汽車儀表板橫梁設計要點及剛度分析

鄧清華 ，廖程亮 ，孔 飛

（江西五十鈴汽車有限公司產品開發技術中心，江西 南昌 330010）

隨著汽車市場日益發展壯大，汽車內飾設計的好壞逐漸引起顧客的重視，而汽車儀表板橫梁作為汽車內飾最重要的結構件之一，其主要作用是為儀表板、空調、中控屏、安全氣囊、轉向管柱和各類電器件等提供支撐[1-4]。因此，本文主要介紹橫梁的主管梁及各種支架的結構設計要點，并利用有限元分析軟件對其進行剛度分析，為后續橫梁的設計開發提供依據。

1 儀表板橫梁概述

儀表板橫梁位于儀表板內部，為儀表板飾件、乘員側安全氣囊、轉向管柱、線束等提供支撐，其由主管梁及各種支架焊接而成。主管梁是儀表板橫梁的主體，是主要的支撐結構。支架包括左端板、右端板、轉向管柱支架、接地支架以及各種電器安裝支架等，具有連接橫梁與車身、安裝電器件的功能。儀表板橫梁采用沖壓和焊接工藝，沖壓工藝主要由裁剪、落料、沖孔、切口、彎曲等工序組成，橫梁各部件沖壓成型后通過CO2氣體保護焊接成型[5-7]。橫梁材料主要為鋼材，但隨著技術的發展，為了實現汽車的輕量化設計，有些車型采用鎂鋁合金材料，但是價格較貴。儀表板橫梁根據其材料和結構的類型，大致可分為鈑金焊接型、塑料鈑金混合型、鎂鋁合金壓鑄型（鋁鎂合金壓鑄型）和全塑料型橫梁等。目前主流汽車上，大量采用鈑金焊接型儀表板橫梁，圖1和圖2分別為鋼制橫梁和鎂鋁合金橫梁。

圖1 鋼制橫梁

圖2 鎂鋁合金橫梁

2 儀表板橫梁結構設計

2.1 橫梁的定位安裝策略

橫梁一般在車身布置8～10個固定點，車身左右側4個固定點，地板有2個或4個固定點，在前艙布置1～2個固定點。儀表板橫梁一般選取YZ平面作為X向定位基準。橫梁設計時，一般在左、右端板分別焊接主、輔定位銷，按照左主右輔原則與車身定位進行設計[8]，定位銷直徑為13 mm～16 mm。緊固件的選擇一般在左、右端板及轉向管柱處使用M8螺栓，中間支撐支架選用M6螺栓。橫梁上與前艙鈑金相連的支架厚度一般為1.5 mm～2.5 mm，推薦料厚2.0 mm。橫梁定位安裝策略如圖3所示。

圖3 橫梁定位安裝策略

2.2 橫梁主管梁設計

鋼制橫梁主管梁的材料通常采用20號鋼材，在布置空間充足的情況下，盡量使用直管，如果不能滿足相關性能要求，建議采用變直徑的直管。如果因為空調等周邊件布置要求不能使用直管，則可使用彎管，如圖4和圖5所示。橫梁管徑盡量選用標準的尺寸，如35 mm、42 mm、45 mm、50 mm、54 mm、60 mm等，管壁一般為1.5 mm～2.0 mm[9]。管梁焊接時焊縫數量多、焊縫長度長、焊接變形大，需控制焊縫數量和長度。設計儀表板橫梁時，盡可能將焊縫對稱于截面中心軸，這樣能夠使焊縫引起的撓曲變形相抵消；焊縫在管梁中間時的焊接變形最大，所以設計橫梁時，盡量減少管梁中間部分的焊縫，并使橫梁中間部分焊縫對稱，這樣會使橫梁設計的剛性更好，結構更合理。

圖4 直管

圖5 彎管

2.3 儀表板橫梁支架的結構設計

2.3.1 轉向管柱安裝支架結構設計

轉向管柱布置在駕駛員側，安裝在儀表板橫梁轉向管柱安裝支架上，為了避免轉向管柱處產生共振異響，在轉向管柱安裝支架旁采用頂部支架與前圍鈑金用M8螺栓進行連接，支架的厚度為2.5 mm～3.0 mm，轉向管柱常用4個M8螺栓與橫梁轉向管柱安裝支架連接，如圖6所示。橫梁轉向管柱處的布置要求如圖7所示：①方向盤輪輻平面到主管梁中心的距離≤410 mm；②橫梁中心到轉向管柱中心的距離≤60 mm，以減少其轉動慣量；③轉向管柱前固定點到主管梁中心的距離≤150 mm；④轉向管柱后固定點到主管梁中心的距離≤110 mm，儀表板橫梁上轉向管柱安裝支架與主管梁采用CO2焊接[10]。

