張明，呂崇建，蔣志軍，張志剛，李隆欣

（北京汽車股份有限公司，北京 100300）

1　概述

1.1　前言

針對現(xiàn)下紛繁的汽車市場，廣大消費者對于購車的需求已不僅僅局限于其本身的實用操控性，對內(nèi)飾的感官舒適度的追求也越來越高，在整個內(nèi)飾中儀表板（Instrument Panel）則是不可或缺的一個重要模塊，其點綴駕駛艙的功能更是“畫龍點晴”的一筆，除此以外還具有如下功能：

√ 提供安裝副駕駛員氣囊、膝部氣囊等安全件載體，當(dāng)發(fā)生碰撞時，能有效保護車內(nèi)乘員安全。

√ 提供安裝方向盤、出風(fēng)口、手套箱、儀表、影音、導(dǎo)航等功能件載體，為乘員提供儲物、操縱、冷暖風(fēng)、娛樂及車輛行駛信息的功能。

1.2　分類（按工藝、表面材質(zhì)分類）

1.2.1硬質(zhì)儀表板

分為整體注塑（考慮降本與降重）和分體注塑（考慮分色），料厚一般為 3mm，材質(zhì) PP-EPDM-TD20，見圖1，注塑成型，適用于小型車等低端車型，不詳細介紹。

圖1　硬塑儀表板示意圖

1.2.2上軟下硬儀表板

如搪塑發(fā)泡、PVC包覆、陰模吸塑、TPO表皮、PU噴涂，見圖2、圖3，為增加觸感，骨架表面吸附一層1-1.2mm厚的PVC和2-5mm厚的無紡布，既實現(xiàn)軟硬及分色工藝，又有利于造型多樣化需求；搪塑發(fā)泡手感較好且成本適中，是目前中、高端車型的主流，也是本文重點闡述的內(nèi)容。

圖2　上軟下硬儀表板（左）搪塑發(fā)泡（中）pvc包覆（右）

圖3　TPO表皮（左）陰模吸塑（中）PU噴涂（右）

1.2.3軟質(zhì)儀表板

為凸顯高檔豪華，其表面包覆一層厚度為1-1.2mm真皮或帶背泡海綿，質(zhì)感及縫線有效提升車內(nèi)檔次感，見圖 4，但考慮原材料、加工、人工成本較高，僅豪華車采用，本文也不重點闡述。

圖4　軟質(zhì)儀表板（真皮包覆）示意圖

1.3　組成

某車型儀表板基本組成，見圖5。

圖5　某SUV儀表板分塊示意圖

1.4　儀表板開發(fā)流程

2　工程設(shè)計

2.1　技術(shù)方案

編制正向設(shè)計“技術(shù)方案”，是工程設(shè)計的重點，既能整體管控各零部件搭接形式，又能有效集成儀表板模塊化，減少開發(fā)風(fēng)險。

技術(shù)方案主要體現(xiàn)新造型的各零件搭接定位關(guān)系、模塊化設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)難點。為確保工程驗證和設(shè)計合理性，每個設(shè)計結(jié)構(gòu)都需要有充足的驗證及依據(jù)，遵循“模塊化設(shè)計，工程結(jié)構(gòu)少創(chuàng)新”。

以某款熱銷SUV車型為例，介紹一下儀表板開發(fā)過程。

一款新車型開發(fā)，都需經(jīng)過對標(biāo)某一款或幾款競爭車型（或標(biāo)桿車），進行拆解對標(biāo)，雖然新造型和標(biāo)桿車有很大區(qū)別，但成熟結(jié)構(gòu)、工藝、定位等參數(shù)盡量參考標(biāo)桿車，結(jié)合專家、CAE和供應(yīng)商資源，能有效降低設(shè)計風(fēng)險及DV驗證風(fēng)險，圖6、圖7為標(biāo)桿車與新造型儀表板、橫梁對比。

