一种碳纤维车载中控台设计

巨小龙，郭木铎，王 腾

（中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210007）

1 前言

随着机动式指挥控制系统的发展，车载指挥平台对于车内中控台提出了轻量化、高强度、高可用性的要求[1]。传统的金属中控台受制于工艺及原材料的特性，其造型较为平直，轻量化实现难度较大。为了提升指挥车的承载能力，尽可能减少承载结构件的自重，提高指挥车内的整体美观性及人机工程水平，使用碳纤维复合材料是实现这一要求的重要途径。

碳纤维复合材料（CFRP）是以树脂为基体，碳纤维为增强体的一种力学性能优异的无机高分子材料，是新一代军民两用增强纤维[2-4]。碳纤维材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，在从汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到航天、航空等军工领域均有不可替代的地位。它所具有的密度小、比模量大、比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐高温、抗腐蚀和便于大面积整体成形等诸多优点，可以满足高结构效率的要求。现在，CFRP已经与铝合金、钛合金、合金钢一起成为航空、航天领域的四大结构材料[5]。

2 碳纤维复合材料特性

2.1 轻质高强

碳纤维复合材料的密度为1.6 g/cm3，是普通钢材的20%，与镁合金相似。碳纤维环氧树脂基复合材料的拉伸强度可达2 000 MPa，模量可达200 GPa以上，性能远高于普通钢材。据统计，同等外形和性能条件下，采用碳纤维复合材料使结构质量减轻30%～40%。而且由于碳纤维复合材料的比强度、比模量很高，产品可以获得更好的轻量化效果。

2.2 耐冲击

碳纤维复合材料具有较高的固有频率，同时复合材料基体纤维界面有较大的吸收振动能量的能力，使其在受到相同程度的破坏时，能够承受比其他材料更高的冲击力。在发生碰撞时，能量吸收率较铝合金和钢高5倍以上，具有非常高的抗振、抗冲击性能。

2.3 可设计性强

碳纤维复合材料沿纤维轴向和垂向的电、磁、导热、比热、热膨胀系数以及力学性能等，具有明显的差别。碳纤维复合材料可以在很宽的范围调整铺层取向，由于铺层的各向异性特征，可通过选择合适的铺层方向和层数来满足强度、刚度和各种特殊要求，以获得满足使用要求、具有最佳性能质量比的复合材料结构，这为结构的优化设计开阔了巨大的发展空间，是各向同性材料所无法比拟的。

2.4 易于大面积整体成形

碳纤维复合材料具有多种成型方式，代表性的是整体共固化成形，该技术减少了零件和紧固件的数量，简化了生产工序，缩短了生产周期。例如，美国洛克希德·马丁公司试制的JSF战斗机的复合材料垂直安定面，复合材料的零件数目减少到1个，取消了1 000多个机械紧固件，既简化了工序，又节省了工时，使装配协调问题更简单，制造成本减少了60%。

3 中控台设计

3.1 外观设计

作为驾驶室内重要的组成部分，中控台的设计需参照原车的造型风格及色彩搭配，与改装后的整体效果相协调。整车的内饰设计需以满足操作人员的视觉、触觉的舒适感以及心理需求为目标，整体把握车体内部空间的效果。由于原车前后两排席位中间为过道，为了实现设备上装，因此在过道处设置了整体式中控台。

中控台整体效果如图1所示，中控台采用深灰色的色彩基调，上装结构件及配套设备均喷涂浅灰色的油漆，在保证颜色协调的基础上，确保可达性及可操作性。

图1 中控台整体效果图

3.2 成型工艺

碳纤维复合材料成型主要有模压工艺、拉挤工艺、热压罐成型工艺、RTM工艺、缠绕工艺、真空导流工艺等。相比与其他工艺，真空导流工艺具有成本低、产品质量高、一致性好、工步少、树脂含量少、污染小等优点，其铺贴如图2所示。整个铺贴过程需要考虑制品的结构和形状，布置好导流网。

图2 真空导流成形铺层示意图

具体操作步骤为：①准备模具。将模具清理干净，然后打脱模蜡或抹脱模水。②增强材料铺设。依次铺设碳纤维、芳纶纤维、强芯毡等复合材料。③真空袋材料铺设。先铺上脱模布，接着是导流布，最后是真空袋。④抽真空。铺设纤维材料后，安装各进树脂管，对整个体系进行抽真空处理。⑤配树脂。抽真空达到一定要求后，准备树脂。按凝胶时间配入相应固化剂。⑥导入树脂。把进胶管插入配好的树脂桶中，依次导入树脂。⑦脱模。树脂完全固化后，揭去真空袋材料，取出制品。

