一套乘用车仪表板正向设计思路

张明，吕崇建，蒋志军，张志刚，李隆欣

（北京汽车股份有限公司，北京 100300）

1　概述

1.1　前言

针对现下纷繁的汽车市场，广大消费者对于购车的需求已不仅仅局限于其本身的实用操控性，对内饰的感官舒适度的追求也越来越高，在整个内饰中仪表板（Instrument Panel）则是不可或缺的一个重要模块，其点缀驾驶舱的功能更是“画龙点晴”的一笔，除此以外还具有如下功能：

√ 提供安装副驾驶员气囊、膝部气囊等安全件载体，当发生碰撞时，能有效保护车内乘员安全。

√ 提供安装方向盘、出风口、手套箱、仪表、影音、导航等功能件载体，为乘员提供储物、操纵、冷暖风、娱乐及车辆行驶信息的功能。

1.2　分类（按工艺、表面材质分类）

1.2.1硬质仪表板

分为整体注塑（考虑降本与降重）和分体注塑（考虑分色），料厚一般为 3mm，材质 PP-EPDM-TD20，见图1，注塑成型，适用于小型车等低端车型，不详细介绍。

图1　硬塑仪表板示意图

1.2.2上软下硬仪表板

如搪塑发泡、PVC包覆、阴模吸塑、TPO表皮、PU喷涂，见图2、图3，为增加触感，骨架表面吸附一层1-1.2mm厚的PVC和2-5mm厚的无纺布，既实现软硬及分色工艺，又有利于造型多样化需求；搪塑发泡手感较好且成本适中，是目前中、高端车型的主流，也是本文重点阐述的内容。

图2　上软下硬仪表板（左）搪塑发泡（中）pvc包覆（右）

图3　TPO表皮（左）阴模吸塑（中）PU喷涂（右）

1.2.3软质仪表板

为凸显高档豪华，其表面包覆一层厚度为1-1.2mm真皮或带背泡海绵，质感及缝线有效提升车内档次感，见图 4，但考虑原材料、加工、人工成本较高，仅豪华车采用，本文也不重点阐述。

图4　软质仪表板（真皮包覆）示意图

1.3　组成

某车型仪表板基本组成，见图5。

图5　某SUV仪表板分块示意图

1.4　仪表板开发流程

2　工程设计

2.1　技术方案

编制正向设计“技术方案”，是工程设计的重点，既能整体管控各零部件搭接形式，又能有效集成仪表板模块化，减少开发风险。

技术方案主要体现新造型的各零件搭接定位关系、模块化设计、关键技术难点。为确保工程验证和设计合理性，每个设计结构都需要有充足的验证及依据，遵循“模块化设计，工程结构少创新”。

以某款热销SUV车型为例，介绍一下仪表板开发过程。

一款新车型开发，都需经过对标某一款或几款竞争车型（或标杆车），进行拆解对标，虽然新造型和标杆车有很大区别，但成熟结构、工艺、定位等参数尽量参考标杆车，结合专家、CAE和供应商资源，能有效降低设计风险及DV验证风险，图6、图7为标杆车与新造型仪表板、横梁对比。

图6　某参考车仪表板（左）、新造型（右）对比

图7　某参考车横梁(左-注塑铝合金)、新横梁(右-焊接钢材)对比

2.1.1新横梁考虑参考车注塑铝合金成本高

采用低成本焊接钢材替代，因车身钣金形状、固定点布置及数量变化不大，故新横梁安装点布局及数量参考样车，见图8。

定位机构采用定位销，为增加装配导向，定位销长度一般设计为55-70mm之间，推荐70mm，采用变直径销便于装配导向，见图9。

图9　横梁与车身定位点分布

2.1.2新造型仪表板分块形式为上下分体

其本体与横梁安装采用螺栓固定，参考样车布局，见图10。

图10　上下本体与横梁安装点及定位点分布

仪表板上下分体结构形式是基于造型分色考虑，上下本体采用螺钉连接，考虑定位分布、控制外观间隙合理性，两安装点间距一般为50-150mm之间，见图11。

图11　上下本体安装点及定位点分布

上盖板安装与定位参考某车型，采用螺钉+卡扣连接，上盖板两个卡扣起到预安装作用，考虑定位分布、控制外观间隙合理性，两安装点间距一般为50-150mm之间，见图12。

