仪表板横梁的分析方法及过程

引言
随着国内外汽车制造业的快速发展，车型种类 日益多样化，汽车产品的竞争也越来越激烈。汽车外 观及内饰作为消费者评价的重要指标。在汽车内饰 中仪表板系统相对复杂，需提供驾驶操控、安全及舒 适性功能且便于操作，与驾驶员的关系比较密切。因 此，其操作稳定性、结构耐久性、使用安全性直接影 响消费者对汽车的整体质量评价。仪表板横梁总成 （图 1）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。本文以某款中高级进口商用车仪表板系 统为例，分析横梁总成结构，以获得仪表板横梁总成 的一系列相关数据，作为新车结构设计的基础。
1.3 支架材料厚度（mm） 各支架材料厚度大体有 3 种规格分别为 1.0、 1.8、2.2。 a）个别起连接作用的支加厚度 1.0； b）承载一般作用力的支架厚度 1.8，如安装仪 表板本体、空调风道、烟灰缸支架、地板支架等； c）与车身连接的、承载一定作用力、重要部件 安装的支架厚度为 2.2，如安装转向装置、换挡装置、 安全气囊装置、前围、左右侧 A 柱支架等。
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结构 仪表板横梁总成上孔位繁多，主要提供仪表板
总成中的仪表板本体总成、转向管柱、换挡装置、副 驾驶安全气囊、空调总成、线束等部件的安装结构。 同时也增加了仪表板子系统的结构稳定性。
3.3 提高转向系统的稳定性 横梁总成的转向管柱支架通过前围支架连接, 间接与车身前围之间形成固定结构, 当转向管柱装 置装配到转向管柱支架后，能有效地提高转向系统 的稳定性。 3.4 提供乘客安全保护功能 当车辆前端发生碰撞或偏移时，横梁总成的骨 架能加强车身的结构强度，起到抑制发动机舱里的 坚硬部件对车内的侵入，以保护乘客的搭乘空间。 当车辆发生侧碰时，横梁总成采用与 A 柱连接 的安装结构，能有效地减少车辆的变形。 在车辆发生碰撞时，仪表板横梁总成承载着副 驾驶安全气囊静载荷和气囊爆破时的动载荷，以保 护乘客的安全。
５ 试验验证及分析
除对横梁总成的结构、功能进行分析外，还需要 对横梁总成的性能试验进行分析，获取相关试验结 果。
5.1 振动试验 通常情况下，整车振动试验进行的较多，仪表板 系统级振动试验进行相对较少。仪表板系统的振动 试验需在特定的台架并保持一定夹紧力的情况下进 行，仪表板系统的固有频率要求大于 35Hz。在新车 项目的开发过程中，主要以 CAE 软件进行振动及强 度分析，在设计和分析的基础上调整和优化设计 （详见 5.5.2 内容）。 5.2 性能试验 选择仪表板横梁总成中重要的支架,进行硬度、 抗拉强度、内部组织分析，收集所得试验结果，并作
数量 4 10 3 5 4 2
2
1 1 3 1 1 1 4 1 1 1 3 18
（备注：定位孔尺寸略）
为 CAE 分析的输入条件。 5.3 成分试验 在性能试验结束后，将支架进行化学成分试
验，得出各支架的金属材料牌号,作为 CAE 强度分 析的输入条件和后续设计的材料选择依据。
5.4 盐雾试验 一般金属钣金件的表面处理方法有电镀喷漆 喷塑等, 表面处理的质量好坏需依据试验结果进行 判断。 样车仪表板横梁总成外表面采用喷漆处理。选 择横梁总成中的支架进行盐雾试验，收集盐雾试验 结果及相关表面处理的技术要求。 5.5 CAE 分析 5.5.1 强度分析 根据仪表板横梁总成的逆向数模、材料性能及 牌号的输入，使用 Nastran 分析软件进行横梁总成 及支架的强度分析，也可加载特定的重量进行强度
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CO2保护焊
图 12 CO2 保护焊示意图
图 11 横梁总成某状态分析振形示意图
６ 工艺及装配分析
