仪表板管梁设计要点浅析

仪表板管梁设计要点浅析
霍长宏，秦昀
（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601）
【摘要】：对仪表板管梁结构设计中各种设计要点进行了归纳与剖析。

论述当前仪表板管梁设计的发展现状，将各种设计要点归纳为材料选择、结构设计要点、性能要求三大类别，并分别结合设计实例进行详细论述。

总结的各设计要点，是基于深入的理论研究并结合广泛的实践经验，对仪表板管梁设计有极高的指导作用。

【关键词】：仪表板管梁设计要点材料结构性能
Key Points of Car Cross Beam Design
Abstract：The key points of car cross beam(CCB) design were generalized and dissected. First, developing present status of CCB design was discussed. All design key points were reduced to three categories as material, structure and performance. The proposed key points of CCB design were based on theoretical investigation and wide practical experience. It provides guidance for instrument panel reinforcement design.
Keyword：Car cross beam；Key points of design；Material；Structure；Performance
0 引言
仪表板管梁是仪表板系统的支撑骨架，安装在仪表板系统内部，但它对仪表板系统强度及外观质量有着直接的影响[1]。

作为汽车内饰系统的重要组成部分，其设计是一项非常复杂的过程；因与仪表板有着强相关性，业界大多将其归属于仪表板设计模块。

但该模块设计偏向于塑料件设计研究，对钣金件的设计研究相对薄弱，亦很难查询到仪表板管梁的相关设计准则。

文中从实际车型设计出发，归纳总结了仪表板管梁设计的基本思路与要点，从材料选择、结构设计和性能要求三大方面进行阐述。

基于深入的理论研究并结合广泛的实践经验，对仪表板管梁设计有极好的指导作用。

1 设计要点
仪表板管梁安装在驾驶室的前端，主要用来固定仪表板，支撑仪表板总成的整体刚性，同时在整车正碰时对整个驾驶室起到加强作用[2] 。

其主要零部件有：管梁左侧端板1，管梁右侧端板2，转向管柱固定支架总成3，管梁下支架4、5，管梁钢管6，见图1。

1.1材料选择
管梁钢管的材料通常采用20号钢材，可选择无缝钢管或有缝钢管。

各支架的材料根据支架的厚度而定：如果厚度在 1 . 8mm以内，选用SPCC材料即可；如果厚度在1. 8mm以上，则可以视情况选用SPHC 的材料。

1—管梁左侧端板2—管梁右侧端板3—转向管柱固定支架总成4 、5—管梁下支架6—管梁钢管
图l 仪表板管梁组成
1. 2 结构设计要点
管梁的设计原则要满足以下几点：
(l)满足整体刚度，在正碰时能有效地防止变形而伤害到乘客；
(2)支持转向管柱功能，满足NVH要求；
(3)支持电器件的固定；
(4)支持仪表板的固定，有效地提高仪表板的强度；
(5)支持膝盖碰撞保护，能提供一个缓冲吸能的空间；
(6)支持PAB 的固定，为PAB的顺利爆破提供支撑；
(7)在满足强度要求、NVH试验要求的情况下，最大限度地减小质量、降低成本[3]。

下面具体地描述仪表板管梁的设计。

1.2. 1 管梁钢管的设计
在设计之初，首先要确定钢管的外径。

钢管有标准钢管和非标准钢管之分，标准钢管可以直接采购，而非标准钢管需要定制，增加成本的同时也增加了采购难度，所以应尽量选择标准钢管。

仪表板管梁通常使用的钢管外径有：35、42、45、50、54、60mm，根据所设计车型的大小合理选择外径尺寸。

确定钢管的外径尺寸后，接着需要确定中心管的形状。

中心管按照成型分为无缝钢管和有缝钢管，按照结构分为直管和弯管。

在布置的时候通常都是采用直管布置，因为直管布置有以下优势：(l)直管公差好控制，不容易产生焊接变形，管梁总成精度高；(2)直管对碰撞有利，能有效防止正碰时前围饭金的变形。

