基于高性能、平臺化的儀表板支架的架構(gòu)化研究和應用

關(guān)鍵詞：儀表板支架；平臺化；架構(gòu)化；輕量化；高性能；拓撲優(yōu)化；有限元模型

0引言

汽車儀表板支架是汽車駕駛艙重要的零部件，為儀表板總成和其他零件（如轉(zhuǎn)向管柱、空調(diào)、娛樂系統(tǒng)、組合儀表和乘客側(cè)氣囊等）提供安裝、支撐的架構(gòu)件，它與車身直接相連，承受、吸收并傳遞整車碰撞中的能量和載荷，是與乘員保護性能相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)。根據(jù)材料和制造工藝不同，儀表板支架大致可分為傳統(tǒng)鈑金焊接型、鎂合金壓鑄型[1]、鋁合金擠出沖壓型、全塑料型和混合型，本文主要闡述傳統(tǒng)鈑金焊接型的儀表板支架。

儀表板支架一般包含主管梁、儀表板連接支架、轉(zhuǎn)向管柱支架、車身連接支架，以及集成子系統(tǒng)安裝支架等（圖1）。儀表板支架采用沖壓和焊接工藝，沖壓工藝主要由剪裁、落料、沖孔、切口和彎曲等工序組成，橫梁各部件沖壓成型后通過CO2氣體保護焊接成型[2]。

整車儀表板支架受車身安裝接口變化、駕駛艙集成零件變化、儀表板造型變化影響，每新開1個車型需對應新開1種儀表板支架，因此公司歷史車型儀表板支架在庫種類59種。儀表板支架的頻繁新開造成開發(fā)成本極高、驗證周期長，且?guī)齑婕＞摺z具和焊具工裝無法共用，造成極大的浪費。公司提出非造型件的“架構(gòu)化”戰(zhàn)略，開發(fā)一種架構(gòu)儀表板支架，可以柔性接口車身變化，以及造型變化。可實現(xiàn)儀表板支架的最大化共用策略，實現(xiàn)7個月開發(fā)模式。

1儀表板支架的平臺化架構(gòu)

梳理歷史車型儀表板支架種類，減少種類做平臺化方案[3]。

1.1主管梁

主管梁作為儀表板支架的主要組件，在整個組件中起到主定位和支撐作用。其設(shè)計對平臺化至關(guān)重要，對模態(tài)、剛度也是起到關(guān)鍵作用，需要優(yōu)先統(tǒng)一管梁種類。但是主管梁受整車寬度、儀表板支架的轉(zhuǎn)向模態(tài)目標、線束安裝位置、駕駛艙出風口的布置、空調(diào)箱的布置、副氣囊的布置以及門洞密封面的布置等因素影響，要實現(xiàn)平臺化統(tǒng)一比較難，原因如下。

首先，管徑種類減少，保留2種管徑φ50.0mm、φ42.0mm，分別對應不同架構(gòu)下駕駛艙的布置空間及轉(zhuǎn)向模態(tài)的需求。

其次，保留2種管梁壁厚1.8mm、1.5mm，分別對應不同模態(tài)的需求，即管徑保留3種尺寸，φ50.0×1.8mm、φ50.0×1.5mm、φ42.0×1.5mm。

另外是主管梁形態(tài)，歷史在庫車型59種，管梁折彎種類12種，直管占63%。

為了能夠兼容不同人機駕駛H點的駕駛艙布置，主管梁采用彎管，折彎高度30.0-50.0mm，根據(jù)每個架構(gòu)的駕駛艙布置決定，既能滿足SUV/MPV高姿態(tài)的兩側(cè)風口的布置，又能兼容CAR的低姿態(tài)氣囊爆破安全距離的布置。CCB主管梁平臺化種類59種統(tǒng)一為4種（圖2）

1.2端板

端板作為主定位支架裝配在車身鈑金上，也是儀表板支架焊接工裝的主定位支架，對于儀表板支架是否可以滿足平臺化起到至關(guān)重要的作用。

影響端板平臺化的主要因素：座艙、非座艙的定義，門洞密封面的布置，駕駛艙風口的布置，IP造型。

座艙端板設(shè)計：端板安裝面到管梁圓心X向尺寸65.0mm，滿足不同門洞密封面對應的車身焊點尺寸要求，同時也滿足架構(gòu)CCB不同駕駛?cè)藱CH點的座艙裝配空間需求。

端板的平臺化，同時也實現(xiàn)了總裝裝配生產(chǎn)線座艙機械手的平臺化，減少新項目切換時座艙機械手改造的費用以及周期，同時減少員工在不同項目切換座艙機械手的工時（圖3）。座艙端板的平臺化同時也為焊接工裝的平臺化提供共用的焊接基準孔和基準面，同一架構(gòu)的不同車型在焊接總拼中焊接主工裝臺架共用，滿足造型更改支架的支基的快速切換模式（圖4）。

