汽车仪表板横梁设计要点及刚度分析

2023-11-03邓清华廖程亮

南方农机 2023年22期

邓清华，廖程亮，孔飞

（江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心，江西南昌 330010）

随着汽车市场日益发展壮大，汽车内饰设计的好坏逐渐引起顾客的重视，而汽车仪表板横梁作为汽车内饰最重要的结构件之一，其主要作用是为仪表板、空调、中控屏、安全气囊、转向管柱和各类电器件等提供支撑[1-4]。因此，本文主要介绍横梁的主管梁及各种支架的结构设计要点，并利用有限元分析软件对其进行刚度分析，为后续横梁的设计开发提供依据。

1 仪表板横梁概述

仪表板横梁位于仪表板内部，为仪表板饰件、乘员侧安全气囊、转向管柱、线束等提供支撑，其由主管梁及各种支架焊接而成。主管梁是仪表板横梁的主体，是主要的支撑结构。支架包括左端板、右端板、转向管柱支架、接地支架以及各种电器安装支架等，具有连接横梁与车身、安装电器件的功能。仪表板横梁采用冲压和焊接工艺，冲压工艺主要由裁剪、落料、冲孔、切口、弯曲等工序组成，横梁各部件冲压成型后通过CO2气体保护焊接成型[5-7]。横梁材料主要为钢材，但随着技术的发展，为了实现汽车的轻量化设计，有些车型采用镁铝合金材料，但是价格较贵。仪表板横梁根据其材料和结构的类型，大致可分为钣金焊接型、塑料钣金混合型、镁铝合金压铸型（铝镁合金压铸型）和全塑料型横梁等。目前主流汽车上，大量采用钣金焊接型仪表板横梁，图1和图2分别为钢制横梁和镁铝合金横梁。

图1 钢制横梁

图2 镁铝合金横梁

2 仪表板横梁结构设计

2.1 横梁的定位安装策略

横梁一般在车身布置8～10个固定点，车身左右侧4个固定点，地板有2个或4个固定点，在前舱布置1～2个固定点。仪表板横梁一般选取YZ平面作为X向定位基准。横梁设计时，一般在左、右端板分别焊接主、辅定位销，按照左主右辅原则与车身定位进行设计[8]，定位销直径为13 mm～16 mm。紧固件的选择一般在左、右端板及转向管柱处使用M8螺栓，中间支撑支架选用M6螺栓。横梁上与前舱钣金相连的支架厚度一般为1.5 mm～2.5 mm，推荐料厚2.0 mm。横梁定位安装策略如图3所示。

图3 横梁定位安装策略

2.2 横梁主管梁设计

钢制横梁主管梁的材料通常采用20号钢材，在布置空间充足的情况下，尽量使用直管，如果不能满足相关性能要求，建议采用变直径的直管。如果因为空调等周边件布置要求不能使用直管，则可使用弯管，如图4和图5所示。横梁管径尽量选用标准的尺寸，如35 mm、42 mm、45 mm、50 mm、54 mm、60 mm等，管壁一般为1.5 mm～2.0 mm[9]。管梁焊接时焊缝数量多、焊缝长度长、焊接变形大，需控制焊缝数量和长度。设计仪表板横梁时，尽可能将焊缝对称于截面中心轴，这样能够使焊缝引起的挠曲变形相抵消；焊缝在管梁中间时的焊接变形最大，所以设计横梁时，尽量减少管梁中间部分的焊缝，并使横梁中间部分焊缝对称，这样会使横梁设计的刚性更好，结构更合理。

图4 直管

图5 弯管

2.3 仪表板横梁支架的结构设计

2.3.1 转向管柱安装支架结构设计

转向管柱布置在驾驶员侧，安装在仪表板横梁转向管柱安装支架上，为了避免转向管柱处产生共振异响，在转向管柱安装支架旁采用顶部支架与前围钣金用M8螺栓进行连接，支架的厚度为2.5 mm～3.0 mm，转向管柱常用4个M8螺栓与横梁转向管柱安装支架连接，如图6所示。横梁转向管柱处的布置要求如图7所示：①方向盘轮辐平面到主管梁中心的距离≤410 mm；②横梁中心到转向管柱中心的距离≤60 mm，以减少其转动惯量；③转向管柱前固定点到主管梁中心的距离≤150 mm；④转向管柱后固定点到主管梁中心的距离≤110 mm，仪表板横梁上转向管柱安装支架与主管梁采用CO2焊接[10]。

图6 转向管柱安装支架

图7 布置要求

2.3.2 仪表板横梁下部支架结构设计

在仪表板横梁下部支架即副驾驶侧安装手套箱处，目前横梁上手套箱处的支架与右中通道支架的配合有以下两种方式，第一种是悬臂式结构，如图8（a）所示，悬臂式中心距一般要求在150 mm以下，支架翻边的高度不小于5 mm，支架的壁厚为1.5 mm，通过CO2气体保护焊与右中通道支架焊接，焊缝数量为2，为保证支架有足够的刚度和强度，其上应做凸筋。第二种为封闭式结构，如图8（b）所示，支架的翻边高度为6 mm，支架的壁厚1.5 mm，与右中通道支架焊接，焊缝数量为2，由于封闭式支架的刚度较好，在设计中较为常见[11-13]。

图8 支架结构设计

2.3.3 保险丝盒支架结构设计

仪表板保险丝盒大部分会安装在横梁上，少部分安装在仪表板本体上。安装在横梁上的保险丝盒，其安装方式共有两种，如图9和图10所示，一种是保险丝盒自带安装支架，横梁提供保险丝盒安装支架的固定点，一般采用螺栓或者螺母紧固；另一种是横梁上做保险丝盒固定支架，单独为保险丝盒提供固定位置。横梁保险丝盒支架的料厚建议选择1 mm～1.5 mm，提供2～3个固定点。保险丝盒的定位应通过支架上定位销和孔的配合进行设计，单边预留间隙0.5 mm，一般的保险丝盒固定点数量为2～3个，紧固件为M6螺栓或者Φ4.2 mm的自攻螺钉。

图9 保险丝盒自带安装支架

图10 保险丝盒不带安装支架

2.3.4 横梁前端支架结构设计

横梁前端支架是对仪表板横梁的模态有重大影响的支架，所以需要在横梁前端增加一个固定支架与车身连接，支架厚度为2.0 mm～2.5 mm，如果固定在仪表板的零部件的重量超过1.5 kg（如音像、手套箱、安全气囊等），则必须固定在横梁支架上，支架厚度1 mm～1.2 mm，或者直接固定在车身钣金上。

3 仪表板横梁刚度分析

仪表板横梁为仪表板、空调、中控屏、安全气囊、转向管柱和各类电器件等提供支撑，其设计至关重要，否则在产品试制过程中会频繁出现横梁设计不合理导致的异响问题，需要拆卸整个仪表板总成进行分析，工作量巨大，因此在设计冻结前，仪表板横梁的刚度及强度需满足设计要求。将仪表板横梁模型导入有限元软件HyperMesh中，利用其强大的网格划分功能进行3D网格划分，本文设置网格类型为四边形壳单元，单元尺寸为4 mm，约束横梁与车身的所有连接点全部为6个自由度。本文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，所用材料相关参数如表1所示，计算横梁在20 N的外力作用下的变形量，要求其变形量不大于0.5 mm。横梁变形云图如图11所示，由图11可知，此横梁的最大变形量为0.431 4 mm，满足规范要求。