如果由于空调蒸发器、转向管柱的原因无法按照直管布置，也可以按照弯管布置，但弯管布置存在以下缺点：(l)折弯精度不高，难以控制；折弯半径有限，容易产生废料，成本增加；(2)弯管折弯后由于应力作用变形很大，直接导致焊接在其上的支架的精度降低，直接导致管梁总成和车身、仪表板匹配的时候产生很多配合问题；(3)弯管强度差于直管，不利于正碰。

为了避开空调蒸发器、转向管柱的影响，目前设计上亦常见管梁主体由两根管或多根管焊接成型，方向管柱一侧钢管使用大直径以提升管柱模态，副驾驶侧因避开蒸发器等而使用小直径钢管，两管之间通过缩管后二保焊焊接固定，保证精度的同时，亦能局部增大布置空间，不失为较好的管梁设计方案。

(l)直管的设计
首先确定钢管中心线的位置，管梁钢管不能布置在安全气囊模块的正下方，一般要求z向距离为10~45 mm(图2)。

图 2 管梁与安全气囊布置
钢管中心线到方向盘中心距离越小越好，最大不得超过460mm(图3) ，这样能有效提升方向管柱模态，减小方向盘共振现象产生的可能性。

钢管中心线到转向管柱的安装面之间的距离推荐范围55~70mm(图4)。

图 3 钢管与方向盘布置图 4 钢管与转向柱布置
钢管中心线的位置还要考虑管梁两侧端板的安装，尤其是仪表板系统模块化安装到车身上时，安装空间要足够，不能被车身侧围遮挡。

管梁钢管与风管Z向要保证安全间隙，管梁钢管的上表面要求低于HV AC出风口表面，满足仪表板与风道模块安装时的装配方便性。

确定中心线的位置后，根据驾驶侧的宽度及仪表板的安装位置拉伸直管，直管厚度一般为1. 5~2.5mm。

(2)弯管的设计
因为空调蒸发器等原因无法布置直管时，则只能布置弯管。

弯管中心线的确定和直管中心线的确定方法相似，但弯管另外仍需满足折弯半径的要求。

要求折弯半径最小为管径的1.5倍，中心线的台阶范围最小可做到40 mm，见图5。

图2弯管设计要素
1.2.2 固定点的分布
一般管梁与车身固定点在7个或以上：
在驾驶侧和乘员侧都要有固定点固定到车身上，管梁两侧端板的固定点至少要有2个。

固定螺栓推荐采用M8或M6，两侧固定点是管梁最主要的安装点。

中间支架与车身地板之间至少通过2个M6 螺栓连接。

如果管梁有前端固定支架，该支架通过1个M6 螺栓和车身前围连接。

1. 2.3 管梁两端支架的设计
一般结构较简单的侧安装支架采用2~2.5 mm的板材即可。

正常情况下，管梁两端支架的固定点都是上下各通过M8或M6 螺栓固定在车身上，中间一个定位销定位在车身上；其中定位销主要限制管梁总成在整车Y方向上的偏差，左侧为主定位，右侧辅助定位(图6)；考虑饭金的焊接公差，管梁上下两个固定点一般使用过孔，便于调整安装。

图 6 管梁两端支架设计
1.2.4 管梁中间支架的设计
在中央通道区域，靠近驾驶侧一定要有一个支架连接到地板上，因为要支持转向管柱的固定及满足NVH试验；副驾驶侧一般也有一个支架，但如果NVH、碰撞等满足要求，考虑成本的原因，该支架允许取消；中间支架的主要作用：(l)连接管梁骨架和地板；(2)固定仪表板系统的中控部分，包括仪表板本体以及DVD等电器件。

