汽车仪表板横梁设计及模态分析

高伟伟

（江西五十铃有限公司 产品开发技术中心，江西 南昌 330001）

随着国内汽车市场的不断发展壮大，汽车作为一种常见的交通工具已广泛存在于普通消费者家庭，在竞争日益激烈的汽车市场中，汽车内饰设计得到越来越多消费者的关注。仪表板横梁作为汽车内饰最重要的结构件之一，其为仪表板本体、空调、中控屏、安全气囊、转向管柱、空调风道和各类电器件等内饰件提供支撑支架[1]，因此，仪表板横梁需要有足够的刚度来抵抗安装在其内饰件的重力以及外力所带来的变形[2]，同时又需要其模态能够避开来自路面和发动机所带来的振动，防止发生共振现象。文章简述了横梁在设计开发过程中一些关键的设计参数，并通过有限元分析软件对其进行模态分析，为以后的开发提供依据和参考价值。

1 仪表板横梁结构设计

1.1 仪表板横梁作用

仪表板横梁的主要作用包括：1）仪表板饰件及其附件、安全气囊、转向管柱、空调箱、线束等零部件提供支撑；2）模块化仪表板总成装配过程中的辅助夹具和定位支承件；3）直接与车身相连，承受所支承和连接零部件传递的载荷，对乘员的安全性有较大影响。

主流的仪表板横梁一般采用钢制材料，中心管使用无缝钢管或焊接钢管，横梁的支架根据强度或厚度需要，可选择冷轧或热轧钢板。汽车仪表板横梁常用材料有Q215、Q235、DC01、DC02、冷轧碳钢薄板（Steel Galvanized Cold Common,SPCC）等，其中SPCC 防锈性能好，但是价格较贵[3]。仪表板横梁一般由主副管梁以及各种安装支架焊接而成，主管梁按结构可以分为直管和弯管，直管加工简单，制造公差容易控制，有利于碰撞试验，应尽可能设计成直管，如图1、图2 所示。若因空调箱等周边件的影响无法布置成直管，则应设计成弯管。仪表板横梁比较常用的防锈处理方式有电泳黑漆、喷涂黑漆、涂防锈油，其中电泳黑漆效果比较理想；但电泳黑漆单件成本最高，涂防锈油成本最低。

图1 仪表板横梁（直管）

图2 仪表板横梁（弯管）

1.2 仪表板横梁主管梁设计

横梁主管梁材料通常采用20 号钢材，一般由两个预制圆管通过CO2气体保护焊接而成，如图3 所示。由于主管梁在驾驶员侧有转向管柱，对其噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能要求较高，因此，该预制构件1的直径较大，一般为65～80 mm，管壁一般为1.5～2.0 mm。预制构件2 的直径可为40～50 mm，管壁为1.2～1.5 mm。横梁主管梁支撑着副驾驶安全气囊，通过安装气囊支架对两者进行固定，且与副驾驶侧安全气囊的距离应为25～50 mm，以保证气囊有足够的安装操作空间，如图4 所示。

图3 主副管梁

图4 主管梁与PAB 的距离

1.3 仪表板横梁支架设计

仪表板横梁支架必须包含端头支架，顶部支架以及接地支架与车身钣金螺栓连接，以保证其自身有足够的强度，同时还需包含转向管柱安装支架，各种电器安装支架等。其冲压方向必须与仪表板横梁上仪表板骨架定位梢的插入方向保持一致。横梁支架厚度一般设计为1.2～1.6 mm，材料一般选择DC01，端头支架上一般布置三个X向M8 螺栓以及一个Y向M8 螺栓，并将横梁固定在车身上，且四个螺栓应布置在主管梁直径外50 mm区域内，且端头支架上应有仪表板骨架定位槽以及仪表板系统装配过程中的机械臂定位槽，如图5所示。端头支架一端与仪表板横梁主管梁焊接，Y向的螺栓配合长度可调节的螺母，用以吸收Y向的装配公差。

