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

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-76-04

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。

傳統的金屬CCB重量在10KG左右，該產品從幾何形狀上采用的半橫梁創新設計已經大大的降低了產品重量。為了更進一步的減重，本文繼續探索采用低密度材質和上述創新設計結合的方法，進行研究分析論證其可行性。

2 鎂合金研究

鎂合金是最輕的金屬結構材料，合金是以鎂為基材加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小（1.74g/cm3鎂合金左右），壓鑄鎂合金的密度僅為鋁合金的 2/3，鐵的 1/4，鎂合金還有利于減振和降噪，如在 35MPa 的應力水平下，鎂合金 AZ91D 的衰減系數為 25%，鋁合金 A380 僅為 1%。在 100MP 應力水平下，合金 AZ91D、AM60、AS41 分別為 53%、72% 和 70%，合金 A380 則僅為 4%。使鎂合金壓鑄件因環境溫度和時間變化所造成的尺寸不穩定減小。

目前鎂合金的種類有很多，汽車工業采用較多的是AM系和AZ系合金，常用鎂合金牌號主要有AM60B和AZ91D。其中AM60B的鋁含量較低，由于隨著鋁含量的降低，材料的韌性逐漸增高，故與AZ91D相比，AM60B的韌性和塑性較好。

基于前期的鋼材質CCB結構設計，以及該產品的主要承載要求，滿足轉向管柱和HUD在各種工況下的剛性和振動特性等需求，因此需具有較高的韌性和強度。通過綜合考慮AM60B和AZ91D的性能以及參考有關文獻資料，最終決定選用AM60B（性能見表1）作為本項目Half CCB的材料。表2 AM60B鎂合金的化學成分和物理性能。

3 鋼CCB轉換鎂合金的設計及仿真

DC01和Am60B相比密度減小了75%左右，但是AM60B的屈服強度和彈性模量等都有不同程度的下降，為了滿足轉向管柱及系統模態等方面的子系統性能要求，當CCB產品材料從DC01切換為AM60B，幾何形狀設計進行相應的調整，適當的增加了大部分截面面積。其次結合壓鑄工藝的可行性需求優化數據。該產品的CAD數據如圖7所示。

經過多輪仿真優化，最終模型對應的子系統模態及轉向管柱緊固點仿真結果如下圖8，圖9所示，滿足設計要求。

經過多輪仿真優化，最終模型對應的轉向管柱靜剛度仿真結果如下圖10所示，滿足設計要求。

對比不同材質方案下CCB的性能見下表3所示，滿足設計要求，部分項目如模態稍差于鋼管梁。

CCB的其他性能屬性進行對比見表4所示。產品成本如單件成本，零件開發成本都不同幅度的上升了。但是產品重量可以在鋼的基礎上減輕約40%，產品的精度和尺寸一致性有大幅的提升。綜合所有情況，項目按照鎂合金Half CCB進行開發。

4 試驗驗證

在產品開發驗證階段，采用T1模具件，對CCB進行零件性能測試、道路可靠性跟蹤和碰撞安全測試跟蹤。

4.1 零件性能測試

根據產品振動性能要求，模仿整車連接情況，將CCB和轉向管柱及方向盤的子系統固定在工裝上，工裝的剛性足夠好，模態和系統模態差值150HZ以上。通過對方向盤進行激勵評估。

根據產品安全性能要求，模仿整車連接情況，將CCB和轉向管柱的子系統固定在工裝上，工裝的剛性足夠好，同時把可潰縮的轉向管柱進行剛性約束，在轉向管柱上施加10KN的力，評估轉向管柱軸向位移評估CCB的剛性。

根據產品安全性能要求，模仿整車連接情況，將CCB和轉向管柱的子系統固定在工裝上對系統施加振動持續四十小時，評估子系統和工裝連接區域的及轉向管柱和CCB的扭矩衰減，同時評估CCB壓鑄產品有無明細的開裂等失效。

4.2 道路耐久和整車碰撞測試

整車道路可靠及耐久試驗車拆解后，Half CCB沒有發現失效，如產生裂紋。多輪整車碰撞測試中，沒有發現CCB對系統性能產生不可接受的影響，如CCB斷裂，降低駕駛員安全性能保護等失效。綜上所述，本文研究設計優化的Half CCB，符合子系統及該整車的性能設計要求。

5 結束語

產品輕量化設計可以從結構幾何設計及材料等多維度研究，本文基于特定的產品定義及布置，設計開發的Half CCB產品滿足某SUV的性能指標，達到了最大化減重的預期。為輕量化產品設計開發提供了新的思路。

參考文獻

[1] 王龍濤.基于KBE的汽車儀表板橫梁參數化設計研究及實現[J].上海汽車，2017（02）：9-13+29.

[2]童劭瑾.一種汽車儀表板橫梁總成[P].中外專利]CN201310529679. 92013-10-31.

[3] 陳飛，陳云霞，李軍，王艷青.鎂合金在汽車儀表板橫梁上的應用[J].現代零部件，2013（08）：37-39.

[4] 周磊，孟正華，許歡，郭旋.基于遺傳算法的汽車儀表板橫梁參數優化[J].計算機應用與軟件，2017，34（06）：75-79+136.