鎂合金汽車儀表臺半橫梁設計優化

溫艷清

摘 要：汽車輕量化作為當今最熱門的汽車技術之一，越來越被國內外的整車廠及零部件廠所重視。文章研究了汽車儀表板橫梁總的輕量化設計。通過產品設計優化及材料優化將儀表臺橫梁的結構質量由傳統的10kg左右，降低到約3.1kg，質量減輕了約 70%，且優化后的結構在子系統模態、轉向管柱靜強度等性能均滿足設計要求。

關鍵詞：儀表臺橫梁;鎂合金

中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-76-04

Abstract： Automobile lightweight as one of today's most popular car technology， becomes more and more important for the domestic and foreign OEMS and supplier. In this paper， study some lightweight methods for the cross car beam component. For this project CCB， adopt the optimized geometry and replaced material， then the Mass of the CCB reduce from the traditional almost 10 kg to the 3.1 kg， the mass of the reduced almost is70%， and also the modal properties， steering column static strength still meet the target requirements.

Keywords： Cross Car Beam; Magnesium

引言

汽車儀表板橫梁（Cross Car Beam，下簡稱CCB）根據其材料和結構類型大致可分為：鈑金焊接型，鋁合金塑料混合型，鎂鋁合金壓鑄型。目前主流車型均采用鈑金焊接型，部分追求輕量化車型采用鎂鋁合金壓鑄型。

如上圖1所示的焊接性CCB，鋼管和鋼板沖壓件組合焊接制造，焊接的子零件數量多，整體重量高，與現在汽車輕量化主流技術路線嚴重矛盾。

1 初始鋼材料的CCB設計和仿真

常規儀表板橫梁總成是為儀表板飾件及其附件（音響系統、空調控制模板、儀表等）、乘員側安全氣囊、轉向管柱（有時包括制動踏板、加速踏板、離合器踏板等底盤零部件）、空調箱、線束等零部件提供支承的結構件，有時也是模塊化儀表板總成裝配過程中的輔助夾具和定位支承件。它直接與車身相連，受所支承和連接零部件傳遞的載荷，乘員的安全性有較大的影響。其中儀表板橫梁是主要的載荷承擔和傳遞的零件。

本文研究的車型，產品定義中乘客側氣囊布置在頂棚遮陽板區域，同時空調箱采用分體式 分別布置在駕駛艙和發動機艙，空調箱采用了和車身連接緊固。音響和娛樂系統采用了顯示和主機分離式，顯示單元等固定在儀表臺系統上，主機固定在車身上。

查閱文獻，發現童劭瑾[2]?等人發明了一種CCB結構方式，最大化的節省了材料，降低了重量。如下圖所示[2]。

結合該車型的產品定義，乘客區域沒有了氣囊及手套箱對CCB的承載和傳遞載荷需要，同時研讀了童劭瑾的專利思路，通過項目橫向團隊研究， CCB定義為可搭載HUD，轉向管柱等的半儀表臺橫梁產品，盡可能的降低產品重量;儀表臺的開發策略定義為儀表臺本體骨架采用高性能的PP+LGF加強設計。CCB材質選取寶鋼的DC01，工藝為沖壓及焊接。產品CAD如下圖3所示。

CCB在安全方面起著不可忽略的作用，絕大部分的駕駛員氣囊是通過轉向管柱間接的固定在CCB上。因此，該總成如果設計不當，將不可避免的降低駕駛員的安全防護性能。某一整車廠通過多個車型的研究論證，發現將該子系統某些靜態剛度控制在不低于某一數值，可以避免在碰撞過程中由于剛性差導致的駕駛員氣囊爆破前的初始位置及展開形態偏離設計預期，從而避免駕駛員沒有得到預期的保護。該研究論證轉化為企業標準，并在設計階段進行設計評估。

本文基于企業標準，沿著轉向管柱軸向加載10KN的時候，假設轉向管柱是剛性單元，通過監測轉向管柱軸心端部的位移量是否超過20mm，來評估CCB的剛性是否滿足要求。

將設計好的CAD模型導入到 Hyper mesh 軟件中，建立起轉向管柱與CCB的有限元模型。 然后利用Dyna 對轉向柱與儀表橫梁總成進行仿真分析。經過多輪仿真優化，最終模型對應的主要安全剛度分析如下圖4所示，滿足設計要求。

另一方面CCB在車身和轉向系統之間占據了非常重要的地位，它直接支撐轉向系統的轉向管柱及方向盤。因此，CCB如果設計不當，會很容易引發方向盤的顫振現象，從而導致駕駛室的 NVH 性能變差，影響汽車的駕車舒適性。現階段很多車型為了改善CCB系統的振動特性，在產品的早期設計階段，通過仿真技術評估整個轉向管柱儀表臺橫梁的子系統振動特性。

本項目在設計階段也將CAD模型轉換為CAE 模型，然后利用有限元分析軟件 Nastran 對轉向管柱與CCB進行子系統模態仿真分析。多輪仿真優化后，最終模型對應的模態及轉向管柱緊固點仿真結果如下。

多輪仿真優化后，最終模型對應的轉向管柱安裝點靜剛度結果如下圖6所示。

通過上述分析可以看出子系統的一階模態遠遠大于常規的35HZ，緊固點的垂向剛度遠遠大于目標值850N/MM，橫向剛度不低于設計目標值780N/mm;滿足產品設計的前期仿真要求。

基于產品CAE探測滿足各項設定性能的情況下，該產品采用金屬材料時，依據CAD數據計算的產品重量為4.9kg。