圖6　某參考車儀表板（左）、新造型（右）對比

圖7　某參考車橫梁(左-注塑鋁合金)、新橫梁(右-焊接鋼材)對比

2.1.1新橫梁考慮參考車注塑鋁合金成本高

采用低成本焊接鋼材替代，因車身鈑金形狀、固定點布置及數(shù)量變化不大，故新橫梁安裝點布局及數(shù)量參考樣車，見圖8。

定位機構(gòu)采用定位銷，為增加裝配導(dǎo)向，定位銷長度一般設(shè)計為55-70mm之間，推薦70mm，采用變直徑銷便于裝配導(dǎo)向，見圖9。

圖9　橫梁與車身定位點分布

2.1.2新造型儀表板分塊形式為上下分體

其本體與橫梁安裝采用螺栓固定，參考樣車布局，見圖10。

圖10　上下本體與橫梁安裝點及定位點分布

儀表板上下分體結(jié)構(gòu)形式是基于造型分色考慮，上下本體采用螺釘連接，考慮定位分布、控制外觀間隙合理性，兩安裝點間距一般為50-150mm之間，見圖11。

圖11　上下本體安裝點及定位點分布

上蓋板安裝與定位參考某車型，采用螺釘+卡扣連接，上蓋板兩個卡扣起到預(yù)安裝作用，考慮定位分布、控制外觀間隙合理性，兩安裝點間距一般為50-150mm之間，見圖12。

圖12　上蓋板安裝點及定位點分布

右面板安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖13。

圖13　右面板安裝點及定位點分布

左面板安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖14。

圖14　左面板安裝點及定位點分布

護膝板安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖15。

圖15　護膝板安裝點及定位點分布

側(cè)端蓋安裝與定位參考某車型，安裝方式及安裝點間距同上，見圖16。

圖16　側(cè)端蓋安裝點及定位點分布

2.1.3模塊化設(shè)計方案

技術(shù)難點在于所有裝在儀表板骨架上的包括電器元件、轉(zhuǎn)向管柱等零件集成一個模塊，滿足總裝效率高，各零件匹配精度高要求。模塊組件見圖17。

圖17　儀表板模塊組裝圖

2.1.4機械臂及模塊通過性設(shè)計方案

支撐銷與橫梁銷套配合尺寸見圖18，裝配驗證表明，支撐銷尺寸已趨于標(biāo)準(zhǔn)化。模塊裝配過程中與門洞距離≥80mm，避免裝配干涉。

圖18　機械臂及車門通過性示意圖

2.1.5儀表板與A柱上飾板配合形式

見圖19，在蓋板內(nèi)增設(shè)橡膠墊，其硬度為47-56 HD，利用橡膠墊彈性變形吸收裝配誤差。

圖19　A柱上飾板與儀表板設(shè)計斷面圖

2.1.6儀表板與A柱下飾板配合形式

見圖20，靠卡扣單邊結(jié)構(gòu)保證Z向間隙，靠限位筋結(jié)構(gòu)和卡緊力保證X向面差。

圖20　A柱下飾板與儀表板設(shè)計斷面圖

2.1.7儀表板前端與前風(fēng)擋、車身配合形式

儀表板前端與前風(fēng)擋玻璃預(yù)留5-6mm安裝間隙，部分車型采用兩道海綿密封，提高NVH性能。

為避免車輛在卵石路面行駛時產(chǎn)生異響，在定位銷或插片上貼0.3mm毛氈消除異響。

定位銷導(dǎo)向長度或插片長度25-30mm，取最大值增大導(dǎo)向，見圖21、圖22。

圖21　儀表板前端與車身、前風(fēng)擋結(jié)構(gòu)斷面圖

圖22　某車型車身前端支撐結(jié)構(gòu)案例（插片式）

2.1.8為避免前門護板與儀表板運動中產(chǎn)生干涉

儀表板與前門護板外觀間隙為4-6mm，推薦5mm，根據(jù)車型不同，部分SUV、MPV為8-10mm。見圖23。

圖23　儀表板與前門護板間隙圖

2.1.9主、副儀表板搭接技術(shù)方案

圖24　主、副儀表板搭接圖

采用插接結(jié)構(gòu)，有利于隱藏外觀間隙不均現(xiàn)象，個別SUV、MPV車型Y向外觀間隙為1mm，轎車通常為0.5mm，見圖24。

2.1.10氛圍燈設(shè)計方案

燈帶卡緊原理是利用卡座大半圓弧包住燈帶，以限制燈帶徑向竄動，創(chuàng)新技術(shù)難點在于大半圓弧與燈帶有效接觸包角 171°[1]和卡座的整體脫模。經(jīng)實車驗證，該包角可有效獲得較好的卡接力和防脫落效果，見圖25、圖26。

