汽車儀表板橫梁設計及模態分析

高偉偉

（江西五十鈴有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330001）

隨著國內汽車市場的不斷發展壯大，汽車作為一種常見的交通工具已廣泛存在于普通消費者家庭，在競爭日益激烈的汽車市場中，汽車內飾設計得到越來越多消費者的關注。儀表板橫梁作為汽車內飾最重要的結構件之一，其為儀表板本體、空調、中控屏、安全氣囊、轉向管柱、空調風道和各類電器件等內飾件提供支撐支架[1]，因此，儀表板橫梁需要有足夠的剛度來抵抗安裝在其內飾件的重力以及外力所帶來的變形[2]，同時又需要其模態能夠避開來自路面和發動機所帶來的振動，防止發生共振現象。文章簡述了橫梁在設計開發過程中一些關鍵的設計參數，并通過有限元分析軟件對其進行模態分析，為以后的開發提供依據和參考價值。

1 儀表板橫梁結構設計

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、轉向管柱、空調箱、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，橫梁的支架根據強度或厚度需要，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、冷軋碳鋼薄板（Steel Galvanized Cold Common,SPCC）等，其中SPCC 防銹性能好，但是價格較貴[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，主管梁按結構可以分為直管和彎管，直管加工簡單，制造公差容易控制，有利于碰撞試驗，應盡可能設計成直管，如圖1、圖2 所示。若因空調箱等周邊件的影響無法布置成直管，則應設計成彎管。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計

橫梁主管梁材料通常采用20 號鋼材，一般由兩個預制圓管通過CO2氣體保護焊接而成，如圖3 所示。由于主管梁在駕駛員側有轉向管柱，對其噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能要求較高，因此，該預制構件1的直徑較大，一般為65～80 mm，管壁一般為1.5～2.0 mm。預制構件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兩者進行固定，且與副駕駛側安全氣囊的距離應為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 儀表板橫梁支架設計

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度，同時還需包含轉向管柱安裝支架，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計為1.2～1.6 mm，材料一般選擇DC01，端頭支架上一般布置三個X向M8 螺栓以及一個Y向M8 螺栓，并將橫梁固定在車身上，且四個螺栓應布置在主管梁直徑外50 mm區域內，且端頭支架上應有儀表板骨架定位槽以及儀表板系統裝配過程中的機械臂定位槽，如圖5所示。端頭支架一端與儀表板橫梁主管梁焊接，Y向的螺栓配合長度可調節的螺母，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，為了提升轉向管柱的NVH 性能，在轉向管柱安裝支架旁需有頂部支架與前圍鈑金用M8 的螺栓進行連接，且頂部支架需布置在轉向管柱中心上Y向+/-100 mm 范圍內，一般盡可能布置在轉向管柱中心線位置上，保證轉向管柱處無異響產生。

儀表板橫梁上轉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，便于減小其轉動慣量。轉向管柱安裝螺栓應以CCB 中心線對稱布置，支架翻邊高度至少為20 mm，以確保支架有足夠的剛度和強度。

圖6 轉向管柱安裝支架

儀表板橫梁除了通過兩側端頭支架及轉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，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 儀表板橫梁模態分析

根據以往經驗，路試時發生儀表板異響的情況時有發生，原因為儀表板系統的振動頻率與發動機艙的頻率接近從而產生共振異響。一旦出現這種情況，一般都需要將整個儀表板系統從車身上拆除，并進行具體分析，返工工作量大，因此，有必要在數據設計開發時，對其儀表板橫梁進行模態分析。

2.1 模態分析理論

模態分析是研究結構動力特性的一種近似方法，其研究機械結構的固有振動特性，包括固有頻率和振型。模態是振動系統的固有特性，對結構的動態響應、動載荷的產生和傳播，以及結構振動的形式等具有重要影響。作為具有有限個自由度的彈性系統，振動微分方程為

式中，M為質量矩陣；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。

在無阻尼自由振動情況下，進行傅式變換可得

變換為特征方程可得

式中，ω為系統固有頻率；φ為系統振型。

2.2 有限元分析

將儀表板橫梁模型導入常用有限元軟件HyperMesh 中，利用其強大的網格劃分功能進行3D 網格劃分，設置網格類型為四邊形殼單元，單元尺寸為5 mm，在節約計算所需要時間的同時，能確保計算精度，如圖8 所示。約束儀表板橫梁與車身的所有連接點全部為六個自由度。儀表板橫梁上多為CO2氣體保護焊，使用剛性單元模擬二氧化碳保護焊，并且模型中所有的螺栓連接點都使用剛性單元模擬。儀表板橫梁的主管梁材料為20 號鋼，剩下的沖壓件支架的材料為 DC01。在計算機輔助工程（Computer Aided Engineering,CAE）分析中，材料的密度取7 850 kg/m3，泊松比設置為0.28，彈性模量為2.1 GPa[4]，如表1 所示。根據以上有限元網格建模方法，此模型單元數為24 573 個，節點數為225 126 個。根據本公司內部規范要求，儀表板橫梁一階模態頻率不小于100 Hz。儀表板橫梁的一階頻率為110 Hz，滿足本公司規范要求，如圖9 所示。由于發動機怠速時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，發動機轉速較高，激振頻率一般大于100 Hz，因此，可避免儀表板橫梁產生共振異響[5]。

圖8 橫梁的有限元模型

圖9 橫梁的一階模態（110 Hz）

表1 儀表板橫梁材料

3 結論

本文簡要介紹了汽車儀表板橫梁在設計開發過程中的一些重要設計參數，如主副管梁直徑、厚度、支架厚度等，為后續車型橫梁的設計提供了一定的參考。根據以往車型設計開發的經驗，駕駛艙儀表板總成在顛簸路面時常發生異響，而儀表板橫梁設計不合理是導致異響產生的重要因素之一。因此，本文利用有限元分析軟件，對儀表板橫梁進行模態分析，分析結果表明，文中的橫梁的一階模態為110 Hz，根據本公司內部的設計規范，模態符合設計要求。