图12　上盖板安装点及定位点分布

右面板安装与定位参考某车型，安装方式及安装点间距同上，见图13。

图13　右面板安装点及定位点分布

左面板安装与定位参考某车型，安装方式及安装点间距同上，见图14。

图14　左面板安装点及定位点分布

护膝板安装与定位参考某车型，安装方式及安装点间距同上，见图15。

图15　护膝板安装点及定位点分布

侧端盖安装与定位参考某车型，安装方式及安装点间距同上，见图16。

图16　侧端盖安装点及定位点分布

2.1.3模块化设计方案

技术难点在于所有装在仪表板骨架上的包括电器元件、转向管柱等零件集成一个模块，满足总装效率高，各零件匹配精度高要求。模块组件见图17。

图17　仪表板模块组装图

2.1.4机械臂及模块通过性设计方案

支撑销与横梁销套配合尺寸见图18，装配验证表明，支撑销尺寸已趋于标准化。模块装配过程中与门洞距离≥80mm，避免装配干涉。

图18　机械臂及车门通过性示意图

2.1.5仪表板与A柱上饰板配合形式

见图19，在盖板内增设橡胶垫，其硬度为47-56 HD，利用橡胶垫弹性变形吸收装配误差。

图19　A柱上饰板与仪表板设计断面图

2.1.6仪表板与A柱下饰板配合形式

见图20，靠卡扣单边结构保证Z向间隙，靠限位筋结构和卡紧力保证X向面差。

图20　A柱下饰板与仪表板设计断面图

2.1.7仪表板前端与前风挡、车身配合形式

仪表板前端与前风挡玻璃预留5-6mm安装间隙，部分车型采用两道海绵密封，提高NVH性能。

为避免车辆在卵石路面行驶时产生异响，在定位销或插片上贴0.3mm毛毡消除异响。

定位销导向长度或插片长度25-30mm，取最大值增大导向，见图21、图22。

图21　仪表板前端与车身、前风挡结构断面图

图22　某车型车身前端支撑结构案例（插片式）

2.1.8为避免前门护板与仪表板运动中产生干涉

仪表板与前门护板外观间隙为4-6mm，推荐5mm，根据车型不同，部分SUV、MPV为8-10mm。见图23。

图23　仪表板与前门护板间隙图

2.1.9主、副仪表板搭接技术方案

图24　主、副仪表板搭接图

采用插接结构，有利于隐藏外观间隙不均现象，个别SUV、MPV车型Y向外观间隙为1mm，轿车通常为0.5mm，见图24。

2.1.10氛围灯设计方案

灯带卡紧原理是利用卡座大半圆弧包住灯带，以限制灯带径向窜动，创新技术难点在于大半圆弧与灯带有效接触包角 171°[1]和卡座的整体脱模。经实车验证，该包角可有效获得较好的卡接力和防脱落效果，见图25、图26。

