浅述仪表板设计及其模态分析

崔金利

（江铃汽车股份有限公司 产品研发总院，江西 南昌 330001）

仪表板系统是整车内饰中最重要、最复杂的系统，其造型风格、外观质量以及所包含的功能配置直接影响整车内饰的品质[1]。仪表板系统通常包含仪表板总成、副仪表板总成、转向护罩总成等零部件。其中仪表板总成主要包含本体（软质、硬质）、前除霜风管、组合仪表罩、左下护板、杂物箱、左右侧饰板、风口、储物盒、装饰件等零件，其周边匹配零件较多，如前挡玻璃，前围钣金，A柱，转向护罩等，因此，本文针对仪表板系统，简单介绍其在设计开发过程中与周边件的匹配关系。

汽车的各种异响历来都是投诉榜的前排问题，对整车品质有极大的影响，在车辆开发前期，必须重视并尽快解决异响问题[2]。仪表板总成区域由于周边零件较多，因此，在路试耐久时经常出现异响问题，本文针对此情况，利用常用的有限元分析方法，在设计阶段就对仪表板总成进行模态分析，降低后续零件试制过程中出现异响问题的概率。

1 仪表板概述

仪表板按舒适性可分为硬质仪表板、软质仪表板。硬质仪表板其本体是注塑工艺制成并表面腐蚀皮纹，因其工艺简单、投资低等优势普遍用于中低档车。软质仪表板是在注塑骨架外吸附并黏结或在注塑时复合表皮，使其外观有皮质感，同时在骨架和表皮之间填充聚氨酯泡沫，吸塑表皮的背面也可以直接附带一层泡沫，这样既提高触感又增加吸收能量的能力[3]。目前表皮主要有真空热成形表皮和搪塑表皮，真空热成型表皮可分阳模真空吸附表皮和阴模真空吸附表皮，三种不同的表皮成型工艺优缺点如表1所示，由于阳模真空吸附成型工艺会使表皮皮纹深浅不一，外观不太接受，目前软质仪表板使用较多的是阴模真空吸附成型及搪塑工艺。

表1 三种不同成型工艺的性能

2 仪表板与周边件匹配设计要求

2.1 仪表板与A柱上饰板搭接关系

硬质仪表板与A柱上饰板的间隙一般定义为0.5 mm，软质仪表板与A柱上饰板的间隙可定义为0 mm。为确保仪表板与A柱上饰板匹配美观，一般仪表板上设计有限位插槽，A柱上饰板上至少有两个插片插入到仪表板对应插槽内，以便控制仪表板与A柱上饰板的Y向间隙，如图1(a)所示。A柱上饰板下端需要有一段直线段与仪表板搭接，且搭接深度至少6 mm，确保良好的匹配外观，如图1(b)所示。

图1 仪表板与A柱匹配关系

2.2 仪表板与前挡玻璃搭接关系

仪表板前端分模线与前挡玻璃的配合间隙L3一般为5～8 mm，为了密封与减震，仪表板前端需粘贴海绵，海绵尺寸L4推荐使用10 mm×10 mm，为保证海绵压缩后不被视线所看到，海绵粘贴区域要在仪表板分模线以下，且分模线到仪表板末端边界距离L1一般为15～18 mm。在仪表板分模线处，通常预留0.5 mm 的宽度，便于上下模具拼接方便[4]，降低分模线出现毛刺的风险。为防止异响，要求仪表板本体末端与前围钣金的配合间隙L2不小于6 mm，本公司规范推荐8 mm以上，如图2所示。

图2 仪表板与前挡玻璃匹配关系

2.3 仪表板与前围钣金匹配设计

仪表板前端搭接在前围钣金上，配合间隙保证在6 mm以上，防止干涉异响。本公司一般有两种类型的仪表板与前围钣金匹配结构。一种是用卡簧先卡在前围钣金上，仪表板上有插片，通过插片插入到卡簧上，控制Z向配合尺寸，而Y向尺寸放开，如图3(a)所示。另一种就是聚甲醛（Polyformaldehyde, POM）固定座，先与前围钣金上的销子固定，再与仪表板进行对接，如图3(b)所示。仪表板与前围钣金间支撑点要求分布合理，考虑公差累积影响，支撑点间距尽量控制在 300～400 mm，最好350 mm以下，应避免塑料件 和钣金件直接配合，否则容易造成塑料件的磨损。仪表板与前围钣金的配合结构尽量布置靠近仪表板前端，可见性好[5]，在装配时工人站在前舱外可以很方便地看到，以便指导模块安装工人操作，仪表板上配合结构Z向高度不要太高，以免形成悬臂梁结构，强度弱，难以装配到位。

图3 仪表板与前围钣金匹配关系

3 仪表板模态分析

3.1 有限元模态分析理论基础

模态是结构动态特性分析的基础，包括固有频率和振型，是振动系统的固有特性；对结构的动态响应、动载荷的产生和传播以及结构振动的形式等具有重要影响，在仪表板设计开发时进行模态分析，可以提前判断存在异响的可能性。作为具有有限个自由度的弹性系统，振动微分方程为

式中，M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵。为加速度向量；为速度向量；x(t)为位移向量；F(t)为作用在弹性体上的激励。

在无阻尼自由振动情况下，进行傅式变换可得

变换为特征方程：

式中，ω为系统固有频率；φ为系统振型。

3.2 有限元模态分析

将由 Catia创建的仪表板模型导入到Hypermesh有限元分析软件中进行3D网格划分，仪表板模型包含仪表板本体，管梁、手套箱，左、右端盖等，单元类型为六面体及四面体单元，单元尺寸为4 mm，单元总数为217786个，节点总数为216385个，零件材料及材料特性如表2所示，约束仪表板和管梁及车身所有固定点的6个自由度，通过Abaqus求解器进行求解，计算仪表板的模态，由图4可知，仪表板的一阶和二阶模态分别为45.3 Hz和51.2 Hz，满足公司标准仪表板自然频率不小于32 Hz的要求。

图4 仪表板一阶、二阶模态

表2 仪表板材料特性

4 结论

本文介绍了仪表板的分类，及软质仪表板搪塑工艺，阳模真空吸附和阴模真空吸附工艺的优缺点，并简要概述了仪表板与A柱上饰板、前挡玻璃、前围钣金等周边件的匹配设计要求，为后续车型开发提供可借鉴的经验。

根据零件试制过程常出现仪表板由于设计不合理而导致的异响问题，在零件设计开发过程中利用常用的有限元分析软件对某一仪表板进行模态分析，借助计算机技术提前验证仪表板设计的合理性，通过分析，零件的设计符合本公司标准要求，从而可减少相应的修模费用。