圖6 轉向管柱安裝支架

圖7 布置要求

2.3.2 儀表板橫梁下部支架結構設計

在儀表板橫梁下部支架即副駕駛側安裝手套箱處，目前橫梁上手套箱處的支架與右中通道支架的配合有以下兩種方式，第一種是懸臂式結構，如圖8（a）所示，懸臂式中心距一般要求在150 mm以下，支架翻邊的高度不小于5 mm，支架的壁厚為1.5 mm，通過CO2氣體保護焊與右中通道支架焊接，焊縫數量為2，為保證支架有足夠的剛度和強度，其上應做凸筋。第二種為封閉式結構，如圖8（b）所示，支架的翻邊高度為6 mm，支架的壁厚1.5 mm，與右中通道支架焊接，焊縫數量為2，由于封閉式支架的剛度較好，在設計中較為常見[11-13]。

圖8 支架結構設計

2.3.3 保險絲盒支架結構設計

儀表板保險絲盒大部分會安裝在橫梁上，少部分安裝在儀表板本體上。安裝在橫梁上的保險絲盒，其安裝方式共有兩種，如圖9和圖10所示，一種是保險絲盒自帶安裝支架，橫梁提供保險絲盒安裝支架的固定點，一般采用螺栓或者螺母緊固；另一種是橫梁上做保險絲盒固定支架，單獨為保險絲盒提供固定位置。橫梁保險絲盒支架的料厚建議選擇1 mm～1.5 mm，提供2～3個固定點。保險絲盒的定位應通過支架上定位銷和孔的配合進行設計，單邊預留間隙0.5 mm，一般的保險絲盒固定點數量為2～3個，緊固件為M6螺栓或者Φ4.2 mm的自攻螺釘。

圖9 保險絲盒自帶安裝支架

圖10 保險絲盒不帶安裝支架

2.3.4 橫梁前端支架結構設計

橫梁前端支架是對儀表板橫梁的模態有重大影響的支架，所以需要在橫梁前端增加一個固定支架與車身連接，支架厚度為2.0 mm～2.5 mm，如果固定在儀表板的零部件的重量超過1.5 kg（如音像、手套箱、安全氣囊等），則必須固定在橫梁支架上，支架厚度1 mm～1.2 mm，或者直接固定在車身鈑金上。

3 儀表板橫梁剛度分析

儀表板橫梁為儀表板、空調、中控屏、安全氣囊、轉向管柱和各類電器件等提供支撐，其設計至關重要，否則在產品試制過程中會頻繁出現橫梁設計不合理導致的異響問題，需要拆卸整個儀表板總成進行分析，工作量巨大，因此在設計凍結前，儀表板橫梁的剛度及強度需滿足設計要求。將儀表板橫梁模型導入有限元軟件HyperMesh中，利用其強大的網格劃分功能進行3D網格劃分，本文設置網格類型為四邊形殼單元，單元尺寸為4 mm，約束橫梁與車身的所有連接點全部為6個自由度。本文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，所用材料相關參數如表1所示，計算橫梁在20 N的外力作用下的變形量，要求其變形量不大于0.5 mm。橫梁變形云圖如圖11所示，由圖11可知，此橫梁的最大變形量為0.431 4 mm，滿足規范要求。

表1 儀表板橫梁材料參數

圖11 橫梁變形云圖

4 結論

1）儀表板橫梁是支撐儀表板及其上面電器件的重要零部件，本文介紹了橫梁的結構設計要點，并分析了主管梁及焊接在其上的各種支架在設計開發過程中的相關參數，可為后續車型橫梁的設計提供一定的參考。

2）儀表板橫梁的剛度對其性能有重要影響，本文利用有限元分析軟件，分析橫梁在20 N的外力作用下的變形量，分析結果表明此橫梁的最大變形量為0.431 4 mm，小于規范規定的0.5 mm，滿足設計要求，說明此橫梁設計合理。