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        汽車(chē)儀表板橫梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)及剛度分析

        2023-11-03 08:49:16鄧清華廖程亮
        南方農(nóng)機(jī) 2023年22期
        關(guān)鍵詞:固定點(diǎn)保險(xiǎn)絲儀表板

        鄧清華 ,廖程亮 ,孔 飛

        (江西五十鈴汽車(chē)有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心,江西 南昌 330010)

        隨著汽車(chē)市場(chǎng)日益發(fā)展壯大,汽車(chē)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的好壞逐漸引起顧客的重視,而汽車(chē)儀表板橫梁作為汽車(chē)內(nèi)飾最重要的結(jié)構(gòu)件之一,其主要作用是為儀表板、空調(diào)、中控屏、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱和各類(lèi)電器件等提供支撐[1-4]。因此,本文主要介紹橫梁的主管梁及各種支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn),并利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行剛度分析,為后續(xù)橫梁的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

        1 儀表板橫梁概述

        儀表板橫梁位于儀表板內(nèi)部,為儀表板飾件、乘員側(cè)安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱、線(xiàn)束等提供支撐,其由主管梁及各種支架焊接而成。主管梁是儀表板橫梁的主體,是主要的支撐結(jié)構(gòu)。支架包括左端板、右端板、轉(zhuǎn)向管柱支架、接地支架以及各種電器安裝支架等,具有連接橫梁與車(chē)身、安裝電器件的功能。儀表板橫梁采用沖壓和焊接工藝,沖壓工藝主要由裁剪、落料、沖孔、切口、彎曲等工序組成,橫梁各部件沖壓成型后通過(guò)CO2氣體保護(hù)焊接成型[5-7]。橫梁材料主要為鋼材,但隨著技術(shù)的發(fā)展,為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì),有些車(chē)型采用鎂鋁合金材料,但是價(jià)格較貴。儀表板橫梁根據(jù)其材料和結(jié)構(gòu)的類(lèi)型,大致可分為鈑金焊接型、塑料鈑金混合型、鎂鋁合金壓鑄型(鋁鎂合金壓鑄型)和全塑料型橫梁等。目前主流汽車(chē)上,大量采用鈑金焊接型儀表板橫梁,圖1和圖2分別為鋼制橫梁和鎂鋁合金橫梁。

        圖1 鋼制橫梁

        圖2 鎂鋁合金橫梁

        2 儀表板橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 橫梁的定位安裝策略

        橫梁一般在車(chē)身布置8~10個(gè)固定點(diǎn),車(chē)身左右側(cè)4個(gè)固定點(diǎn),地板有2個(gè)或4個(gè)固定點(diǎn),在前艙布置1~2個(gè)固定點(diǎn)。儀表板橫梁一般選取YZ平面作為X向定位基準(zhǔn)。橫梁設(shè)計(jì)時(shí),一般在左、右端板分別焊接主、輔定位銷(xiāo),按照左主右輔原則與車(chē)身定位進(jìn)行設(shè)計(jì)[8],定位銷(xiāo)直徑為13 mm~16 mm。緊固件的選擇一般在左、右端板及轉(zhuǎn)向管柱處使用M8螺栓,中間支撐支架選用M6螺栓。橫梁上與前艙鈑金相連的支架厚度一般為1.5 mm~2.5 mm,推薦料厚2.0 mm。橫梁定位安裝策略如圖3所示。

        圖3 橫梁定位安裝策略

        2.2 橫梁主管梁設(shè)計(jì)

        鋼制橫梁主管梁的材料通常采用20號(hào)鋼材,在布置空間充足的情況下,盡量使用直管,如果不能滿(mǎn)足相關(guān)性能要求,建議采用變直徑的直管。如果因?yàn)榭照{(diào)等周邊件布置要求不能使用直管,則可使用彎管,如圖4和圖5所示。橫梁管徑盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的尺寸,如35 mm、42 mm、45 mm、50 mm、54 mm、60 mm等,管壁一般為1.5 mm~2.0 mm[9]。管梁焊接時(shí)焊縫數(shù)量多、焊縫長(zhǎng)度長(zhǎng)、焊接變形大,需控制焊縫數(shù)量和長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)儀表板橫梁時(shí),盡可能將焊縫對(duì)稱(chēng)于截面中心軸,這樣能夠使焊縫引起的撓曲變形相抵消;焊縫在管梁中間時(shí)的焊接變形最大,所以設(shè)計(jì)橫梁時(shí),盡量減少管梁中間部分的焊縫,并使橫梁中間部分焊縫對(duì)稱(chēng),這樣會(huì)使橫梁設(shè)計(jì)的剛性更好,結(jié)構(gòu)更合理。

        圖4 直管

        圖5 彎管

        2.3 儀表板橫梁支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.3.1 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        轉(zhuǎn)向管柱布置在駕駛員側(cè),安裝在儀表板橫梁轉(zhuǎn)向管柱安裝支架上,為了避免轉(zhuǎn)向管柱處產(chǎn)生共振異響,在轉(zhuǎn)向管柱安裝支架旁采用頂部支架與前圍鈑金用M8螺栓進(jìn)行連接,支架的厚度為2.5 mm~3.0 mm,轉(zhuǎn)向管柱常用4個(gè)M8螺栓與橫梁轉(zhuǎn)向管柱安裝支架連接,如圖6所示。橫梁轉(zhuǎn)向管柱處的布置要求如圖7所示:①方向盤(pán)輪輻平面到主管梁中心的距離≤410 mm;②橫梁中心到轉(zhuǎn)向管柱中心的距離≤60 mm,以減少其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;③轉(zhuǎn)向管柱前固定點(diǎn)到主管梁中心的距離≤150 mm;④轉(zhuǎn)向管柱后固定點(diǎn)到主管梁中心的距離≤110 mm,儀表板橫梁上轉(zhuǎn)向管柱安裝支架與主管梁采用CO2焊接[10]。