圖25　手套箱、護膝板上部氛圍燈分布及安裝點布置圖

圖26　氛圍燈結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面圖

2.1.11儀表板端蓋與前門框密封條配合形式

見圖27，密封條根部與端蓋間隙A為3-4mm，推薦經(jīng)驗值3mm；端蓋與唇邊搭接量C≥6mm。唇邊變形后與側(cè)板根部≥3mm。

圖27　儀表板與前門密封條搭接示意圖

2.2　主斷面

主斷面作用是分析造型是否成立，同時指導(dǎo)后期工藝數(shù)模制作。

關(guān)鍵斷面有3個，見圖28，分別是序號1、2、3。同時增加若干個輔助結(jié)構(gòu)斷面，以反映各功能件、底盤及電器件不同位置結(jié)構(gòu)搭接形式。

主斷面主要反映如下信息：

√ 儀表板各零件搭接關(guān)系；

√ 人機、法規(guī)、功能、工藝校核；

√ 外觀各零件間隙、面差、圓角；

√ 零件材料、拔模方向及角度、分模線；

√ 總裝工藝、工具空間、運動件運動軌跡校核；

√ 與假人、車身、電器件、底盤操縱機構(gòu)和運動極限位置校核。

圖28　主斷面分布圖

輸入條件：

√ 整車配置功能定義；

√ 儀表板效果圖及CAS面初步分塊；

√ 滿足國、內(nèi)外相關(guān)法規(guī)，見附錄1；

√ DTS、色彩清單及脫模角度定義；

√ 總體人機、車身、電器布置、底盤操縱機構(gòu)布置、內(nèi)外飾密封邊界。

2.2.1駕駛員側(cè)縱向，見圖29：

圖29　駕駛員側(cè)縱向斷面圖

2.2.2儀表板中心縱向，見圖30：

圖30　儀表板中心斷面圖

2.2.3副駕駛員側(cè)縱向，見圖31：

圖31　副駕駛員側(cè)縱向斷面圖

2.3　工程可行性分析

儀表板造型分塊在內(nèi)外飾造型風(fēng)格上變化是最大的，周邊匹配零件的數(shù)量也最多，工程可行性分析越徹底，后期工藝數(shù)據(jù)及RP件驗證返工就越少。

工程可行性分析貫穿整個設(shè)計過程，從造型效果圖到3D數(shù)據(jù)凍結(jié)。主要包含如下幾部分：

√ 總體人機；

√ 工藝與結(jié)構(gòu)可行性分析；

√ 國內(nèi)外法規(guī)校核，見附錄1；

a）總體人機：

方向盤盲區(qū)及視野校核、前除霜、出風(fēng)口、手套箱，駕駛員腳部空間校核，詳見以下詳解。

b）工藝與結(jié)構(gòu)可行性分析：

搪塑發(fā)泡，表皮最小圓角要求R≥1mm，表皮厚度一般為 1-1.2mm，發(fā)泡層厚度一般為 8-12mm，最厚區(qū)域一般產(chǎn)生在帽檐處，封膠邊最小寬度≥3mm；