同時，通過CAE仿真拓撲優(yōu)化，增加4處加強結(jié)構(gòu)，提升端板的固有振動頻率，增加強度，提升模態(tài)。非座艙的端板，取消座艙吊耳，達到減重的目的。端板與管梁的搭接設(shè)計為U型倒扣結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)盒裝，加大與安裝面的過渡面，減少應力集中，提升端板的模態(tài)。并且通過CAE仿真拓撲優(yōu)化，增加亮條長的加強筋，提升端板的固有振動頻率，增加強度，提升端板支架本身模態(tài)及靜剛度[4]。

端板由46種統(tǒng)一為2種，分別對應座艙和非座艙安裝定義，且能滿足不同車型的布置需求和高模態(tài)需求（圖5）。

1.3轉(zhuǎn)向管柱支架組件

儀表板支架通過轉(zhuǎn)向管柱支架連接轉(zhuǎn)向管柱和方向盤。轉(zhuǎn)向管柱支架必須選用足夠的強度的材料，并設(shè)計足夠的結(jié)構(gòu)強度，預防結(jié)構(gòu)疲勞或屈服導致的緊固失效。同時，由管板、管梁和轉(zhuǎn)向管柱支架等組成的儀表板支架還需要具有一定的剛度，行駛時系統(tǒng)的固有頻率避開發(fā)動機怠速、風窗高頻激勵以及車輪擺振或車身振動等頻率區(qū)間，以滿足整車模態(tài)要求，防止共振，避免系統(tǒng)抖動、異響，防止方向盤振動［5］。

梳理歷史車型轉(zhuǎn)向管柱支架種類47種，每新設(shè)計1個支架，就需要重新計算剛度、強度等性能。影響轉(zhuǎn)向管柱平臺化的因素有：轉(zhuǎn)向管柱種類、不同車型駕駛?cè)藱CH點的不同、管梁的管徑。

為了能夠統(tǒng)一轉(zhuǎn)向管柱支架，轉(zhuǎn)向管柱支架設(shè)計為360°全包管梁結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)管柱支架隨著不同H點旋轉(zhuǎn)角度匹配不同盤心點的需求，轉(zhuǎn)向管柱支架模具共用。并且，全包結(jié)構(gòu)增加了轉(zhuǎn)向管柱支架的剛度，提升儀表板支架系統(tǒng)的模態(tài)，滿足NVH性能需求。轉(zhuǎn)向管柱支架設(shè)計一段平面，前隔板支架可以在平面內(nèi)滑動，前隔板支架可以根據(jù)管梁與前圍板的距離調(diào)整位置，兼容同一架構(gòu)不同平臺儀表板橫梁到前圍板不同距離差異，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱支架、前隔板支架模具共用。轉(zhuǎn)向管柱上支架與轉(zhuǎn)向管柱下支架相對位置設(shè)置成可移動，轉(zhuǎn)向管柱下支架可以根據(jù)轉(zhuǎn)向管柱安裝點的距離調(diào)整位置，適配不同尺寸的轉(zhuǎn)向管柱，實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)向管柱的轉(zhuǎn)向管柱支架的平臺化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱支架的模具共用（圖6）。

轉(zhuǎn)向管柱支架實現(xiàn)平臺化，由47種統(tǒng)一為3種轉(zhuǎn)向管柱支架（圖7）。

1.4前隔板支架

儀表板支架在車身布置8-10個固定點，車身左右4個點，地板2-4個點，前艙布置1-2個點。與前艙相連的支架為前隔板支架，作為與轉(zhuǎn)向管柱支架以及車身相連的支架，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度以及模態(tài)中起到非常重要的作用。因此前隔板支架的設(shè)計既要滿足平臺化的要求，也需要有足夠的強度和剛度。前隔板支架，歷史車型前隔板支架種類40種，影響到前隔板支架平臺化的因素：轉(zhuǎn)向管柱種類差異、管梁布置差異、駕駛?cè)藱CH點的差異，以及模態(tài)的差異。