        圖6 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架

        圖7 布置要求

        2.3.2 儀表板橫梁下部支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        在儀表板橫梁下部支架即副駕駛側(cè)安裝手套箱處,目前橫梁上手套箱處的支架與右中通道支架的配合有以下兩種方式,第一種是懸臂式結(jié)構(gòu),如圖8(a)所示,懸臂式中心距一般要求在150 mm以下,支架翻邊的高度不小于5 mm,支架的壁厚為1.5 mm,通過(guò)CO2氣體保護(hù)焊與右中通道支架焊接,焊縫數(shù)量為2,為保證支架有足夠的剛度和強(qiáng)度,其上應(yīng)做凸筋。第二種為封閉式結(jié)構(gòu),如圖8(b)所示,支架的翻邊高度為6 mm,支架的壁厚1.5 mm,與右中通道支架焊接,焊縫數(shù)量為2,由于封閉式支架的剛度較好,在設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)[11-13]。

        圖8 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.3.3 保險(xiǎn)絲盒支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        儀表板保險(xiǎn)絲盒大部分會(huì)安裝在橫梁上,少部分安裝在儀表板本體上。安裝在橫梁上的保險(xiǎn)絲盒,其安裝方式共有兩種,如圖9和圖10所示,一種是保險(xiǎn)絲盒自帶安裝支架,橫梁提供保險(xiǎn)絲盒安裝支架的固定點(diǎn),一般采用螺栓或者螺母緊固;另一種是橫梁上做保險(xiǎn)絲盒固定支架,單獨(dú)為保險(xiǎn)絲盒提供固定位置。橫梁保險(xiǎn)絲盒支架的料厚建議選擇1 mm~1.5 mm,提供2~3個(gè)固定點(diǎn)。保險(xiǎn)絲盒的定位應(yīng)通過(guò)支架上定位銷(xiāo)和孔的配合進(jìn)行設(shè)計(jì),單邊預(yù)留間隙0.5 mm,一般的保險(xiǎn)絲盒固定點(diǎn)數(shù)量為2~3個(gè),緊固件為M6螺栓或者Φ4.2 mm的自攻螺釘。

        圖9 保險(xiǎn)絲盒自帶安裝支架

        圖10 保險(xiǎn)絲盒不帶安裝支架

        2.3.4 橫梁前端支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        橫梁前端支架是對(duì)儀表板橫梁的模態(tài)有重大影響的支架,所以需要在橫梁前端增加一個(gè)固定支架與車(chē)身連接,支架厚度為2.0 mm~2.5 mm,如果固定在儀表板的零部件的重量超過(guò)1.5 kg(如音像、手套箱、安全氣囊等),則必須固定在橫梁支架上,支架厚度1 mm~1.2 mm,或者直接固定在車(chē)身鈑金上。

        3 儀表板橫梁剛度分析

        儀表板橫梁為儀表板、空調(diào)、中控屏、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱和各類(lèi)電器件等提供支撐,其設(shè)計(jì)至關(guān)重要,否則在產(chǎn)品試制過(guò)程中會(huì)頻繁出現(xiàn)橫梁設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的異響問(wèn)題,需要拆卸整個(gè)儀表板總成進(jìn)行分析,工作量巨大,因此在設(shè)計(jì)凍結(jié)前,儀表板橫梁的剛度及強(qiáng)度需滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。將儀表板橫梁模型導(dǎo)入有限元軟件HyperMesh中,利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分,本文設(shè)置網(wǎng)格類(lèi)型為四邊形殼單元,單元尺寸為4 mm,約束橫梁與車(chē)身的所有連接點(diǎn)全部為6個(gè)自由度。本文儀表板橫梁的主管梁材料為20號(hào)鋼,剩下的沖壓件支架的材料為DC01,所用材料相關(guān)參數(shù)如表1所示,計(jì)算橫梁在20 N的外力作用下的變形量,要求其變形量不大于0.5 mm。橫梁變形云圖如圖11所示,由圖11可知,此橫梁的最大變形量為0.431 4 mm,滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        表1 儀表板橫梁材料參數(shù)

        圖11 橫梁變形云圖

        4 結(jié)論

        1)儀表板橫梁是支撐儀表板及其上面電器件的重要零部件,本文介紹了橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn),并分析了主管梁及焊接在其上的各種支架在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù),可為后續(xù)車(chē)型橫梁的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

        2)儀表板橫梁的剛度對(duì)其性能有重要影響,本文利用有限元分析軟件,分析橫梁在20 N的外力作用下的變形量,分析結(jié)果表明此橫梁的最大變形量為0.431 4 mm,小于規(guī)范規(guī)定的0.5 mm,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,說(shuō)明此橫梁設(shè)計(jì)合理。

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