中间支架对于仪表板管梁并不起主要固定作用，所以料厚一般选择1.0~1.5mm。

由于中间支架的基本形状是长条板状，在设计时，要避免支架的折弯过多及不平缓，这样既有利于中间支架上的小支架的焊接，又能减小中间支架焊接后的变形。

由于中间支架上焊接的支架数量较多，在设计时应尽量将几个比较小的支架做成自身对称件以提升通用化程度。

为防止左右中间支架在焊接到管梁骨架上以后产生翘曲变形，在中间支架之间至少应该有两个支架将左右中间支架连接起来。

一般可以把用于固定同一个件的分别焊接在左右中间支架上的两个支架连接起来，既可以起到连接左右支架的目的，又可以减少安装件的安装误差。

由于地板上的固定点距离管梁中心线较远，加上支架与管梁焊接时存在一定的焊接误差，另外焊接完成后在自然应力的作用下，焊接变形很严重（如果管梁中心管为弯管，则该情况尤其严重），故很多车型存在中间支架与地板安装困难的问题；因此，在设计的时候可以考虑把这个支架一分为二以缓解该问题。

1.2.5 转向管柱支架的设计
转向管柱是整车中重要的安全件，在汽车行驶过程中，会承受来自各个方向的外力冲击，这就要求，转向管柱安装支架要牢固可靠，重点考察转向管柱的NVH特性。

转向管柱一般采用2~2.5 mm的板材，通过M8的螺栓与转向管柱连接，一般采用“盒式”结构，即支架分上下两部分，包裹住管梁骨架，三者焊接在一起。

1.2.6 管梁前端支架的设计
为降低转向管柱与发动机共振风险，会在管梁前端增加一个固定支架与车身连接，支架厚度 1.0~1.2 mm，固定使用M8螺栓，该处的误差较大，大过孔处理(图7)。

图 6 前端支架设计示意图
1.2.7 管梁其他支架的设计
如果固定在仪表板上的零部件的质量超过1.5 kg (如CD机、手套箱、安全气囊等)，则必须固定于管梁支架上，支架厚度l~1.2mm，亦可在仪表板的背面增加金属支架加固；安全气囊模块固定时，必须在其重心部位均匀分布2~3个M6螺栓固定，保证安装可靠的同时有效降低噪声风险。

1.2 . 8 管梁支架加强筋的设计
由于管梁支架都是给相关零部件提供固定的载体,因此就要求支架具有一定的强度，以满足碰撞要求和NVH的试验要求，设计的时候就要考虑对支架加强。

对支架加强除了增加料厚外，还有增加翻边、增加折弯次数、增加加强筋等方法。

1. 3 性能要求
1.3.1防腐蚀
仪表板管梁尤其是商用车仪表板管梁，因其使用环境恶劣，一般要求进行电泳涂装，依据GB / T 10125 人造气氛腐蚀试验盐雾试验要求进行144h人造气氛腐蚀试验。

实验结束后，仪表板管梁总成样件应无基体腐蚀，无气泡，不得有大面积锈蚀、锈穿等现象发生。

1.3. 2模态
仪表板管梁的模态频率是指发动机怠速运转时管梁的振动频率，管梁的模态频率要求避开发动机怠速二阶激励。

4缸发动机的怠速二阶激励频率一般在26.7Hz左右，最佳状态方向管柱模态应该是方向盘振动频率在35Hz以上。

1 .3.3 振动
仪表板管梁与仪表板系统其他零部件一起使用车型采集路谱进行振动试验，振动结束后仪表板管梁不得出现支架断裂、焊点开裂等影响部件使用的缺陷。

2 总结
仪表板管梁作为汽车内饰仪表板系统的重要的组成部分，其设计一直是薄弱环节。

文中提出的一些设计方法都是以往开发经验的总结。

随着汽车制造工艺和开发手段的不断提高，这些数据和设计方法还会有不断的提高和创新，在实际应用环节，要结合实际开发水平，进行正确的判断、参考，但设计原理是相通的，希望文中的研究内容能给管梁设计人员一点启发和帮助。

参考文献：
[l]杜莉庄玉娣．仪表板横梁的分析方法及过程[J]．轻型汽车技术，2010(5)：8-13.
[2]张志军．汽车内饰设计概论[M]．北京：人民交通出版社，2008.
[3]曹渡．汽车内外饰设计与实战[M]．北京：机械工业出版社，2011.。