6.1 焊接方式 在车身焊接中，点焊、凸焊、气体保护焊、钎焊应 用较多。一般仪表板横梁总成的焊接方式主要以采 用 CO2 保护焊为主，而样车仪表板横梁总成也同样 采用 CO2 保护焊为主（图 12），支架上的紧固件如 焊接螺母和焊接螺栓采用螺柱焊（图 13）。 6.2 成型工艺 仪表横梁总成的管梁和各支架主要采用折弯和 冲压工艺。 6.3 涂装工艺 样车仪表板横梁总成涂装工序有两种可能，一 是当横梁总成的加工与白车身生产线在同一地点 时，仪表板横梁总成装在车身上，与白车身一起进行 涂装；二是当仪表板系统作为一模块由供应商提供 时，则由供应商进行涂装并装配仪表板系统。 6.4 装配过程（在整车中）
8 烟灰缸总成安装孔
Φ6.5
9 换档杆护板安装孔
Φ7.5
10 空调装置安装孔
① Φ9 ② 1014 ③ 8×14 ④ 6.5×20
11 PAB安装孔 12 中间足部风道安装孔 13 空调右风道安装孔 14 空调左风道安装孔 15 定位销孔 16 线束安装孔
Φ7.0 Φ6.0 Φ6.5 Φ6.5 Φ12.5 Φ6.5
4.2 安装部件及孔位尺寸 仪表板横梁总成上支架较多，孔位繁多，在某
图 5 右侧定位销
图 8 M8 螺栓（长）
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图 9 M8 螺栓（短）
图 10 焊接方螺母
个支架会提供几个部件的安装孔。以装配部件进行 分类为：（1） 转向管柱装置；（2） 变速器换档杆总 成；（3）安全气囊总成；（4）空调总成及空调风道； （5）仪表板本体；（6）配电盒支架；（7）仪表板线 束；（8）仪表板换挡护板；（9）烟灰缸支架。详细安 装孔位尺寸见表 2。
13 转向管柱后固定支架 28 仪表板（副驾驶）安全气囊支架
14 仪表板横梁前围固定支架 29 仪表板（副驾驶）安全气囊支架
15 仪表板横梁定位销
2.2 与周边件关系及边界各系统构成分析 仪表板横梁总成的边界各系统分析也是分析工 作中的一项重要内容，此分析包括横梁与周边各件
图 3 仪表横梁总成边界关系图
螺柱焊
图 13 Biblioteka Baidu柱焊示意图
根据样车仪表板装置拆解的过程可以分析得 出，该仪表板装置基本作为一个模块安装到车身的 前围、A 柱及地板上。装配顺序见图 14。
图 14 仪表板横梁及仪表板系统的装配简化图
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７总结
在近年来的仪表板设计中，仪表板系统的模块 化设计和一体式安装是我们需不断探索的方向。在 项目的前期准备工作中，我们通过对仪表板横梁总 成的综合分析，获得了仪表板横梁总成的测量数据 （包括间隙平齐度、轮廓尺寸、孔位尺寸、重量、材料 厚度等）、材料成分、性能、安装结构、点云、主截面、 3D 数据、CAE 分析、工艺装配等一系列数据，利用 这些数据及其它车型数据，指导后续结构优化设计。 作为设计人员，仪表横梁总成的结构、安装、定位、装 配、工艺及系统边界是分析工作的重点，也是新项目 设计的参考依据。例如获得仪表板点云数据，根据点
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仪表板横梁的分析方法及过程
杜 莉 庄玉娣
（上汽商用车技术中心车身开发部）
摘要 仪表板横梁总成是仪表板系统内部骨架，起到支撑仪表板系统，提供仪表板系统中 部件的安装，对增加整个车身的强度也有一定作用，是仪表板系统与白车身总成的连接 支架。本文以对某车型仪表板横梁总成的分析为例，概述了仪表板横梁的分析方法和过 程，并因此而获得仪表板横梁总成的相关信息，为后续仪表板横梁及仪表板总成的正向 设计工作提供重要的参考依据。 关键词：仪表板骨架 横梁总成 分析
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仪表板系统的边界条件一定程度上约束了横梁 的轮廓，而横梁的轮廓尺寸则主要由与左右 A 柱安 装支架、与地板安装支架及与车身前围安装等支架 决定。在新车横梁设计时，充分考虑车身驾驶室边 界、仪表板边界、所安装部件及门洞尺寸等进行设 计。
6 仪表板下固定支架
21 仪表板中左上固定支架
7 仪表板下固定支架
22 仪表板中右下固定支架
8 仪表板右上固定支架 23 仪表板中左下固定支架
9 仪表板左上固定支架 24 变速器换档杆安装支架
