淺談乘用車儀表板橫梁輕量化技術(shù)

劉洲,胡玉潔,付丹,郭文博

(東風汽車集團有限公司技術(shù)中心，湖北武漢 430058)

0 引言

汽車儀表板橫梁(Cross Car Beam，CCB)是儀表板總成的重要組成部分。圖1所示為儀表板橫梁及其環(huán)境件，CCB為儀表板本體及其附件、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱、空調(diào)箱體等零部件提供承載固定。它直接與車身相連接，承受并傳遞支撐和連接的零部件的載荷，直接影響著整車的工程設(shè)計、駕駛操作和安全性[1]。

乘用車常采用的CCB為鋼梁焊接金屬支架結(jié)構(gòu)，隨著整車輕量化技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了多種新的CCB技術(shù)方案。單純從選材種類角度可以分類為：(1)鋼制儀表板橫梁。包括鋼沖壓焊接型和鋼管梁型，采用不銹鋼或普通鋼材焊接成型；(2)鎂鋁合金輕金屬儀表板橫梁，簡稱為輕金屬CCB。包括鋁合金型材焊接和鎂合金壓鑄成型；(3)輕金屬與非金屬復(fù)合材料混合型儀表板橫梁，簡稱為混合型CCB。采用鋁合金型材和塑料一體注塑成型后裝配鎂合金壓鑄件；(4)全塑CCB。采用玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料注塑成型[2-4}。

各大整車廠對CCB的輕量化進行了不同程度的開發(fā)與應(yīng)用研究[1，5]。但是，對于乘用車CCB輕量化技術(shù)在現(xiàn)階段應(yīng)用的成熟度、發(fā)展趨勢以及輕量化與整車成本的關(guān)系等，還需要進一步研究。

圖1 汽車儀表板橫梁及環(huán)境件示意

1 研究方法介紹

基于A2MAC1系統(tǒng)平臺，抽檢近20年來的63款量產(chǎn)車型作為分析對象，涵蓋歐系、美系、日韓系、國產(chǎn)品牌具有代表性的車型，抽樣數(shù)量分布見圖2。

圖2 抽樣車型數(shù)量分布

2 結(jié)果與討論

2.1 儀表板橫梁選材及質(zhì)量現(xiàn)狀

對抽檢的量產(chǎn)車型CCB按選材種類進行質(zhì)量統(tǒng)計，抽檢車型橫梁的質(zhì)量分布如圖3所示，可知：

(1)目前量產(chǎn)車型仍以鋼制CCB為主流，輕金屬CCB和混合型CCB的數(shù)量僅約占1/4。且輕金屬CCB方案多于混合型CCB方案，抽檢車型中無全塑CCB量產(chǎn)方案；

(2)根據(jù)不同車型及CCB結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋼制CCB的質(zhì)量分布為5～13 kg，平均質(zhì)量約8 kg；輕金屬CCB的質(zhì)量分布為4～8 kg，平均質(zhì)量為5～6 kg；混合型CCB的平均質(zhì)量為3～4 kg；

(3)相較于鋼制CCB，輕金屬CCB和復(fù)合型CCB輕量化效果明顯，且混合型CCB具有更大的輕量化潛力，可認為是現(xiàn)階段最先進的輕量化技術(shù)方案。

圖3 不同方案儀表板橫梁質(zhì)量分布

2.2 儀表板橫梁輕量化技術(shù)分析

2.2.1 行業(yè)整體現(xiàn)狀

對抽檢的量產(chǎn)車型CCB按車型品牌類別進行質(zhì)量統(tǒng)計，抽檢車型CCB的質(zhì)量分布如圖4，可以發(fā)現(xiàn)，歐系車型的CCB平

均質(zhì)量明顯低于其他品牌車型。這是因為歐系車型應(yīng)用輕量化方案比例較高，由圖5可見歐系車型CCB輕量化方案應(yīng)用比例超過50%，且輕金屬和混合型方案均有量產(chǎn)車型應(yīng)用。反觀其他車型，美系和自主車型僅有少量輕金屬CCB應(yīng)用，日韓車型則基本均為鋼制CCB。