图25　手套箱、护膝板上部氛围灯分布及安装点布置图

图26　氛围灯结构设计断面图

2.1.11仪表板端盖与前门框密封条配合形式

见图27，密封条根部与端盖间隙A为3-4mm，推荐经验值3mm；端盖与唇边搭接量C≥6mm。唇边变形后与侧板根部≥3mm。

图27　仪表板与前门密封条搭接示意图

2.2　主断面

主断面作用是分析造型是否成立，同时指导后期工艺数模制作。

关键断面有3个，见图28，分别是序号1、2、3。同时增加若干个辅助结构断面，以反映各功能件、底盘及电器件不同位置结构搭接形式。

主断面主要反映如下信息：

√ 仪表板各零件搭接关系；

√ 人机、法规、功能、工艺校核；

√ 外观各零件间隙、面差、圆角；

√ 零件材料、拔模方向及角度、分模线；

√ 总装工艺、工具空间、运动件运动轨迹校核；

√ 与假人、车身、电器件、底盘操纵机构和运动极限位置校核。

图28　主断面分布图

输入条件：

√ 整车配置功能定义；

√ 仪表板效果图及CAS面初步分块；

√ 满足国、内外相关法规，见附录1；

√ DTS、色彩清单及脱模角度定义；

√ 总体人机、车身、电器布置、底盘操纵机构布置、内外饰密封边界。

2.2.1驾驶员侧纵向，见图29：

图29　驾驶员侧纵向断面图

2.2.2仪表板中心纵向，见图30：

图30　仪表板中心断面图

2.2.3副驾驶员侧纵向，见图31：

图31　副驾驶员侧纵向断面图

2.3　工程可行性分析

仪表板造型分块在内外饰造型风格上变化是最大的，周边匹配零件的数量也最多，工程可行性分析越彻底，后期工艺数据及RP件验证返工就越少。

工程可行性分析贯穿整个设计过程，从造型效果图到3D数据冻结。主要包含如下几部分：

√ 总体人机；

√ 工艺与结构可行性分析；

√ 国内外法规校核，见附录1；

a）总体人机：

方向盘盲区及视野校核、前除霜、出风口、手套箱，驾驶员脚部空间校核，详见以下详解。

b）工艺与结构可行性分析：

搪塑发泡，表皮最小圆角要求R≥1mm，表皮厚度一般为 1-1.2mm，发泡层厚度一般为 8-12mm，最厚区域一般产生在帽檐处，封胶边最小宽度≥3mm；

脱模要求，粗皮纹脱模角度≥6度，细皮纹≥3度，光板面≥1度，加强筋、斜顶、滑块、抽芯≥0.5度。滑块运动空间≥1.7－2.5倍抽芯长度。

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

2.3.1方向盘盲区及视野校核

详见SAE J1050规定，①要求组合仪表显示区域应100%可视，帽檐处是校核关键区域：②要求下视野满足≥5°[2]，轿车一般取 6°；SUV为增大驾驶员视野，一般为 6-8°；推荐 8°，③方向盘手操作空间要求≥90mm；紧凑车型≥70mm，中大车型≥100mm，见图32。

图36　组合仪表下视野断面图

2.3.2前除霜布置

见图37，布置关键点：①玻璃黑区与前风挡冲击点距离一般为100～200mm，SUV等车型取180-200mm；②出风方向与前风挡玻璃夹角α=18～25°，SUV等车型取23-25°；③除霜格栅应布置在前下视野线下。

图37　前除霜口布置断面图

2.3.3出风口布置

上吹风角度要达到95%头部包络上部150mm以上，下吹风角度要至少吹到乘员H点以上120mm处，中间最大出风角度吹到喉点，保证乘员乘坐舒适性；见图38。单个出风口有效出风面积要求小型车＞4,200mm2，中大型车＞5,300mm2。

图38　出风口吹风角度布置示意图

2.3.4驾驶员脚部空间

为保证脚部运动空间，踵点与护膝板下边界Z向高度，轿车≥310mm，SUV、MPV等车型≥320mm，推荐330mm左右，见图39。

图39　踵点与护膝板的Z向空间

2.3.5手套箱布置及运动校核

图40　手套箱布置及运动曲线示意图

2.3.6其余结构设计

箱斗底部开有漏液孔以防积液，见图41，手套箱扣手的手操作空间A、B均需满足人机要求，推荐经验值25mm。

图41　漏水孔及手操作空间示意图

2.4　性能分析

仪表板不仅起到装饰作用，同时在行车中保护乘员安全性作用，主要涉及前除霜、吹面、驾驶员小腿保护、副驾驶员头部保护、吸音降噪、方向盘一阶振动模态。

2.4.1前除霜

根据GB 11555-2009要求，结合空调出风流量，设计时对侧除霜及前除霜进行流量及百分比分配，见图42，经多次CFD分析及结构优化，除霜除雾满足法规要求。流速分布见图43。

