淺談儀表板橫梁支架產品開發

粟鴻光

摘 要：對儀表板橫梁支架產品開發過程中各個要點進行了歸納與剖析，總結為結構設計、性能分析和焊接總成調試，結合某個實際的產品開發實例進行詳細論述，對儀表板橫梁支架產品開發有較高應用價值。

關鍵詞：結構設計 性能 焊接 調試

汽車產業經過一百多年的發展，已經成為全球性經濟支柱產業，也成為人們日常生活中不可或缺一部分[1]。在汽車眾多的零部件當中，相對比較重要部件之一儀表板橫梁支架CCB（Cross Car Beam）。CCB將駕駛艙系統與車身緊固在一起，它擔負著儀表板總成、空調、轉向管柱、線束和安全氣囊等重要子系統，并為很多與控制相關的電子模塊提供安裝接口，包括組合儀表、保險絲盒和空調控制模塊等[2]。本文基于承接整車廠某款車型CCB產品實際設計制造，從產品結構設計、性能和焊接總成調試三大方面進行闡述。

1 產品設計

CCB承載駕駛座艙系統總成， 其主要零部件如圖1所示，采用四點式與車身固定方式。

1.1 材料選型

CCB材料多為低碳鋼或低合金鋼，其強度與接觸剛度是其性能的重要指標[3]。CCB橫梁多采用無縫圓管材料，通常可選型號Q215、Q235B、DC01，綜合制造、性能和成本考慮，橫梁采用Q235B材料，其他各支架的材料選用DC01，支架的板厚根據支架載荷計算剛性和強度而定，通常選定2mm、1.5mm、1.2mm三種規格，儀表板左右側端板、轉向立柱安裝支架結構強度要求比較高選用2mm厚板件，其他支架板厚通常為1.2mm。

1.2 結構設計優化

整車廠基本上已完成CCB產品設計，零部件廠設計開發工作對所承接的產品結構設計優化，主要對產品輕量化設計、材料利用率和零件通用性最大化，結合可制造性工藝需求。360模塊安裝支架合件優化前后結構對比，提升材料利用率85.5%，零件減重0.27Kg，優化焊接工藝，零件模塊化集成度更高，其產品性能更優。通過這種類似結構優化，CCB原材料利用率綜合提升7.6%，整體減重1.05Kg。對本案CCB中26個連接小支架進行結構性分析，找出4組結構類似，其尺寸相差不多，通過產品結構優化，所開發小支架數量由26個變成18個，模具開發成本降低2%，零件通用性增強。

2 產品性能分析

本案采用Hyperworks軟件對儀表板支架總成進行靜剛度、強度、模態、模態靈敏度等CAE（Computer Aided Engineering）分析，通過模態和強度分析，為CCB結構優化提供依據。

通過CAE分析，理論上論證產品結構可行性，同時在半工裝階段加大實物驗證。CCB總成件剛性和強度試驗，采用正上方加載500N，中間連接支架單點和橫梁上6個均布加載兩種情況，中間支架連接安裝點位移量要求≦1.5mm，仿真分析結果和試驗結果基本上吻合。

CCB支架上的轉向管柱安裝支架承載轉向管柱，其結構剛性和強度要求較高，轉向管柱安裝支架與母材管柱的焊縫焊接拉力、剪切力分別≥2500N，焊縫不允許出現裂紋、開裂等焊縫異常現象。CCB焊接質量通過破壞性驗證，焊縫熔深和金相檢驗，均滿足要求。

