整车被动安全设计之仪表板设计

林祥辉 杨志刚 张路

极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司 浙江省宁波市 315336

1 前言

整车被动安全开发，主要有两大方面内容，一是整车耐撞性开发——这方面主要是车身结构的设计与改进；二是约束系统的开发——约束系统就是采用被动安全的设备对乘员进行防护。一般的，约束系统包含安全气囊、安全带、座椅系统、车内的转向系统、仪表板等。

车辆乘员约束系统包括车辆乘员所在空间的各种设备，座椅作为重量的主要承载体，坐垫需要设计成防下潜形式、导轨要坚固不滑脱、侧翼要够厚实以保证侧碰、头枕的设计要保证挥鞭伤等；安全气囊则需要与安全带配合一起作用，有安全气囊而前排人员不带安全带防护能力将会大幅降低；转向系统的配置，方向盘可以设置为铝镁合金骨架加柔软覆盖层，转向管柱设为可溃缩吸能结构；仪表板要进行头部碰撞区域与外凸的校核，覆盖层材质可用搪塑软质材料；膝部区域需要进行距离校核，对应区域内的零部件不要布置硬物，避免碰撞损伤；机舱的布置，刚性物考虑横向布置在一个区域内，为纵向溃缩腾出空间，这样可以减小前舱侵入导致约束系统失效或伤害的增加。

约束系统在于碰撞发生后，使乘员避免或减小与驾驶室内部组件发生二次碰撞的伤害。由上述内容可得，约束系统包含的内容很多，本文以仪表板为出发点，阐述仪表板设计在被动安全方面的诸多考量。

仪表板在某些企业简称为IP（Instrument panel），是内饰中其重要的系统件，与这个件相关的作用或要求有：法规校核、安全性、操作与功能性、舒适性、装饰性、NVH、气味等，开发仪表板需要有集成的能力，需要将各类问题融合到一起进行平衡。从整车安全的角度，我们首选软质仪表板，软质仪表板是在骨架外吸附/粘结或在注塑时复合软质材料，最外层是皮质外观材料，在骨架和表皮之间是软质缓冲材料，这个材料可以是填充的聚氨酯泡沫，也可以是吸塑在表皮背面的一层泡沫，这样的工艺既能保证良好的触感有能有吸能缓冲的被动安全性能（仪表板的被动安全性是指发生碰撞时，尽量减少对驾乘人员的伤害）。

另外，仪表板的被动安全性还包括：进出方便性、头部碰撞区域、内部凸出物、吸能材料与结构；主动安全性（是指保证驾驶时的方便与舒适，提高行车安全性）主要包含：前方视野、仪表板可视性、操作方便与舒适性。

1.2.3.4.5.6.7.8.9.9.1.9.2.1 被动安全性

1.1 前排人员的进出方便性

进出方便性虽然是人机校核这一部分的工作，但也涉及危机时刻人员外逃的方便性，这就要求，仪表板下端与车身底板之间要有足够的距离。细节方面：需要对仪表板下面的弧度、形状以及高度，按照95% 人体模型来校核；对于这个高度，工程师需要在日常项目开发中积累经验，确定经验值，一般的，对于轿车仪表板最下端与底板间距在300 ～380mm 之间。

1.2 吸能性能

提升仪表板的吸能性能有助于撞车时吸收能量，减轻前排驾乘人员损伤。从材料的角度说，仪表及其它车内饰都应采用软性材料，如图1 所示，尽量减少硬性材料的使用。

图1 软质仪表台

1.3 手套箱

在整车被动涉及方面，手套箱的设计涉及了三个方面：自身坚固性、空间与吸能。自身坚固性讲的是手套箱不可以在碰撞打开，已产生二次伤害；空间指的是人体腿部与手套箱外板的兼具，一般要求不低于100mm，这个是作为碰撞发生时的安全间距；吸能是指在手套箱内外盖板之间设置吸能件，这也要求内外版之间的间隙有25mm以上，这样才能使吸能装置布置下去，这种吸能装置普遍采用泡沫材料来吸能，也有用附带吸能特征的铁板结构。

1.4 头部碰撞区域和内部突出物

内部突出物和头部碰撞区域的相关法规内容在GB11552 里，碰撞区域校核方法请参看GB11552 或ECE R21 法规，在此不做详细的法规校核方法阐述。

头部碰撞区域可以理解为头部可碰区域，在此区域内只要是165mm 球头模型可接触到的表面都要求凸出物能满足法规要求(GB11552 与ECE R21 此处定义一致)，划分区域如图2 所示。黄色区域为可能碰撞区域，A、B、C 区域为免测试区域，红色线与A、C 线围成的区域为实际测试区域。依照法规规定，头部碰撞试验，实验用球头是以24.1km/h 的速度撞击IP 表面，要求“球头减速度超过80g 的持续时间不能超过3ms”，这一点将是IP 设计时的一个边界输入点。这个碰撞区域可采用软质材料、减薄材料增强柔性、结构优化降低刚度及避免不必要的加强筋及固定点来降低头部碰撞伤害。

图2 区域划分示意图

1.5 膝部护垫：

膝部护垫简单的理解为仪表板内部的缓冲装置，核心目的是减小发生碰撞时，膝盖的损伤。原理是碰撞发生时，人体前移，膝盖与护垫发生接触，护垫变形压缩、吸收冲击能量，减小对膝盖和大腿产生的冲击力，从而保护膝盖。

