汽車內飾副儀表板設計及其模態仿真分析

廖智鵡

（江鈴汽車股份有限公司產品研發總院，江西 南昌 330001）

隨著人們生活質量的提高，汽車內飾的舒適性已成為消費者在購買時的關注點[1]。汽車內飾件直接關系到駕乘人員的體驗感，其設計是否科學會影響新車型的研發，副儀表板是汽車內飾件的重要部件之一[2-4]，有必要對其加以研究。本研究主要從副儀表板的材料選擇、脫模角度分析以及布置要求等方面入手，概述了其在設計開發過程中的設計要點，同時分析了其與地毯及手剎等周邊件的匹配設計要求，并針對零件試制過程中常出現異響問題，在零件設計過程中利用常用的有限元方法輔助設計，分析副儀表板的模態，分析結果表明，此副儀表板的設計符合公司標準。

1 副儀表板的材料選擇及設計要求

汽車副儀表板裝配在駕駛艙主駕駛座椅和副駕駛座椅之間的中央通道上，目的是集成儲物盒、后排出風口、杯托、煙灰缸、點煙器、電器按鈕、換擋桿、手動剎車桿等功能性部件。根據副儀表板和儀表板的過渡方式，可分為流線型、連貫型和獨立型三種[5]，分別如圖1、圖2、圖3所示。副儀表板包括副儀表板本體、后蓋板、副儀表板面板、前端蓋板、扶手、杯托、換擋蓋板等零件，主要運用的成型工藝有注塑、噴涂、電鍍、焊接、發泡、雙色注塑、氣體輔助成型。氣體輔助成型是將熔融塑料粒子注入模具的同時注入一定量的惰性氣體，并通過氣路、結構的設計和工藝控制使零件的特定區域形成中空結構的注塑工藝。中空結構的形成增強了零件的機械性能的同時減少了零件壁厚，改善了零件外觀，降低了材料成本和成型周期。

圖1 流線型

圖2 連貫型

圖3 獨立型

1.1 材料選擇

副儀表板的材料需根據其表面定義及零件所處位置進行選擇，如副儀表板本體一般選擇PP+EPDMTD20，而副儀表板面板選擇ABS或PC/ABS等，具體可參考選用的材料如表1所示。

表1 副儀表板材料選擇

1.2 設計要求

1）脫模分析。副儀表設計時，需要進行脫模分析，根據副儀表板的外表面確定其主脫模方向，一般都為正Z方向（垂直方向）。根據該方向分析副儀表板外表面的各個地方都能順利脫模，一般拔模角度至少為7°，副儀表板上有些不可見區域可以為5°，但拔模角度不得小于3°，如果小于3°可能拉傷零件表面，產生痕跡。另外，在進行拔模方向及后期布置方案的選擇上要盡量避免使用滑塊，因為使用滑塊首先會影響外觀，在零件表面產生分模線，其次會影響模具壽命[6]。

2）安裝方式。設計前需要確定副儀表板總成的安裝結構、方式，整個總成一般是通過前后安裝支架固定在中央通道上，副儀表板上其他附件如后蓋板、副儀表板面板等一般采用塑料卡子或自身卡子固定。如果前端副儀表板與儀表板有連接關系，還需要考慮兩者的定位策略，并通過左右兩側各兩個螺釘進行固定。

3）布置要求。①與座椅的間隙要求：為了保證扶手在打開過程中不與座椅干涉及座椅在滑動過程中不與扶手干涉，扶手總成要滿足扶手總成與座椅靠背的包絡間隙不小于12 mm以及扶手總成與座椅坐墊的包絡間隙不小于15 mm的要求[7-8]。②副儀表板扶手布置要求：扶手最前端在R點（設計位置）后端距離不小于76 mm、扶手最后端在R點（最前位置）前端距離不小于50 mm、扶手前端上表面與R點高度距離為152 mm～203 mm。

2 副儀表板與周邊件匹配設計要求

2.1 副儀表板與地毯搭接關系

如圖4所示，副儀表板與地毯精致工藝一般定義為零間隙，防止出現地毯塌陷或漏洞。設計時副儀表板側板壓地毯，干涉量一般為1.5 mm～2.5 mm，保證兩者貼合，考慮地毯的制造及裝配公差，副儀表板與地毯的切口邊界搭接量最小距離為20 mm，如圖5所示。

圖4 副儀表板與地毯干涉量

圖5 副儀表板與地毯搭接量

2.2 副儀表板與手剎搭接關系

副儀表板與手剎的配合關系如圖6所示，手剎安裝在地板鈑金上，且是運動件，副儀表板與其的間隙需滿足的尺寸要求如表2所示。為方便乘客操作手剎，手剎側面與副儀表板的間隙一般推薦為45 mm，手剎下方與副儀表板的間隙推薦為35 mm，手剎前方與副儀表板的間隙推薦為30 mm[9-10]。

圖6 副儀表板與手剎的配合關系

表2 手剎與副儀表板尺寸要求 單位：mm

3 副儀表板模態分析

3.1 模態分析理論基礎

模態是結構動態特性分析的基礎，包括固有頻率和振型，是振動系統的固有特性；模態與是否受外力及外力的大小無關，由其材料屬性和結構決定。在副儀表板設計開發時進行模態分析，可以提前判斷存在異響的可能性。對任意一個系統，其結構的振動微分方程為：

式（1）中，M為質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；¨x(t)為加速度向量；.x(t)為速度向量；x(t)為位移向量；F(t)為外界激勵載荷矩陣。

在無阻尼自由振動情況下，進行傅式變換可得：

變換為特征方程：

基于式（3）可求得結構的固有頻率及振型，ω為系統固有頻率，φ為系統振型。

3.2 有限元分析

該汽車副儀表板為薄壁型塑料注塑件，其總質量為6.9 kg，為了保證有限元建模的準確度，將副儀表板的三維模型導入HyperMesh前處理軟件中進行網格劃分，單元尺寸為4 mm，單元總數為122 786個，節點總數為124 560個，卡扣和螺栓連接采用 RBE2單元模擬，螺栓孔周邊采用Washer處理，零件材料及材料特性如表3所示。約束副儀表板所有安裝點的6個自由度，通過ABAQUS求解器進行求解，計算其模態。從圖7可知，副儀表板的一階為31.5 Hz，滿足公司標準副儀表板一階自然頻率不小于25 Hz的要求。

表3 副儀表板材料特性

圖7 副儀表板一階模態

4 結論

綜上所述，本研究主要從副儀表板的脫模分析、安裝方式、布置要求等方面分析了副儀表板在設計開發過程中需遵循的設計要求，同時還論述了副儀表板與周邊件的匹配要求，如副儀表板與地毯、副儀表板與手剎等。并針對零件在顛簸路面常出現副儀表板由于設計不合理而導致的異響問題，在零件設計開發過程中利用有限元分析軟件對某一副儀表板進行了模態分析，借助計算機技術提前驗證其設計的合理性。通過分析結果可知，副儀表板的設計符合本公司標準要求，可降低后續修模的風險，為后續車型開發提供相應參考。