3.3 结构设计

本文研究的对象主要由框架、台板和安装附件组成，其设计模型如图3所示。由于中控台需从仪表台延伸至第二排区域，同时需避让驾驶员侧部的操作杆。因此中控台整体设计为楔形，前部较窄，并逐步过渡至正常宽度。

图3 中控台设计模型

为了保障副驾驶席位及第二排两个席位正常工作，中控台上部集成安装了显示及操作终端、耳机话柄、便携操作单元等各类显控单元。

中控台如图4所示，传统的中控台以钣金或钢骨架作为承载主体，外部可根据需要使用木板或其他装饰板进行包覆。但由于这种金属框架设计受限，需使用较多数量的型材完成骨架的焊接，难以实现曲面、曲线的圆滑过渡；同时其刚强度受焊接质量影响较大，若出现焊接瑕疵可能会造成中控台刚强度不足。

图4 中控台（钢骨架模型）

由于钢制材料密度较大，金属骨架焊接完成后，尚需设置外观覆盖件，集成后的金属中控台整体质量通常高达40～50 kg，极大影响了整车的装载能力。

如图4所示，碳纤维中控台由框架和台板组成，框架采用整体成型方式，可保证产品获得优异的力学性能。为了满足设备上装紧固需要，框架和台板成型时根据紧固点的分布，分别设置3 mm厚镀锌钢板作为安装埋铁。后续集成上装过程中，可使用安装紧固件将设备与中控台可靠连接。由于碳纤维中控台铺层完毕后，其已具有一定的厚度和完整的外观面，无需额外使用表面覆盖件，中控台整体质量能够得到有效的控制。成型后的中控台为24.1 kg，相比于金属中控台，减重达50%。

3.4 人机工程设计

为了满足人机工程学需要，中控台主体高度设置为530 mm，结合原车中部过道高度为220 mm，中控台高度相对于操作人员脚面为750 mm；同时腿部空间高度为600 mm，深度为350 mm，符合GJB 2873—97中对坐姿操作空间的要求。

席位操作域如图5所示。在水平面上，以肩关节为圆心，半径600 mm的2个半圆覆盖了操作台板上的触摸屏、手柄和键鼠设备，符合标准中对操作空间的要求。同时，最重要的和最常用的信息显示等装置（加固笔记本），布置在区域1内；比较重要的和比较常用的操纵机构和信息显示等装置（接口盒、操作终端），布置在区域2内；经常使用的装置（电话手柄），布置在区域3内。

图5 席位操作域示意图

4 试验验证

为满足新形势下全域机动的任务需求，新型特种车辆车载电子系统应能适应高海拔、高寒、潮湿及丛林等多种环境，并具备灵活开设、快速维护和高效多能等功能[6]。为了验证碳纤维中控台实装下的环境适应性及其刚强度，参考GJB150的相关试验要求及方法，对碳纤维中控台进行高温贮存、低温贮存及振动试验。

4.1 高温贮存

试验前检查：试验前对样件进行外观检查，确认样件外表面无异常。

环境升温：将样件置于试验间中，试验间初始环境温度开始升高至70℃（温度变化不超过2℃/min）。

温度保持：将样件置于70℃环境下，温度稳定后保持24 h。试验间内环境温度及舱内温度均由70℃降至常温，温度变化不超过2℃/min，温度稳定后保持2 h。

试验后检查：检查常温下结构件状态。

4.2 低温贮存

试验前检查：试验前对样件进行外观检查，确认样件外表面无异常。

环境降温：将样件置于试验间中，试验间初始环境温度开始降低至﹣55℃（温度变化不超过2℃/min）。

温度保持：将样件置于﹣55℃环境中，温度稳定后保持24 h。试验间内环境温度及舱内温度均由﹣55℃升至常温，温度变化不超过2℃/min，温度稳定后保持2 h。

试验后检查：检查常温下结构件状态。

4.3 振动试验

使用固定工装，将碳纤维中控台与振动台可靠连接。振动试验条件如图6所示。分别参照图6（a）和图6（b）设置振动条件，每个方向振动30 min。

图6 振动试验条件

4.4 试验结果

经过高、低温及振动试验验证，同时随整车进行了长距离跑车试验考核，碳纤维中控台能够满足整车的使用工况，满足GJB150中对于高、低温及振动的指标要求。中控台试验如图7所示。

图7 中控台试验图

5 结论

本文根据车载移动指挥平台需求，设计了一种高集成性、高强度的碳纤维中控台，通过人机工程分析验证了人机工效的合理性、可行性；通过高温、低温、振动试验对碳纤维中控台的环境适应性和力学性能进行试验验证。经分析试验，碳纤维中控台能够更加有效地依据车辆内饰环境进行针对性设计，满足轻量化要求的同时，保证产品的性能与质量，可进一步在机动指挥装备中进行推广和应用。