图42　前、侧除霜口流量及百分比

2.4.2侧除霜

经CFD分析左、右侧视野区在15分钟内完成除霜，满足目标要求，见图44。

2.4.3吹面风道

吹面风道各出风口的流量分配比，分3种形式：1:1:1:1、1:2:2:1、2:1:1:2；本车型采用2:1:1:2，经CFD分析流量分配较合理，见图45。

图45　各出风口流量分配比及风道速度流线图

2.4.4驾驶员小腿保护

根据附录1中GB-11551-2014和ECE R94要求，以脚踝为中心R265～R437半径区域内设计碰撞缓冲结构，见图52；或加装缓冲块、膝部气囊起到保护小腿的作用，见图46、图47。

图46　护膝板内部缓冲区域

图47　膝部保护措施参考车型

2.4.5副驾驶员头部碰撞

在副驾驶员头部碰撞区内，造型圆角 R＞2.5mm，见图48，且要满足吸能要求，涉及到出风口叶片、电器按键具体要求详见GB11552-2009。

图48　头部碰撞区及加速度曲线示意图

2.4.6吸音降噪

为提升NVH性能，通常在手套箱后部粘贴厚度10-20mm废纺毡、挡脚板处粘贴吸音棉，以吸收空调运转发出的噪声。为满足吸音降噪要求，棉毡材料性能需达到特定要求，见图49，图50。

图50　手套箱背面贴废纺毡、副驾驶员挡脚板贴吸音棉

为减少空调管路风燥，同时避免风管表面产生冷凝水，

考虑在风管表面包覆一层3-5mm开孔海绵，见图51。

图51　吹面风管表面包覆海绵

2.4.7方向盘一阶振动模态

装有方向盘、转向管柱的横梁总成，整体一阶模态范围35～52Hz，横梁结构刚性越强，整体一阶模态越大，可有效避开共振频率，见图52。

图52　仪表板横梁CAE仿真及台架试验

2.5　拆装维修性

2.5.1保险丝覆盖区域与检修口边界要＞5mm

便于手操保险丝更换空间，考虑阳光传感器拆装空间，该空间要满足L＞L1，见图53。

图53　保险丝盒手操空间（左）、阳光传感器手操空间（右）

2.5.2空调滤芯维修更换

需拆掉手套箱后进行，要求滤芯包络与仪表板下本体开口周边距离（A、B）要＞10mm；安装PAB固定螺栓，工具空间校核，要求套筒（Φ28mm）套筒与周边件最小距离 G＞20mm，见图54。

图54　空调滤芯维修空间（左）、PAB固定螺栓工具空间（右）

2.6　结构设计

2.6.1设计原则

√ 用定位、局部限位结构保证外观间隙、面差；

√ 安装结构须采用现有成熟结构；

√ 端盖、堵盖便于拆装（开设拆卸槽）；

√ 尽量减少滑块、斜顶、抽芯数量；

√ 同类型标准件、非标准件尽量从库里统一，如卡扣、螺栓或螺钉；

√ 开模具前RP件验证装配可行性；

√ 储物箱设有漏水孔以防积液；

√ 轻量化设计（局部减薄、挖孔）；

√ 美化外观（分模线尽量放在外观圆角下，BOSS柱或卡扣座根部减薄处理）；

√ 提高装配效率（设有预安装结构）。

2.6.2输入条件

√ DTS；

√ 主断面；

√ A面；

√ 相关周边件；

√ 装配流程；

√ 设计方案；

√ 篇幅有限，不在详细阐述；

√ 案例1火山口设计，案例2轻量化设计，案例3预安装设计，见图55。

图55　火山口（左）、局部掏空（中）、预安装（右）

结束语

总结以上模块化案例及工程结构设计经验，模块化装配能有效缩短主线长度，降低总装线投入成本，同时装车充分验证的工程结构，作为标准模块，以指导后续开发项目。

附录1 国、内外相关法规项

[1] 张明.一种汽车仪表板的氛围灯安装结构及汽车.CN201420565 638.实用新型专利.2015.CN201420565638, Utility model patent,2015.

[2] 任金东.汽车人机工程学.北京.北京大学出版社.2010.