膝部护垫：结构上一般包含吸能支架和膝盖挡板。有些膝部护垫结构会在膝盖挡板内侧增加薄钣金件，一方面可以吸能、另一方面还可以保证总成件的刚度。膝盖挡板整体结构是与IP 本体一致且相融合的。

2 主动安全性

良好的视野、合理的操作按钮布置、驾驶室色彩的合理搭配，都有利于驾驶员保持最佳的身体状态，缩短紧急情况的反应时间，提高主动安全性。

2.1 仪表板可视性

仪表板的可视性主要指驾驶员观察仪表的动作，观察是在一瞬间完成，因此必须保证这个观察的方便性，基本要求是组合仪表不能被遮挡，布置的示意图如图3 所示。

图3 仪表板视野校核图

设计上的基本原则：

组合仪表不可以被遮挡，驾驶员的双眼均在可视范围内；

组合仪表布置的角度应满足与驾驶员的视角垂直（90°左右即可）；

组合仪表的高度位置，近可能在驾驶员的最佳下视角范围内（30°）；

仪表板的目视距离，普遍要求是在460 ～711mm 范围内。711mm 是最大视距距离, 最佳视距距离是550mm。组合仪表的视距也可以借鉴计算公式D ＝(1.2-1.5)L（L 是仪表板外廓长度）。当然，在实际项目开发过程中，人机校核的上述各参数不是孤立的，需要综合平衡来确定。

另外，不管是视野的校核还是其它方面，最基本的原则或要求就是满足法律法规。

2.2 组合仪表炫目

首先要分析眩目的来源：A、从前风窗玻璃照到组合仪表罩壳上，由仪表罩壳反射光线眼睛引起的眩目；B、从侧窗玻璃进入的光线入射到组合仪表罩壳上的反射光线；C、组合仪表自身的亮光，在夜间照射到前风窗玻璃引起的驾驶员眩目，相关的校核用95%的眼椭球来进行检验。相关的规避措施，核心点是组织光的反射与折射，要分析光的反射与折射路径，在其路径上加组合、反射表面的形状或曲率变化、组合仪表的深度尺寸变化等。

2.3 除霜除雾

法规《GB11555 汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》规定了车辆除霜除雾的性能要求。除霜指标（试验开始后的一段时间内）：20min 内，A 区不低于80%面积的霜除净；25min 内，A’区的至少80% 面积的霜除净；40min 内，将B 区的至少95% 面积的霜除净。除雾指标（试验开始后的一段时间内）：10min 内，将A区至少90% 和B 区至少80% 面积上的雾除净。除霜除雾的性能优劣由PTC 功率、出风管路走向、管路密封设计、鼓风机以及出风口的设计所制约，对于仪表板的出风格栅，可以参照以下图4 方法。

图4 仪表板出风口布置

一般的，要求：L3 ≥2×L4，风的流向与前风档的角度α 角一般为20 ～30°之间。而要定义除霜角度，我们还需定出风挡上的目标点，这个目标的确定示意图如下图5 所示。这个目标点的确定还需经过CAE 的流场分析作为手段进行校核。

图5 目标点确定示意图

2.4 操作件按重要度配置

操作件的布置，在总布置专业中叫做手申及界面校核，主要是为了方便驾驶员操作。基本原则是各种控制开关的位置，应尽可能安排在唾手可得之处。一般在H 点以上178-203mm 位置是手操纵的舒适点，这样驾驶员不必大幅度改变正常驾驶姿势即可方便操纵这些按钮，这也是行驶安全性不可缺少的条件。

布置操纵按钮的准则：

1）IP 上各种常用开关与按钮，应布置在手伸及界面内；

2）功能不同的开关应以方向盘为中心分开布置，以避免误操作；

3）在行驶中过程中，要操作仪表板上的各种开关和按钮，必须保证快捷方便，在布置上，需要保证这些操作件在方向盘中心各500mm 内；

4）尺寸大小适当，操纵力及操纵方式符合人机工程要求。

2.5 开关的布置分区情况：

开关的布置与分区示意如下图6 所示，可简单的分为A、B、C、的四个区域：

图6 开关布置位置示意图

A 区：驾驶员与副驾驶员的共用区域，中央控制板（副仪表板）。此区域一般布置驾驶员和副驾驶员都能操作的开关，主要是车机、空调、时钟等；不建议布置与行驶相关的重要开关，如启动按钮（启动按钮可布置在B 区域，最好在A 区）。对于危险警报开关可以布置在A 区域。对于大型车辆，如中卡/ 重卡，A 区域或A 与B 相交接的区域，这个位置的角度布置会偏向于驾驶员，以方便驾驶员操作。

B 区：主要是为驾驶员提供操作，必要时才由副驾驶操作。一般将雨刮类开关布置在此区域。

C 区：定义为只有驾驶员可操作的区域。布置与行驶直接相关而副驾驶员操作不到的开关。此位置一般布置点火开关、信号开关后视镜调节开关、灯光调节按钮等。

D 区：是A、B、C 区域以外的。此区域一般是车门玻璃升降操作开关、储物空间等，对于座椅条接的开关一般布置在各自的座椅上。

3 总结

整车安全开发涉及的开发内容及其广泛，文中以仪表板为例，详细阐述了仪表板在被动安全开发中的工作内容。分析内容涵盖结构设计、布置分析、法规要求等，分析内容全、参数数据多，为仪表板的被动安全涉及提供了参考依据。