脫模要求，粗皮紋脫模角度≥6度，細皮紋≥3度，光板面≥1度，加強筋、斜頂、滑塊、抽芯≥0.5度?；瑝K運動空間≥1.7－2.5倍抽芯長度。

加強筋大端厚度取值 0.4t-0.6t，小端最小 0.8mm；一般取0.5t，高度≤3t，間距≥4t。

2.3.1方向盤盲區(qū)及視野校核

詳見SAE J1050規(guī)定，①要求組合儀表顯示區(qū)域應(yīng)100%可視，帽檐處是校核關(guān)鍵區(qū)域：②要求下視野滿足≥5°[2]，轎車一般取 6°；SUV為增大駕駛員視野，一般為 6-8°；推薦 8°，③方向盤手操作空間要求≥90mm；緊湊車型≥70mm，中大車型≥100mm，見圖32。

圖36　組合儀表下視野斷面圖

2.3.2前除霜布置

見圖37，布置關(guān)鍵點：①玻璃黑區(qū)與前風(fēng)擋沖擊點距離一般為100～200mm，SUV等車型取180-200mm；②出風(fēng)方向與前風(fēng)擋玻璃夾角α=18～25°，SUV等車型取23-25°；③除霜格柵應(yīng)布置在前下視野線下。

圖37　前除霜口布置斷面圖

2.3.3出風(fēng)口布置

上吹風(fēng)角度要達到95%頭部包絡(luò)上部150mm以上，下吹風(fēng)角度要至少吹到乘員H點以上120mm處，中間最大出風(fēng)角度吹到喉點，保證乘員乘坐舒適性；見圖38。單個出風(fēng)口有效出風(fēng)面積要求小型車＞4,200mm2，中大型車＞5,300mm2。

圖38　出風(fēng)口吹風(fēng)角度布置示意圖

2.3.4駕駛員腳部空間

為保證腳部運動空間，踵點與護膝板下邊界Z向高度，轎車≥310mm，SUV、MPV等車型≥320mm，推薦330mm左右，見圖39。

圖39　踵點與護膝板的Z向空間

2.3.5手套箱布置及運動校核

圖40　手套箱布置及運動曲線示意圖

2.3.6其余結(jié)構(gòu)設(shè)計

箱斗底部開有漏液孔以防積液，見圖41，手套箱扣手的手操作空間A、B均需滿足人機要求，推薦經(jīng)驗值25mm。

圖41　漏水孔及手操作空間示意圖

2.4　性能分析

儀表板不僅起到裝飾作用，同時在行車中保護乘員安全性作用，主要涉及前除霜、吹面、駕駛員小腿保護、副駕駛員頭部保護、吸音降噪、方向盤一階振動模態(tài)。

2.4.1前除霜

根據(jù)GB 11555-2009要求，結(jié)合空調(diào)出風(fēng)流量，設(shè)計時對側(cè)除霜及前除霜進行流量及百分比分配，見圖42，經(jīng)多次CFD分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，除霜除霧滿足法規(guī)要求。流速分布見圖43。

圖42　前、側(cè)除霜口流量及百分比

2.4.2側(cè)除霜

經(jīng)CFD分析左、右側(cè)視野區(qū)在15分鐘內(nèi)完成除霜，滿足目標(biāo)要求，見圖44。

2.4.3吹面風(fēng)道

吹面風(fēng)道各出風(fēng)口的流量分配比，分3種形式：1:1:1:1、1:2:2:1、2:1:1:2；本車型采用2:1:1:2，經(jīng)CFD分析流量分配較合理，見圖45。

圖45　各出風(fēng)口流量分配比及風(fēng)道速度流線圖

2.4.4駕駛員小腿保護

根據(jù)附錄1中GB-11551-2014和ECE R94要求，以腳踝為中心R265～R437半徑區(qū)域內(nèi)設(shè)計碰撞緩沖結(jié)構(gòu)，見圖52；或加裝緩沖塊、膝部氣囊起到保護小腿的作用，見圖46、圖47。

圖46　護膝板內(nèi)部緩沖區(qū)域

圖47　膝部保護措施參考車型

2.4.5副駕駛員頭部碰撞

在副駕駛員頭部碰撞區(qū)內(nèi)，造型圓角 R＞2.5mm，見圖48，且要滿足吸能要求，涉及到出風(fēng)口葉片、電器按鍵具體要求詳見GB11552-2009。

