)H縱向主斷面

從過副駕駛員點(diǎn)縱向主斷面中，可以看到空調(diào)主機(jī)(鼓風(fēng)機(jī))上部布置了除霜風(fēng)道、吹面風(fēng)道、PAB等，下部為副駕駛員側(cè)的腳部空間約束，如圖16所示。按通常乘用車前排乘員的人機(jī)參數(shù)可知，前排乘員的坐高(H30)通常在210～320 mm，在該范圍的人體姿態(tài)下，前下視野為5.5°左右，在保證副駕駛側(cè)空調(diào)與儀表板上部大面之間有足夠的空間布置風(fēng)道及PAB等零件時(shí)，布置的空調(diào)與到地毯的高度一般在320 mm左右，基本滿足副駕駛員的腳部空間。如果將空調(diào)的布置位置降低，會(huì)不滿足腳部的向空間要求，因此副駕駛側(cè)布置的空調(diào)不能降低，作為整體的布置在儀表板中間位置的空調(diào)也不能降低，導(dǎo)致第2.2節(jié)中儀表板厚度體量不能減薄。

圖16 副駕駛員點(diǎn)H主斷面

副駕駛側(cè)儀表板要實(shí)現(xiàn)體量的輕薄化，即降低該處儀表板上表面，并抬高該處儀表板的下沿。副駕駛側(cè)布置的空調(diào)位置不變時(shí)，降低儀表板上表面，只能通過優(yōu)化空調(diào)和儀表板上表面之間布置的零件所占用的空間，該方法的調(diào)整量很小，如果抬高儀表板下沿，儀表板將包不住空調(diào)，導(dǎo)致空調(diào)主機(jī)外露被乘員可見,如圖11副駕側(cè)內(nèi)部零件可視性校核所示。

經(jīng)過以上主斷面分析法的分析，可知影響儀表板輕薄化體量的最主要工程約束為傳統(tǒng)形式的空調(diào)主機(jī)。該空調(diào)由于結(jié)構(gòu)形式需橫跨儀表板中間和副駕兩大區(qū)域來布置，將對兩區(qū)域的體量影響關(guān)聯(lián)在一起，因副駕腳部空間的需求，致使空調(diào)布置位置不能降低，反過來影響儀表板區(qū)域，不能合理利用區(qū)域空調(diào)和中控道之間的向空間。只有打斷儀表板區(qū)域和副駕區(qū)域的關(guān)聯(lián)工程約束，才能實(shí)現(xiàn)各自區(qū)域輕薄體量的工程可行性，即選擇不橫跨兩區(qū)域布置的空調(diào)。在項(xiàng)目前期開發(fā)時(shí)，可以選擇中置式空調(diào)，該空調(diào)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)空調(diào)架構(gòu)布局不同，向尺寸在320 mm左右，比起傳統(tǒng)空調(diào)向尺寸680 mm要小很多，只需布置在區(qū)域，不占用副駕駛側(cè)區(qū)域。布置在的中置空調(diào)可以合理利用它和地板中通道之間的向空間，將布置位置降低，從而可以實(shí)現(xiàn)將處的儀表板上表面降低的目的。不同形式空調(diào)與儀表板的匹配關(guān)系如圖17所示。

圖17 不同形式空調(diào)與儀表板的匹配關(guān)系

副駕駛側(cè)因沒有傳統(tǒng)空調(diào)布置約束后，儀表板體量只需要包住PAB、側(cè)除霜風(fēng)道、側(cè)吹面風(fēng)道、儀表板主線束、儀表板橫梁(含匹配總裝吊具的夾持孔)、娛樂主機(jī)等，可通過把副駕駛側(cè)的儀表板上表面降低和儀表板下沿抬高，將副駕駛側(cè)做到輕薄的體量，如圖18所示。

圖18 副駕側(cè)儀表板體量

3 結(jié)束語

通過主斷面分析法，分析明確影響儀表板輕薄體量的根本影響因素為傳統(tǒng)空調(diào)，從而選擇中置式空調(diào)來替換傳統(tǒng)空調(diào)，打斷了傳統(tǒng)空調(diào)對儀表板體量影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了儀表板輕薄體量的工程可行性。