鎂合金汽車儀表臺(tái)半橫梁設(shè)計(jì)優(yōu)化

溫艷清

摘 要：汽車輕量化作為當(dāng)今最熱門的汽車技術(shù)之一，越來(lái)越被國(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)。通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化及材料優(yōu)化將儀表臺(tái)橫梁的結(jié)構(gòu)質(zhì)量由傳統(tǒng)的10kg左右，降低到約3.1kg，質(zhì)量減輕了約 70%，且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在子系統(tǒng)模態(tài)、轉(zhuǎn)向管柱靜強(qiáng)度等性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：儀表臺(tái)橫梁;鎂合金

中圖分類號(hào)：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(jiǎn)稱CCB）根據(jù)其材料和結(jié)構(gòu)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(shù)量多，整體重量高，與現(xiàn)在汽車輕量化主流技術(shù)路線嚴(yán)重矛盾。

1 初始鋼材料的CCB設(shè)計(jì)和仿真

常規(guī)儀表板橫梁總成是為儀表板飾件及其附件（音響系統(tǒng)、空調(diào)控制模板、儀表等）、乘員側(cè)安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱（有時(shí)包括制動(dòng)踏板、加速踏板、離合器踏板等底盤零部件）、空調(diào)箱、線束等零部件提供支承的結(jié)構(gòu)件，有時(shí)也是模塊化儀表板總成裝配過(guò)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(dān)和傳遞的零件。

本文研究的車型，產(chǎn)品定義中乘客側(cè)氣囊布置在頂棚遮陽(yáng)板區(qū)域，同時(shí)空調(diào)箱采用分體式 分別布置在駕駛艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙，空調(diào)箱采用了和車身連接緊固。音響和娛樂系統(tǒng)采用了顯示和主機(jī)分離式，顯示單元等固定在儀表臺(tái)系統(tǒng)上，主機(jī)固定在車身上。

查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)童劭瑾[2] 等人發(fā)明了一種CCB結(jié)構(gòu)方式，最大化的節(jié)省了材料，降低了重量。如下圖所示[2]。

結(jié)合該車型的產(chǎn)品定義，乘客區(qū)域沒有了氣囊及手套箱對(duì)CCB的承載和傳遞載荷需要，同時(shí)研讀了童劭瑾的專利思路，通過(guò)項(xiàng)目橫向團(tuán)隊(duì)研究， CCB定義為可搭載HUD，轉(zhuǎn)向管柱等的半儀表臺(tái)橫梁產(chǎn)品，盡可能的降低產(chǎn)品重量;儀表臺(tái)的開發(fā)策略定義為儀表臺(tái)本體骨架采用高性能的PP+LGF加強(qiáng)設(shè)計(jì)。CCB材質(zhì)選取寶鋼的DC01，工藝為沖壓及焊接。產(chǎn)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(guò)轉(zhuǎn)向管柱間接的固定在CCB上。因此，該總成如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，將不可避免的降低駕駛員的安全防護(hù)性能。某一整車廠通過(guò)多個(gè)車型的研究論證，發(fā)現(xiàn)將該子系統(tǒng)某些靜態(tài)剛度控制在不低于某一數(shù)值，可以避免在碰撞過(guò)程中由于剛性差導(dǎo)致的駕駛員氣囊爆破前的初始位置及展開形態(tài)偏離設(shè)計(jì)預(yù)期，從而避免駕駛員沒有得到預(yù)期的保護(hù)。該研究論證轉(zhuǎn)化為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。

本文基于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，沿著轉(zhuǎn)向管柱軸向加載10KN的時(shí)候，假設(shè)轉(zhuǎn)向管柱是剛性單元，通過(guò)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向管柱軸心端部的位移量是否超過(guò)20mm，來(lái)評(píng)估CCB的剛性是否滿足要求。

將設(shè)計(jì)好的CAD模型導(dǎo)入到 Hyper mesh 軟件中，建立起轉(zhuǎn)向管柱與CCB的有限元模型。 然后利用Dyna 對(duì)轉(zhuǎn)向柱與儀表橫梁總成進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過(guò)多輪仿真優(yōu)化，最終模型對(duì)應(yīng)的主要安全剛度分析如下圖4所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

另一方面CCB在車身和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間占據(jù)了非常重要的地位，它直接支撐轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向管柱及方向盤。因此，CCB如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)很容易引發(fā)方向盤的顫振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致駕駛室的 NVH 性能變差，影響汽車的駕車舒適性?，F(xiàn)階段很多車型為了改善CCB系統(tǒng)的振動(dòng)特性，在產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段，通過(guò)仿真技術(shù)評(píng)估整個(gè)轉(zhuǎn)向管柱儀表臺(tái)橫梁的子系統(tǒng)振動(dòng)特性。

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段也將CAD模型轉(zhuǎn)換為CAE 模型，然后利用有限元分析軟件 Nastran 對(duì)轉(zhuǎn)向管柱與CCB進(jìn)行子系統(tǒng)模態(tài)仿真分析。多輪仿真優(yōu)化后，最終模型對(duì)應(yīng)的模態(tài)及轉(zhuǎn)向管柱緊固點(diǎn)仿真結(jié)果如下。

多輪仿真優(yōu)化后，最終模型對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向管柱安裝點(diǎn)靜剛度結(jié)果如下圖6所示。

