汽车仪表板横梁设计要点及刚度分析

摘    要：【目的】仪表板横梁设计不合理会导致产品在试制过程中频繁出现异响问题，需要拆卸整个仪表板总成进行分析，工作量巨大，因此其设计至关重要。【方法】本研究介绍了汽车仪表板横梁的设计要点，分析了汽车仪表板横梁的作用、常用材料、定位安装策略以及主管梁和各安装支架（转向管柱安装支架、仪表板横梁下部支架、保险丝盒支架等）的结构设计参数，并利用有限元分析方法计算了横梁在20 N外力作用下的变形量。【结果】横梁的变形量为0.431 4 mm，刚度及强度满足设计要求，设计合理。【结论】本研究设计的仪表板横梁满足江西五十铃汽车有限公司的规范要求，避免了后续因横梁设计不合理导致的返工费用，可为后续车型横梁的设计提供相应参考。

关键词：横梁;定位;转向管柱;刚度分析;

随着汽车市场日益发展壮大，汽车内饰设计的好坏逐渐引起顾客的重视，而汽车仪表板横梁作为汽车内饰最重要的结构件之一，其主要作用是为仪表板、空调、中控屏、安全气囊、转向管柱和各类电器件等提供支撑[1,2,3,4]。因此，本文主要介绍横梁的主管梁及各种支架的结构设计要点，并利用有限元分析软件对其进行刚度分析，为后续横梁的设计开发提供依据。

1 仪表板横梁概述

仪表板横梁位于仪表板内部，为仪表板饰件、乘员侧安全气囊、转向管柱、线束等提供支撑，其由主管梁及各种支架焊接而成。主管梁是仪表板横梁的主体，是主要的支撑结构。支架包括左端板、右端板、转向管柱支架、接地支架以及各种电器安装支架等，具有连接横梁与车身、安装电器件的功能。仪表板横梁采用冲压和焊接工艺，冲压工艺主要由裁剪、落料、冲孔、切口、弯曲等工序组成，横梁各部件冲压成型后通过CO2气体保护焊接成型[5,6,7]。横梁材料主要为钢材，但随着技术的发展，为了实现汽车的轻量化设计，有些车型采用镁铝合金材料，但是价格较贵。仪表板横梁根据其材料和结构的类型，大致可分为钣金焊接型、塑料钣金混合型、镁铝合金压铸型（铝镁合金压铸型）和全塑料型横梁等。目前主流汽车上，大量采用钣金焊接型仪表板横梁，图1和图2分别为钢制横梁和镁铝合金横梁。

2 仪表板横梁结构设计

2.1 横梁的定位安装策略

横梁一般在车身布置8～10个固定点，车身左右侧4个固定点，地板有2个或4个固定点，在前舱布置1～2个固定点。仪表板横梁一般选取YZ平面作为X向定位基准。横梁设计时，一般在左、右端板分别焊接主、辅定位销，按照左主右辅原则与车身定位进行设计[8]，定位销直径为13 mm～16 mm。紧固件的选择一般在左、右端板及转向管柱处使用M8螺栓，中间支撑支架选用M6螺栓。横梁上与前舱钣金相连的支架厚度一般为1.5 mm～2.5 mm，推荐料厚2.0 mm。横梁定位安装策略如图3所示。

图1 钢制横梁 

图2 镁铝合金横梁 

2.2 横梁主管梁设计

钢制横梁主管梁的材料通常采用20号钢材，在布置空间充足的情况下，尽量使用直管，如果不能满足相关性能要求，建议采用变直径的直管。如果因为空调等周边件布置要求不能使用直管，则可使用弯管，如图4和图5所示。横梁管径尽量选用标准的尺寸，如35 mm、42 mm、45 mm、50 mm、54 mm、60 mm等，管壁一般为1.5 mm～2.0 mm[9]。管梁焊接时焊缝数量多、焊缝长度长、焊接变形大，需控制焊缝数量和长度。设计仪表板横梁时，尽可能将焊缝对称于截面中心轴，这样能够使焊缝引起的挠曲变形相抵消；焊缝在管梁中间时的焊接变形最大，所以设计横梁时，尽量减少管梁中间部分的焊缝，并使横梁中间部分焊缝对称，这样会使横梁设计的刚性更好，结构更合理。

