汽车内饰副仪表板设计及其模态仿真分析

廖智鹉

（江铃汽车股份有限公司产品研发总院，江西 南昌 330001）

随着人们生活质量的提高，汽车内饰的舒适性已成为消费者在购买时的关注点[1]。汽车内饰件直接关系到驾乘人员的体验感，其设计是否科学会影响新车型的研发，副仪表板是汽车内饰件的重要部件之一[2-4]，有必要对其加以研究。本研究主要从副仪表板的材料选择、脱模角度分析以及布置要求等方面入手，概述了其在设计开发过程中的设计要点，同时分析了其与地毯及手刹等周边件的匹配设计要求，并针对零件试制过程中常出现异响问题，在零件设计过程中利用常用的有限元方法辅助设计，分析副仪表板的模态，分析结果表明，此副仪表板的设计符合公司标准。

1 副仪表板的材料选择及设计要求

汽车副仪表板装配在驾驶舱主驾驶座椅和副驾驶座椅之间的中央通道上，目的是集成储物盒、后排出风口、杯托、烟灰缸、点烟器、电器按钮、换挡杆、手动刹车杆等功能性部件。根据副仪表板和仪表板的过渡方式，可分为流线型、连贯型和独立型三种[5]，分别如图1、图2、图3所示。副仪表板包括副仪表板本体、后盖板、副仪表板面板、前端盖板、扶手、杯托、换挡盖板等零件，主要运用的成型工艺有注塑、喷涂、电镀、焊接、发泡、双色注塑、气体辅助成型。气体辅助成型是将熔融塑料粒子注入模具的同时注入一定量的惰性气体，并通过气路、结构的设计和工艺控制使零件的特定区域形成中空结构的注塑工艺。中空结构的形成增强了零件的机械性能的同时减少了零件壁厚，改善了零件外观，降低了材料成本和成型周期。

图1 流线型

图2 连贯型

图3 独立型

1.1 材料选择

副仪表板的材料需根据其表面定义及零件所处位置进行选择，如副仪表板本体一般选择PP+EPDMTD20，而副仪表板面板选择ABS或PC/ABS等，具体可参考选用的材料如表1所示。

表1 副仪表板材料选择

1.2 设计要求

1）脱模分析。副仪表设计时，需要进行脱模分析，根据副仪表板的外表面确定其主脱模方向，一般都为正Z方向（垂直方向）。根据该方向分析副仪表板外表面的各个地方都能顺利脱模，一般拔模角度至少为7°，副仪表板上有些不可见区域可以为5°，但拔模角度不得小于3°，如果小于3°可能拉伤零件表面，产生痕迹。另外，在进行拔模方向及后期布置方案的选择上要尽量避免使用滑块，因为使用滑块首先会影响外观，在零件表面产生分模线，其次会影响模具寿命[6]。

2）安装方式。设计前需要确定副仪表板总成的安装结构、方式，整个总成一般是通过前后安装支架固定在中央通道上，副仪表板上其他附件如后盖板、副仪表板面板等一般采用塑料卡子或自身卡子固定。如果前端副仪表板与仪表板有连接关系，还需要考虑两者的定位策略，并通过左右两侧各两个螺钉进行固定。

3）布置要求。①与座椅的间隙要求：为了保证扶手在打开过程中不与座椅干涉及座椅在滑动过程中不与扶手干涉，扶手总成要满足扶手总成与座椅靠背的包络间隙不小于12 mm以及扶手总成与座椅坐垫的包络间隙不小于15 mm的要求[7-8]。②副仪表板扶手布置要求：扶手最前端在R点（设计位置）后端距离不小于76 mm、扶手最后端在R点（最前位置）前端距离不小于50 mm、扶手前端上表面与R点高度距离为152 mm～203 mm。

2 副仪表板与周边件匹配设计要求

2.1 副仪表板与地毯搭接关系

如图4所示，副仪表板与地毯精致工艺一般定义为零间隙，防止出现地毯塌陷或漏洞。设计时副仪表板侧板压地毯，干涉量一般为1.5 mm～2.5 mm，保证两者贴合，考虑地毯的制造及装配公差，副仪表板与地毯的切口边界搭接量最小距离为20 mm，如图5所示。

图4 副仪表板与地毯干涉量

图5 副仪表板与地毯搭接量

2.2 副仪表板与手刹搭接关系

副仪表板与手刹的配合关系如图6所示，手刹安装在地板钣金上，且是运动件，副仪表板与其的间隙需满足的尺寸要求如表2所示。为方便乘客操作手刹，手刹侧面与副仪表板的间隙一般推荐为45 mm，手刹下方与副仪表板的间隙推荐为35 mm，手刹前方与副仪表板的间隙推荐为30 mm[9-10]。

图6 副仪表板与手刹的配合关系

表2 手刹与副仪表板尺寸要求 单位：mm

3 副仪表板模态分析

3.1 模态分析理论基础

模态是结构动态特性分析的基础，包括固有频率和振型，是振动系统的固有特性；模态与是否受外力及外力的大小无关，由其材料属性和结构决定。在副仪表板设计开发时进行模态分析，可以提前判断存在异响的可能性。对任意一个系统，其结构的振动微分方程为：

式（1）中，M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；¨x(t)为加速度向量；.x(t)为速度向量；x(t)为位移向量；F(t)为外界激励载荷矩阵。

在无阻尼自由振动情况下，进行傅式变换可得：

变换为特征方程：

基于式（3）可求得结构的固有频率及振型，ω为系统固有频率，φ为系统振型。

3.2 有限元分析

该汽车副仪表板为薄壁型塑料注塑件，其总质量为6.9 kg，为了保证有限元建模的准确度，将副仪表板的三维模型导入HyperMesh前处理软件中进行网格划分，单元尺寸为4 mm，单元总数为122 786个，节点总数为124 560个，卡扣和螺栓连接采用 RBE2单元模拟，螺栓孔周边采用Washer处理，零件材料及材料特性如表3所示。约束副仪表板所有安装点的6个自由度，通过ABAQUS求解器进行求解，计算其模态。从图7可知，副仪表板的一阶为31.5 Hz，满足公司标准副仪表板一阶自然频率不小于25 Hz的要求。

表3 副仪表板材料特性

图7 副仪表板一阶模态

4 结论

综上所述，本研究主要从副仪表板的脱模分析、安装方式、布置要求等方面分析了副仪表板在设计开发过程中需遵循的设计要求，同时还论述了副仪表板与周边件的匹配要求，如副仪表板与地毯、副仪表板与手刹等。并针对零件在颠簸路面常出现副仪表板由于设计不合理而导致的异响问题，在零件设计开发过程中利用有限元分析软件对某一副仪表板进行了模态分析，借助计算机技术提前验证其设计的合理性。通过分析结果可知，副仪表板的设计符合本公司标准要求，可降低后续修模的风险，为后续车型开发提供相应参考。