10 仪表板右前固定支架 25 烟灰缸固定支架
11 仪表板左前固定支架 26 仪表板横梁地板固定支架
12 转向管柱前固定支架 27 空调中固定支架
图 1 仪表板及横梁 3D 示意图
１ 测量及拆解
通过对该车仪表板系统的拆解，获得该仪表板 横梁焊接总成实物如图 2 所示。
图 2 某车型仪表板横梁总成
1.1 重量 将仪表板横梁总成上各个安装部件拆解完毕 后进行称重。 横梁总成质量：12.5 Kg。 轻 量 化 设 计 是 汽 车 产 品 的 未 来 发 展 趋 势 ，因 此，作为汽车设计人员，在进行新车仪表板系统设 计时，可参考样车的质量，在满足各种功能和性能 的前提下，设计质量不宜超过或过多偏离样车质 量。例如该横梁总成多个支架上设有多个减重孔， 以降低质量。 1.2 基本尺寸 轮廓尺寸（mm）：535×1700×710。
表 1 仪表板横梁总成构成
序号
零件名称
序号
零件名称
1 仪表板横梁（管梁）
16 仪表板横梁前围固定支架连接板
2 仪表板横梁右固定支架 17 仪表板中固定支架
3 仪表板横梁定位销
18 仪表板横梁前围中左固定支架
4 仪表板横梁左固定支架 19 仪表板横梁前围中右固定支架
5 仪表板横梁定位销
20 仪表板中右上固定支架
图 4 某车仪表板系统在 H 点截面图
３ 功能分析
3.1 支撑 IP 整体及空调系统 以样车为例，仪表板前空调本体主要安装在仪 表板横梁总成上，因此横梁总成承担着空调总成的 静、动载荷；仪表板横梁总成承载着仪表板系统的 整体重量，所以横梁总成起着支撑整个仪表板系统 的功能。 3.2 提供仪表板子系统及空调等部件的安装
图 7 左侧定位销
由 8 个短的和 4 个长的两种型号组成。其中与地板 连接采用 3 个 M8 短螺栓；与 A 柱侧围连接左右各 采用 2 个 M8 短螺栓与前围板的连接采用 4 个 M8 长螺栓和 1 个 M8 短螺栓。与螺栓相配合的是支架 背面焊有 8 个相同焊接方螺母，与侧围相关连接螺 栓采用直接铆进侧围支架上，如图 8~10 所示。
表 2 样车仪表板横梁总成安装孔尺寸
序号
孔位分类
孔位尺寸 (mm)
1 横梁总成与 A 柱连接孔
10×14
2 仪表板本体安装孔
Φ7.0
3 横梁总成与地板支架连接孔
10×14
4 横梁总成与前围连接孔
10.5
5 转向管柱安装螺栓
Φ9.0
6 换档杆总成安装孔
Φ9.0
7
仪表板本体与换档杆护板 共用安装孔
Φ7.0
的关系和边界各系统本身的分析。仪表板横梁与边 界的关系如图 3 所示，在后期的设计过程中用结构 断面（示例见图 4 仪表板横梁与前围及仪表板等断 面）进行关系表达、控制与交流。边界各系统本身的 分析由其分管工程师负责。
２ 构成分析
2.1 内部系统构成 各支架的命名主要以各支架所安装的部件名称 或支架在横梁总成中的位置进行，主要由下列支架 构成（见表 1）。
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分析，判断支架的最大加截重量或满足特定的重量 需要的强度要求。在正向设计中，通过 Nastran 软件 的分析相同材料不同厚度的支架强度，或分析相同 厚度不同材质的支架强度，作为选择材料和节省成 本的依据。
5.5.2 模态分析 利用与 5.5.1 相同的的输入条件，使用 Nastran 软件对横梁总成在自由模态及约束模态进行分析， 或加载不同重量下进行模态分析，并与车身的模态 分析数据进行比较，当仪表系统的固有频率与车身 的固有频率差值大于 3Hz 时（最佳 5Hz），将不产生 共振现象。CAE 软件分析在正向设计中的作用尤为 明显，分析结果在 3D 数据模拟状态下进行。
图 6 左前围定位销
４ 安装结构分析
4.1 整体定位及安装 ①定位方式 仪表板横梁总成与车身的定位方式采用 3 个相 同的定位销, 其中横梁左右两端支架上各有 1 个定 位且呈对称结构，横梁左端前围支架上有一个定位 销。此 3 个定位销在仪表板系统与车身装配前仅起 定位作用，当装配结束后，这 3 个定位销不承载仪表 板系统的重量，如图 5~ 图 7 所示。 ②安装方式 横梁总成与车身的连接共采用 12 个 M8 螺栓，