圖48　頭部碰撞區(qū)及加速度曲線示意圖

2.4.6吸音降噪

為提升NVH性能，通常在手套箱后部粘貼厚度10-20mm廢紡氈、擋腳板處粘貼吸音棉，以吸收空調(diào)運轉(zhuǎn)發(fā)出的噪聲。為滿足吸音降噪要求，棉氈材料性能需達到特定要求，見圖49，圖50。

圖50　手套箱背面貼廢紡氈、副駕駛員擋腳板貼吸音棉

為減少空調(diào)管路風(fēng)燥，同時避免風(fēng)管表面產(chǎn)生冷凝水，

考慮在風(fēng)管表面包覆一層3-5mm開孔海綿，見圖51。

圖51　吹面風(fēng)管表面包覆海綿

2.4.7方向盤一階振動模態(tài)

裝有方向盤、轉(zhuǎn)向管柱的橫梁總成，整體一階模態(tài)范圍35～52Hz，橫梁結(jié)構(gòu)剛性越強，整體一階模態(tài)越大，可有效避開共振頻率，見圖52。

圖52　儀表板橫梁CAE仿真及臺架試驗

2.5　拆裝維修性

2.5.1保險絲覆蓋區(qū)域與檢修口邊界要＞5mm

便于手操保險絲更換空間，考慮陽光傳感器拆裝空間，該空間要滿足L＞L1，見圖53。

圖53　保險絲盒手操空間（左）、陽光傳感器手操空間（右）

2.5.2空調(diào)濾芯維修更換

需拆掉手套箱后進行，要求濾芯包絡(luò)與儀表板下本體開口周邊距離（A、B）要＞10mm；安裝PAB固定螺栓，工具空間校核，要求套筒（Φ28mm）套筒與周邊件最小距離 G＞20mm，見圖54。

圖54　空調(diào)濾芯維修空間（左）、PAB固定螺栓工具空間（右）

2.6　結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.6.1設(shè)計原則

√ 用定位、局部限位結(jié)構(gòu)保證外觀間隙、面差；

√ 安裝結(jié)構(gòu)須采用現(xiàn)有成熟結(jié)構(gòu)；

√ 端蓋、堵蓋便于拆裝（開設(shè)拆卸槽）；

√ 盡量減少滑塊、斜頂、抽芯數(shù)量；

√ 同類型標(biāo)準(zhǔn)件、非標(biāo)準(zhǔn)件盡量從庫里統(tǒng)一，如卡扣、螺栓或螺釘；

√ 開模具前RP件驗證裝配可行性；

√ 儲物箱設(shè)有漏水孔以防積液；

√ 輕量化設(shè)計（局部減薄、挖孔）；

√ 美化外觀（分模線盡量放在外觀圓角下，BOSS柱或卡扣座根部減薄處理）；

√ 提高裝配效率（設(shè)有預(yù)安裝結(jié)構(gòu)）。

2.6.2輸入條件

√ DTS；

√ 主斷面；

√ A面；

√ 相關(guān)周邊件；

√ 裝配流程；

√ 設(shè)計方案；

√ 篇幅有限，不在詳細闡述；

√ 案例1火山口設(shè)計，案例2輕量化設(shè)計，案例3預(yù)安裝設(shè)計，見圖55。

圖55　火山口（左）、局部掏空（中）、預(yù)安裝（右）

結(jié)束語

總結(jié)以上模塊化案例及工程結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，模塊化裝配能有效縮短主線長度，降低總裝線投入成本，同時裝車充分驗證的工程結(jié)構(gòu)，作為標(biāo)準(zhǔn)模塊，以指導(dǎo)后續(xù)開發(fā)項目。

附錄1 國、內(nèi)外相關(guān)法規(guī)項

[1] 張明.一種汽車儀表板的氛圍燈安裝結(jié)構(gòu)及汽車.CN201420565 638.實用新型專利.2015.CN201420565638, Utility model patent,2015.

[2] 任金東.汽車人機工程學(xué).北京.北京大學(xué)出版社.2010.