重卡駕駛室儀表板橫梁結構及其輕量化方向

阮瑋，強競，原思揚，楊光，閆康康

（陜西汽車集團有限責任公司技術中心，陜西 西安 710200）

前言

重卡駕駛室儀表板橫梁作為儀表板護板、電器件、空調、轉向管柱等系統(tǒng)零部件提供支撐的結構件，功能上應滿足各零部件布置安裝的空間需求。性能上要求橫梁具有足夠的強度、剛度及承受所安裝在其上零部件的負荷能力，能抵抗一定的沖擊。此外，橫梁總成還須滿足總裝工藝生產線上儀表板整體模塊化吊裝要求。

本文介紹了幾種常見的重卡駕駛室儀表板橫梁結構類型，并總結了它們的結構特點、工藝材料、性能，以及應用情況。還闡述了重卡儀表板橫梁輕量化設計的發(fā)展方向。

1 鋼制雙二維管

1.1 結構特點

鋼制雙二維管橫梁采用2 根二維折彎鋼管作為主體框架。左右端板、電器件安裝支架、轉向管柱安裝支架、空調安裝支架以及局部加強支架等支架采用沖壓或折彎鈑金件與主體框架焊接。圖1 為某重卡儀表臺鋼制雙二維橫梁結構。

圖1 某重卡儀表板鋼制雙二維管橫梁

因采用雙管梁主體框架，此類橫梁結構可靠性較好，整體強度和剛度模態(tài)可達到較高水平，在重卡領域廣泛應用。但管梁總成重量相對偏重，橫梁總成重量一般在15～20kg 之間。

1.2 材料與成型工藝

此類橫梁的主副梁圓鋼管材料通常采用20#或Q235 鋼管，主管規(guī)格一般外徑在Φ30～35mm 之間，壁厚在1.5～2mm之間。副管規(guī)格一般外徑在Φ25～30mm 之間，壁厚在1.5～2 mm 之間。主副圓管采用冷彎工藝成型。

兩側端板及其他鈑金支架根據(jù)厚度不同，材料一般選用熱軋鋼板SPHC（厚度大于2mm）或冷軋鋼板SPCC（厚度2以內）。成型工藝采用沖壓或折彎工藝成型。

主梁與端板及局部支架采用焊接工藝連接。

2 鋼制單二維管

2.1 結構特點

鋼制單二維橫梁結構與鋼制雙二維管的主要區(qū)別在于只采用單根二維折彎圓管作為主體框架。其主梁圓管的布置位置與鋼制單二維管結構中的主梁圓管位置相近，與車身前圍鈑金距離較遠。主梁圓管與前圍鈑金之間的連接需設計高強度長懸臂的鈑金支架，如圖2 所示為某重卡儀表臺鋼制單二維管結構。

圖2 某重卡儀表板鋼制單二維管橫梁

因采用單管梁主體框架，此類管梁總成的強度、剛度模態(tài)等性能通常不及鋼制雙二維管梁，經CAE 仿真分析及拓撲優(yōu)化設計，鋼制單二維管的整體性能可進一步提高，達到設計指標要求。鋼制單二維橫梁重量相對鋼制雙二維管較輕，橫梁整體重量在10～15kg 之間。鋼制單二維橫梁結構成熟，在重卡領域也得到較為廣泛的應用。

2.2 材料與成型工藝

鋼制單二維管主圓管材料與鋼制雙二維管類似，通常采用20#或Q235 鋼，主梁管徑規(guī)格外徑在Φ40～45mm 之間，壁厚在1.2～1.8mm 之間。端板及局部支架的材料與成型工藝與雙二維管類似，此處不做贅述。

3 鋁合金橫梁

3.1 結構特點

重卡駕駛室儀表臺橫梁整體尺寸相對轎車整體尺寸偏大，現(xiàn)有技術條件無法實現(xiàn)大尺寸的鋁合金結構橫梁總成整體壓鑄成型。因此，重卡駕駛室儀表臺鋁合金橫梁結構整體框架由壓鑄鋁主體框架與局部鋁型材或鋁制輥壓支架構成，兩者之間采用焊接或鉚接連接，此類橫梁零件集成化程度相對前兩種橫梁較高。

因鋁合金相比鋼材具有較小的密度（約為鋼材的1/3），加之零件集成化程度較高，鋁合金儀表板橫梁重量相較前兩種鋼制橫梁較輕。通過仿真分析剛度模態(tài)、強度性能，并進行結構拓撲優(yōu)化設計，鋁合金橫梁的性能能達到與鋼制橫梁齊平甚至更高水平。目前在國內重卡領域，由于成本、設計、制造工藝等方面的條件限制，鋁合金橫梁還未得到廣泛應用。

3.2 材料與成型工藝

重卡駕駛室儀表臺鋁合金橫梁主體框架為壓鑄鋁集成的整體件，端板及局部支架采用鋁型材或鋁制輥壓件，主體框架與局部鋁合金支架采用焊接或鉚接連接。由于目前合金鋼材料的緊固件與鋁合金焊接的技術還不成熟，一般采用鉚接工藝實現(xiàn)合金鋼材料緊固件與鋁合金材料的連接。

4 塑料橫梁

4.1 結構特點

塑料橫梁結構較為分散，是由多個截面形狀不規(guī)則的注塑結構件組合而成，注塑零件之間采用標準件緊固連接。如圖3 所示為某重卡儀表板非金屬橫梁概念圖。

圖3 某重卡儀表板非金屬橫梁概念圖

塑料橫梁最大的優(yōu)勢在于所采用的材料均為塑料件，重量相對前三種橫梁更低，橫梁整體重量一般在7～10kg 之間。通過CAE 仿真分析并進行優(yōu)化設計，性能也能滿足相應的模態(tài)剛度、強度性能指標要求。

由于塑料橫梁在車輛Y 方向分段較多，橫梁自身無法滿足總裝生產線機械臂整體吊裝工況要求。為了滿足以上生產線吊裝要求，需將車身前圍上半部分鈑金單獨拆出，與橫梁、儀表板護板、電器件、空調箱等部件在線下先進行分裝，組成吊裝模塊，再帶進行線上模塊化吊裝裝配。由于以上設計結構對駕駛室白車身前圍結構及性能有影響，此類橫梁結構目前只在小部分重卡車型上有應用。

4.2 材料工藝

塑料橫梁材料一般采用綜合力學性能較好的PA/PA6/ PA66 加玻纖材料（玻纖含量一般在15～30%之間）注塑成型，零件之間采用標準緊固件連接。

5 重卡駕駛室儀表板橫梁輕量化發(fā)展方向

輕量化是重型卡車駕駛室性能設計時需考慮的重要指標之一。儀表板橫梁作為駕駛室內飾系統(tǒng)里尺寸大、占比重的結構件，橫梁的輕量化設計有重要意義。目前國內車企在重卡駕駛室儀表板系統(tǒng)設計時，考慮成型工藝、布置占用空間、成本等因素，橫梁多采用鋼制管梁結構，但此類橫梁整體重量偏重。

重卡儀表板橫梁的輕量化設計，在滿足強度、剛度模態(tài)，負荷能力，抗沖擊能力等性能指標要求，以及生產線整體吊裝工藝要求的前前提下，可綜合考慮設計布置空間，供應商制造能力，零件成本等因素，選擇鋼制單二維管梁，鋁合金 橫梁，塑料橫梁等輕量化結構。