通過上述統(tǒng)一管梁尺寸、統(tǒng)一轉(zhuǎn)向管柱種類、統(tǒng)一轉(zhuǎn)向管柱支架種類、設(shè)計可移動式的前隔板支架，實現(xiàn)前隔板的平臺化。前隔板支架種類保留2種。應用于D架構(gòu)的前隔板支架，呈現(xiàn)U型結(jié)構(gòu)且增加蓋板，整體呈現(xiàn)盒裝。板厚1.5mm，強度和模態(tài)加強，支架固有振動頻率提升，與發(fā)動機怠速振動頻率錯位，不易產(chǎn)生共振。前端與前圍鈑金固定，底部與轉(zhuǎn)向管柱支架焊接，這種結(jié)構(gòu)可強化轉(zhuǎn)向柱支架的承載能力，在車輛正面碰撞時將沖擊載荷有效潰縮吸收并傳導至管梁，再沿管梁傳導至車身側(cè)圍。頂部翻邊圓角朝上，座艙裝配時線束不易割線支架采用鏤空結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)以及底部附帶減重孔，可有效減重。尾部翻邊較寬，對稱布置U型加強筋，可增大此處強度，減少開裂。應用于M/C架構(gòu)不需要高模態(tài)需求，可以取消上端的蓋板，做到共用模具的基礎(chǔ)上減重。應用于S架構(gòu)的是C型結(jié)構(gòu)，上面鏤空設(shè)計以及多空位設(shè)計，實現(xiàn)減重的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)多模塊安裝的共用支架的要求，實現(xiàn)模塊支架減重的效果。

前隔板支架由40種統(tǒng)一為2種（圖8）。

1.5中間連接支架組件

作為與地板連接的中間連接支架，起到提升模態(tài)作用。在庫種類30種，影響地板連接支架種類的原因：地板差異、空調(diào)箱差異和副儀表板造型差異。設(shè)計一種中間連接支架，使用管梁打扁方案，既可以提升模態(tài)，又能滿足副儀表板造型需求。與地板連接的支架呈現(xiàn)系列化，適應不同地板高度。非座艙保留單條腿的支架，減重的基礎(chǔ)上提升模態(tài)。

地板連接支架由30種統(tǒng)一為2種（圖9）。

1.6其他支架平臺化

模塊支架，在庫種類52種，影響模塊支架種類的因素：掛在儀表板支架的模塊種類差異、不同駕駛艙布置差異、模塊相對于主管梁的差異。首先聯(lián)合外區(qū)域優(yōu)化掛在儀表板支架的模塊種類，統(tǒng)一模塊總布置，要求模塊不隨駕駛?cè)藱CH點的位置變更，將模塊支架平臺化。模塊支架種類單個架構(gòu)保留1種。最后的儀表板支架，是種類繁多又與造型密切關(guān)聯(lián)的支架，在庫種類456種。影響支架的因素有：儀表板造型差異、儀表板安裝點相對于管梁的差異。考慮到造型的不確定性，將儀表板支架設(shè)計為系列件，通過優(yōu)化支架的落料模、沖孔模，達到支架的模具共用化最高，減少支架種類，如無必要支架不新開。

2儀表板支架的平臺化布局

儀表板支架架構(gòu)完成平臺化布局，在設(shè)計單個平臺化支架時候，就同時兼顧支架的剛度、模態(tài)，整體儀表板支架的剛度、模態(tài)主要體現(xiàn)在儀表板支架的轉(zhuǎn)向模態(tài)。在架構(gòu)性能布局中，兼容了基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)的性能帶寬，D架構(gòu)搭載PHEV的高端車型，實現(xiàn)了儀表板支架性能的提升。儀表板支架轉(zhuǎn)向模態(tài)可以達到35Hz以上，滿足架構(gòu)PHEV混動架構(gòu)的開發(fā)目標。C架構(gòu)兼轉(zhuǎn)向模態(tài)達到32Hz以上，M架構(gòu)以及S架構(gòu)純電小車系列，轉(zhuǎn)向模態(tài)達到30Hz以上。

至此，儀表板支架布局完成平臺化方案。結(jié)合車身架構(gòu)的種類，按照D架構(gòu)、M架構(gòu)、S架構(gòu)和C架構(gòu)，布局儀表板支架的整體平臺化策略，儀表板支架整體種類由在庫59種，減少為4種（圖10）。

3結(jié)束語

將儀表板支架實現(xiàn)平臺化后，可以大大減少新項目的一次性工裝投資費用，增加新項目車型開發(fā)成本的潛在競爭力。從儀表板支架架構(gòu)搭建完成后，截至到目前，D架構(gòu)儀表板支架架構(gòu)落地項目4個，M架構(gòu)儀表板支架落地項目2個，S架構(gòu)落地項目2個，累計節(jié)省模具工裝費用約525萬元，累計節(jié)省焊具開發(fā)費用約240萬元。單個車型累計節(jié)省開發(fā)周期60天，為項目開發(fā)落地提供堅實的基礎(chǔ)。

目前主流車企主要使用傳統(tǒng)鈑金焊接型儀表板支架。鈑金焊接型支架具有明顯的價格及性能優(yōu)勢，對結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全性能非常有利，生產(chǎn)制造比較容易，且非常適合平臺化結(jié)構(gòu)方案。但隨著高端架構(gòu)的迭代，以及新型材料鋁合金、鎂合金以及超玻纖塑料的應用，后續(xù)高端架構(gòu)儀表板支架會朝著輕量化材料的應用方向研究。