通過(guò)上述分析可以看出子系統(tǒng)的一階模態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的35HZ，緊固點(diǎn)的垂向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)值850N/MM，橫向剛度不低于設(shè)計(jì)目標(biāo)值780N/mm;滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期仿真要求。

基于產(chǎn)品CAE探測(cè)滿足各項(xiàng)設(shè)定性能的情況下，該產(chǎn)品采用金屬材料時(shí)，依據(jù)CAD數(shù)據(jù)計(jì)算的產(chǎn)品重量為4.9kg。

傳統(tǒng)的金屬CCB重量在10KG左右，該產(chǎn)品從幾何形狀上采用的半橫梁創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)大大的降低了產(chǎn)品重量。為了更進(jìn)一步的減重，本文繼續(xù)探索采用低密度材質(zhì)和上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)合的方法，進(jìn)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(jié)構(gòu)材料，合金是以鎂為基材加入其他元素組成的合金。其特點(diǎn)是：密度?。?.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(yīng)力水平下，鎂合金 AZ91D 的衰減系數(shù)為 25%，鋁合金 A380 僅為 1%。在 100MP 應(yīng)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(huán)境溫度和時(shí)間變化所造成的尺寸不穩(wěn)定減小。

目前鎂合金的種類有很多，汽車工業(yè)采用較多的是AM系和AZ系合金，常用鎂合金牌號(hào)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(zhì)CCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及該產(chǎn)品的主要承載要求，滿足轉(zhuǎn)向管柱和HUD在各種工況下的剛性和振動(dòng)特性等需求，因此需具有較高的韌性和強(qiáng)度。通過(guò)綜合考慮AM60B和AZ91D的性能以及參考有關(guān)文獻(xiàn)資料，最終決定選用AM60B（性能見表1）作為本項(xiàng)目Half CCB的材料。表2 AM60B鎂合金的化學(xué)成分和物理性能。

3 鋼CCB轉(zhuǎn)換鎂合金的設(shè)計(jì)及仿真

DC01和Am60B相比密度減小了75%左右，但是AM60B的屈服強(qiáng)度和彈性模量等都有不同程度的下降，為了滿足轉(zhuǎn)向管柱及系統(tǒng)模態(tài)等方面的子系統(tǒng)性能要求，當(dāng)CCB產(chǎn)品材料從DC01切換為AM60B，幾何形狀設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，適當(dāng)?shù)脑黾恿舜蟛糠纸孛婷娣e。其次結(jié)合壓鑄工藝的可行性需求優(yōu)化數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品的CAD數(shù)據(jù)如圖7所示。

經(jīng)過(guò)多輪仿真優(yōu)化，最終模型對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)模態(tài)及轉(zhuǎn)向管柱緊固點(diǎn)仿真結(jié)果如下圖8，圖9所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)多輪仿真優(yōu)化，最終模型對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向管柱靜剛度仿真結(jié)果如下圖10所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比不同材質(zhì)方案下CCB的性能見下表3所示，滿足設(shè)計(jì)要求，部分項(xiàng)目如模態(tài)稍差于鋼管梁。

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

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在產(chǎn)品開發(fā)驗(yàn)證階段，采用T1模具件，對(duì)CCB進(jìn)行零件性能測(cè)試、道路可靠性跟蹤和碰撞安全測(cè)試跟蹤。

4.1 零件性能測(cè)試

根據(jù)產(chǎn)品振動(dòng)性能要求，模仿整車連接情況，將CCB和轉(zhuǎn)向管柱及方向盤的子系統(tǒng)固定在工裝上，工裝的剛性足夠好，模態(tài)和系統(tǒng)模態(tài)差值150HZ以上。通過(guò)對(duì)方向盤進(jìn)行激勵(lì)評(píng)估。

根據(jù)產(chǎn)品安全性能要求，模仿整車連接情況，將CCB和轉(zhuǎn)向管柱的子系統(tǒng)固定在工裝上，工裝的剛性足夠好，同時(shí)把可潰縮的轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行剛性約束，在轉(zhuǎn)向管柱上施加10KN的力，評(píng)估轉(zhuǎn)向管柱軸向位移評(píng)估CCB的剛性。

根據(jù)產(chǎn)品安全性能要求，模仿整車連接情況，將CCB和轉(zhuǎn)向管柱的子系統(tǒng)固定在工裝上對(duì)系統(tǒng)施加振動(dòng)持續(xù)四十小時(shí)，評(píng)估子系統(tǒng)和工裝連接區(qū)域的及轉(zhuǎn)向管柱和CCB的扭矩衰減，同時(shí)評(píng)估CCB壓鑄產(chǎn)品有無(wú)明細(xì)的開裂等失效。

4.2 道路耐久和整車碰撞測(cè)試

整車道路可靠及耐久試驗(yàn)車拆解后，Half CCB沒有發(fā)現(xiàn)失效，如產(chǎn)生裂紋。多輪整車碰撞測(cè)試中，沒有發(fā)現(xiàn)CCB對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不可接受的影響，如CCB斷裂，降低駕駛員安全性能保護(hù)等失效。綜上所述，本文研究設(shè)計(jì)優(yōu)化的Half CCB，符合子系統(tǒng)及該整車的性能設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)可以從結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)及材料等多維度研究，本文基于特定的產(chǎn)品定義及布置，設(shè)計(jì)開發(fā)的Half CCB產(chǎn)品滿足某SUV的性能指標(biāo)，達(dá)到了最大化減重的預(yù)期。為輕量化產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)

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