图5 端头支架螺栓布置形式及定位槽开口形式

由于转向管柱需与仪表板横梁（Cross Car Beam, CCB）上的支架固定连接，为了提升转向管柱的NVH 性能，在转向管柱安装支架旁需有顶部支架与前围钣金用M8 的螺栓进行连接，且顶部支架需布置在转向管柱中心上Y向+/-100 mm 范围内，一般尽可能布置在转向管柱中心线位置上，保证转向管柱处无异响产生。

仪表板横梁上转向管柱安装支架与主管梁采用CO2焊接，支架截面如图6 所示，转向管柱支架上的安装面与主管梁中心线的距离为 60～70 mm，便于减小其转动惯量。转向管柱安装螺栓应以CCB 中心线对称布置，支架翻边高度至少为20 mm，以确保支架有足够的刚度和强度。

图6 转向管柱安装支架

仪表板横梁除了通过两侧端头支架及转向管柱处顶部支架与车身连接外，还需要通过中间的接地支架与中央通道钣金连接，如图7 所示。一般接地支架左右各一个，且通过M6 或M8 的螺栓连接固定，其中线距离主管梁的中心线最大不超过150 mm。

图7 接地支架

2 仪表板横梁模态分析

根据以往经验，路试时发生仪表板异响的情况时有发生，原因为仪表板系统的振动频率与发动机舱的频率接近从而产生共振异响。一旦出现这种情况，一般都需要将整个仪表板系统从车身上拆除，并进行具体分析，返工工作量大，因此，有必要在数据设计开发时，对其仪表板横梁进行模态分析。

2.1 模态分析理论

模态分析是研究结构动力特性的一种近似方法，其研究机械结构的固有振动特性，包括固有频率和振型。模态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。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；x˙˙(t) 为加速度向量；x˙(t) 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

变换为特征方程可得

式中，ω为系统固有频率；φ为系统振型。

2.2 有限元分析

将仪表板横梁模型导入常用有限元软件HyperMesh 中，利用其强大的网格划分功能进行3D 网格划分，设置网格类型为四边形壳单元，单元尺寸为5 mm，在节约计算所需要时间的同时，能确保计算精度，如图8 所示。约束仪表板横梁与车身的所有连接点全部为六个自由度。仪表板横梁上多为CO2气体保护焊，使用刚性单元模拟二氧化碳保护焊，并且模型中所有的螺栓连接点都使用刚性单元模拟。仪表板横梁的主管梁材料为20 号钢，剩下的冲压件支架的材料为 DC01。在计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE）分析中，材料的密度取7 850 kg/m3，泊松比设置为0.28，弹性模量为2.1 GPa[4]，如表1 所示。根据以上有限元网格建模方法，此模型单元数为24 573 个，节点数为225 126 个。根据本公司内部规范要求，仪表板横梁一阶模态频率不小于100 Hz。仪表板横梁的一阶频率为110 Hz，满足本公司规范要求，如图9 所示。由于发动机怠速时引起的激振频率约为35 Hz，而汽车在正常行驶或以最高速度行驶时，发动机转速较高，激振频率一般大于100 Hz，因此，可避免仪表板横梁产生共振异响[5]。

图8 横梁的有限元模型

图9 横梁的一阶模态（110 Hz）

表1 仪表板横梁材料

3 结论

本文简要介绍了汽车仪表板横梁在设计开发过程中的一些重要设计参数，如主副管梁直径、厚度、支架厚度等，为后续车型横梁的设计提供了一定的参考。根据以往车型设计开发的经验，驾驶舱仪表板总成在颠簸路面时常发生异响，而仪表板横梁设计不合理是导致异响产生的重要因素之一。因此，本文利用有限元分析软件，对仪表板横梁进行模态分析，分析结果表明，文中的横梁的一阶模态为110 Hz，根据本公司内部的设计规范，模态符合设计要求。