圖4 不同車型品牌儀表板橫梁質(zhì)量分布統(tǒng)計

圖5 不同車系儀表板橫梁技術(shù)方案統(tǒng)計

由分析可知，相較于美系、日韓和自主品牌車型，在現(xiàn)階段歐系車型的CCB輕量化技術(shù)處于領(lǐng)先地位，且存在輕金屬和混合型CCB 2種輕量化方案。

2.2.2 歐系車型輕量化路徑

以歐系中有代表性的4家車企近20年來的車型為統(tǒng)計對象，在數(shù)次改款的過程中，各家車型的CCB方案的變化趨勢如圖6所示。奔馳部分車型總體上經(jīng)歷了從鋼制CCB到輕金屬CCB，最后到混合型CCB的技術(shù)發(fā)展路徑，混合型CCB為其現(xiàn)階段的主流輕量化方案；而寶馬、奧迪和大眾現(xiàn)階段主流輕量化技術(shù)是輕金屬方案；與此同時，出于成本考慮，歐系仍有部分車型采用鋼制CCB方案。

圖6 歐系車型CCB輕量化技術(shù)趨勢

2.3 輕量化技術(shù)與整車價位關(guān)系分析

零件輕量化技術(shù)的應(yīng)用，往往不可避免地帶來成本的增加，各主機廠一般會制定車價定位與輕量化方案策略。圖7列舉了部分搭載輕量化CCB方案的車型價位分布情況，可見搭載輕量化CCB的車型定價一般大于30萬元，但同時也可以看到低價位車型采用輕量化方案的可行性。

圖7 搭載輕量化CCB方案的車型價位(最低配置)分布

2.4 混合型CCB關(guān)鍵技術(shù)分析

2.4.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

以圖8所示的某車型混合型CCB為例，該CCB采用鋁合金管材作為嵌件，注塑塑料后采用FSD工藝裝配鎂合金壓鑄件。成型工藝流程如圖9所示，成型核心技術(shù)在于將表面處理后的鋁合金主管梁在注塑模具內(nèi)通過高壓水進行漲型，解決了鋁合金管梁與模具的貼合問題，從而實現(xiàn)塑料材料的注塑成型。另外，通過鋁合金的表面處理及與塑料的咬合結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)鋁合金與塑料支架的高強度連接。

圖8 某車型混合型儀表板橫梁

圖9 混合型儀表板橫梁成型工藝流程

2.4.2 低成本技術(shù)分析

作為現(xiàn)階段最先進的輕量化技術(shù)方案，混合型CCB成本較高是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要原因。據(jù)調(diào)研，相比于鋼制CCB約100元/件的價格，混合型CCB成本約400元/件以上。根據(jù)現(xiàn)有混合型CCB方案，對其低成本化提出以下建議：

(1)材料成本角度。使材料國產(chǎn)化或者用低價格材料替代，如采用長玻纖聚丙烯材料替代玻纖增強尼龍材料；

(2)模具、設(shè)備成本角度。研究用鋁管材精加工替代鋁管

高壓水漲型的可行性，以降低設(shè)備成本；同時結(jié)合塑料支架分塊注塑的方式，降低模具成本；

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計。避免主管梁彎梁設(shè)計，降低成型工藝難度；

(4)實現(xiàn)儀表板橫梁開發(fā)平臺化，降低零件開發(fā)費用均攤成本。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段儀表板橫梁仍以鋼制橫梁為主，已量產(chǎn)車型的輕量化方案有輕金屬CCB和輕金屬與復(fù)合材料混合型CCB，其中混合型CCB具有更大的輕量化潛力，是現(xiàn)階段最先進的輕量化技術(shù)方案。在CCB輕量化技術(shù)應(yīng)用方面，歐系車型處于領(lǐng)先地位，但不同車企采取了不同的輕量化方案。搭載輕量化CCB的車型定價一般大于30萬元，但是隨著低成本技術(shù)的發(fā)展，未來CCB的輕量化技術(shù)會得到廣泛應(yīng)用。