图3 横梁定位安装策略 

图4 直管

图5 弯管

2.3 仪表板横梁支架的结构设计

2.3.1 转向管柱安装支架结构设计

转向管柱布置在驾驶员侧，安装在仪表板横梁转向管柱安装支架上，为了避免转向管柱处产生共振异响，在转向管柱安装支架旁采用顶部支架与前围钣金用M8螺栓进行连接，支架的厚度为2.5 mm～3.0 mm，转向管柱常用4个M8螺栓与横梁转向管柱安装支架连接，如图6所示。横梁转向管柱处的布置要求如图7所示：①方向盘轮辐平面到主管梁中心的距离≤410mm；②横梁中心到转向管柱中心的距离≤60 mm，以减少其转动惯量；③转向管柱前固定点到主管梁中心的距离≤150 mm；④转向管柱后固定点到主管梁中心的距离≤110 mm，仪表板横梁上转向管柱安装支架与主管梁采用CO2焊接[10]。

图6 转向管柱安装支架 

图7 布置要求

2.3.2 仪表板横梁下部支架结构设计

在仪表板横梁下部支架即副驾驶侧安装手套箱处，目前横梁上手套箱处的支架与右中通道支架的配合有以下两种方式，第一种是悬臂式结构，如图8(a）所示，悬臂式中心距一般要求在150 mm以下，支架翻边的高度不小于5 mm，支架的壁厚为1.5 mm，通过CO2气体保护焊与右中通道支架焊接，焊缝数量为2，为保证支架有足够的刚度和强度，其上应做凸筋。第二种为封闭式结构，如图8(b）所示，支架的翻边高度为6 mm，支架的壁厚1.5 mm，与右中通道支架焊接，焊缝数量为2，由于封闭式支架的刚度较好，在设计中较为常见[11,12,13]。

图8 支架结构设计

2.3.3 保险丝盒支架结构设计

仪表板保险丝盒大部分会安装在横梁上，少部分安装在仪表板本体上。安装在横梁上的保险丝盒，其安装方式共有两种，如图9和图10所示，一种是保险丝盒自带安装支架，横梁提供保险丝盒安装支架的固定点，一般采用螺栓或者螺母紧固；另一种是横梁上做保险丝盒固定支架，单独为保险丝盒提供固定位置。横梁保险丝盒支架的料厚建议选择1 mm～1.5mm，提供2～3个固定点。保险丝盒的定位应通过支架上定位销和孔的配合进行设计，单边预留间隙0.5mm，一般的保险丝盒固定点数量为2～3个，紧固件为M6螺栓或者Φ4.2 mm的自攻螺钉。

图9 保险丝盒自带安装支架 

2.3.4 横梁前端支架结构设计

横梁前端支架是对仪表板横梁的模态有重大影响的支架，所以需要在横梁前端增加一个固定支架与车身连接，支架厚度为2.0 mm～2.5 mm，如果固定在仪表板的零部件的重量超过1.5 kg（如音像、手套箱、安全气囊等），则必须固定在横梁支架上，支架厚度1 mm～1.2 mm，或者直接固定在车身钣金上。

图1 0 保险丝盒不带安装支架 

3 仪表板横梁刚度分析

仪表板横梁为仪表板、空调、中控屏、安全气囊、转向管柱和各类电器件等提供支撑，其设计至关重要，否则在产品试制过程中会频繁出现横梁设计不合理导致的异响问题，需要拆卸整个仪表板总成进行分析，工作量巨大，因此在设计冻结前，仪表板横梁的刚度及强度需满足设计要求。将仪表板横梁模型导入有限元软件HyperMesh中，利用其强大的网格划分功能进行3D网格划分，本文设置网格类型为四边形壳单元，单元尺寸为4 mm，约束横梁与车身的所有连接点全部为6个自由度。本文仪表板横梁的主管梁材料为20号钢，剩下的冲压件支架的材料为DC01，所用材料相关参数如表1所示，计算横梁在20N的外力作用下的变形量，要求其变形量不大于0.5mm。横梁变形云图如图11所示，由图11可知，此横梁的最大变形量为0.431 4 mm，满足规范要求。

4 结论

1）仪表板横梁是支撑仪表板及其上面电器件的重要零部件，本文介绍了横梁的结构设计要点，并分析了主管梁及焊接在其上的各种支架在设计开发过程中的相关参数，可为后续车型横梁的设计提供一定的参考。

图1 1 横梁变形云图  

表1 仪表板横梁材料参数 

2）仪表板横梁的刚度对其性能有重要影响，本文利用有限元分析软件，分析横梁在20 N的外力作用下的变形量，分析结果表明此横梁的最大变形量为0.431 4 mm，小于规范规定的0.5 mm，满足设计要求，说明此横梁设计合理。

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文章来源：南方农机