3 產品焊接總成調試

3.1 焊接工藝規劃

產品工藝規劃基于產品GD&T（GeometricDimentionand Tolerance）、生產節拍和生產設備，對產品可制造性工藝策劃。首先了解產品結構、GD&T基準和零件搭接關系，左/右端板是整個CCB基準，兩個左右端板通過橫梁連接，作為CCB工藝主體結構，其他支架按焊接工序和生產節拍進行分解，同時遵循工藝集成模塊化原則。左/右端板各有8個部件有尺寸關聯性和相互搭接，中間連接支架有5個部件有尺寸關聯性和相互搭接，其他20個小支架相對獨立，根據以上信息，對產品工藝組合，左/右端板8個部件焊接成一個小總成，中間連接支架5個支架焊接成一個小總成件，形成3個小總成模塊工藝集成，其他支架根據生產節拍和夾具可設計空間合理安排工序，焊接工序上優先基準定位部件，這樣便于焊接過程尺寸調試。

減少后期產品尺寸調試。

3.2 焊接工藝調試

CCB制造工藝鎖定之后，相對不會有大調整，關鍵在于焊接工法調試。焊接工藝調試過程分成兩個階段，半工裝和全工裝調試。半工裝主要目的驗證產品設計、焊接工藝和焊接總成尺寸，驗證過程中所有零件是符合設計標準，按正式量產的設備、夾具、檢具、焊接工藝和過程參數驗證，最關注是焊接尺寸和焊縫熔深質量，產品結構相對上不會有設變。采用弧焊焊接，焊接變形不可避免發生，焊接尺寸很難達到設計要求，需要最大程度減少焊縫和提升焊縫熔深質量，杜絕補焊。本案中CCB經過5次以上焊縫破壞性試驗論證，累計減少設計焊縫510mm，形成不同支架搭接形成焊縫結構標準，為后期CCB產品開發奠定焊縫結構設計基礎。要獲得好的一次性焊縫熔深，零件之間配合間隙盡量控制在≥1mm內，要求工件公差控制在正負0.5mm。最后機器人焊接可達性和姿態最佳性，也是獲得焊接質量關鍵因素。夾具設計滿足零件定位原則前提下，確保焊接空間最大化和夾具可調整性，夾具設計完成后，必須機器人焊接仿真分析，遵循焊接姿態以焊槍與焊縫保持30°～50°之間，最好角度為45°，避免仰焊，最大程度上減少焊槍與夾具干涉，確保焊槍最佳姿態。

通過半工裝階段充分論證，除了因為性能試驗需局部產品結構優化設計，主要問題聚焦總成尺寸合格率，其原因不可避免的焊接變形，零件實際制造和配合公差問題所導致，半工裝階段產品尺寸合格率在≦60%以下。全工裝根據半工裝驗證結果而優化，需要產品設變，主要受影響制造工藝：零件落料模具結構設計。CCB零件結構相對簡單，采用落料、成型、沖孔和切邊等沖壓幾道序即可滿足產品尺寸要求，在半工裝階段，CCB零件落料模具通常不設計制造，零件落料工序采用線切割或激光切割，待半工裝驗證結束后，落料模具根據零件實際制造公差，以及焊接變形所需實配參數而定。CCB中設計橫梁圓管為紫色，黑色為逆向獲取的焊后橫梁變化，焊后橫梁向上彎2.8mm ，最大變形量出現在豎直向偏17度處偏3mm，依據焊接變形變化和零件之間配合間隙要求，對零件結構設變，本案中優化12個零件設計結構來實配產品尺寸，產品尺寸一次性合格率可達≧85%。

4 結語

CCB產品開發，關鍵在于結構設計優化和焊接工藝規劃，以及過程焊接工法和階段性驗證，為后續CCB產品開發提供重要的成功開發經驗。不足之處，產品開發周期相對較長，實物驗證較多，后期加大CAE分析，進行焊縫優化和焊接變形分析，減少過程實物驗證和開發周期。

參考文獻：

[1]羅智超.CCB支架焊接數值模擬及焊縫的設計優化[D].江蘇：江蘇科技大學，2009：1-1.

[2]蔡慶榮，董丹丹，夏建新等. 基于Isight 的儀表板橫梁優化[J].計算機輔助工程，2013，（22）：221-222.

[3]施一豐，蘇晨，周方明.儀表板橫梁支架焊縫設計質量評價方法[J].汽車技術，2011，（3）：56-56.