基于某款電動車副儀表板的輕量化設計

李威 亢勝利 王洪明

摘? 要：隨著能源短缺、環(huán)境破壞等社會問題的日益突顯，汽車輕量化已成為汽車社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措之一，尤其是在新能源汽車日益成為汽車發(fā)展的重要發(fā)展方向的大背景下，汽車的輕量化設計對汽車的節(jié)能降耗、性能提升以及降低制造成本上有著積極的推動作用。本文基于某款電動車的副儀表板系統(tǒng)，通過結構設計弱化以及零件集成的方法對該款車型的副儀表板系統(tǒng)進行輕量化優(yōu)化，優(yōu)化完成后通過CAE仿真技術來驗證本次輕量設計的可行性，并最終實現了該款車型的副儀表板輕量化。

關鍵詞：車身;副儀表板;輕量化

中圖分類號：U463.7? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0076-08

Abstract： With the energy shortage， environmental damage and other social problems have increased prominent， automobile lightweight has become one of the important measures for the sustainable development of automobile society， especially in the new energy vehicle has increasingly become an important development direction of automotive development under the background， The lightweight design of automobile plays a positive role in promoting the energy saving and consumption reduction， performance improvement and manufacturing cost reduction，. This paper is based on a sub-console system of an electric vehicle， Through the method of structural design weakening and parts integration， the lightweight optimization of the sub-console system of this model is carried out， After the optimization， CAE simulation technology was used to verify the feasibility of the lightweight design， and finally realized the lightweight of the sub-console of this model.

前? ? 言

所謂汽車輕量化技術，是指汽車在滿足原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能的前提下[1]，以及汽車本身成本不被提高的基礎上，有目標地減輕汽車自身的重量。在車身設計過程中，車身輕量化主要可從結構設計優(yōu)化、材料輕量化、制作工藝的改進以及集成化設計的角度來實現車身質量的減輕。本文基于上述條件，采用結構設計優(yōu)化以及零件集成的方法，對副儀表板的總體質量進行輕量化提升，并最終實現該款車型制造成本的降低和整車性能的提升。

1? ? 優(yōu)化前副儀表板系統(tǒng)結構分析

該車型是基于某汽油車型平臺進行純電動化改造。由于白車身、底盤、電器、內飾件等大部分零件必須沿用，從而導致了該車型的整備質量大于同級別的其他純電動車型，給該車型帶來了續(xù)航里程低，動力性不足的問題，因此對該車型進行輕量化改造顯得尤為重要。本章對該副儀表板系統(tǒng)的整體結構進行分析，找出帶來質量升高的關鍵要素。圖1是該副儀表板系統(tǒng)的整體構造圖。

對該副儀表板系統(tǒng)進行分塊，并編寫成bom表，bom表中包含每一個分塊結構的重量、規(guī)格、材料定義以及成型工藝如表1。

圖2是該副儀表板系統(tǒng)零部件分解后的質量柱狀圖。

通過對該副儀表板零部件質量柱狀圖分析，我們可以看到影響該副儀表板系統(tǒng)質量高的零部件主要有副儀表板外箱骨架總成、副儀表板內箱骨架總成、后固定支架以及換擋器支架。后續(xù)我們將從此四個零件著手進行輕量化設計及實施，以達到副儀表板系統(tǒng)輕量化的目標。

2? ? 副儀表板系統(tǒng)輕量化方案構想

2.1? ?車身輕量化主要方法

在車身設計過程中，主要可從車身結構、材料、制造工藝優(yōu)化以及集成化設計角度來實現車身質量的減輕[2]。

（1）結構優(yōu)化輕量化：主要是對車身結構進行優(yōu)化，采用減料厚、零件開孔、結構切除弱化等技術對零件的整體結構進行減重;

（2）材料輕量化：主要是不影響車身機械性能的情況下，改變車身原有的材料特性，從而達到輕量化的目的，目前主要的應用有，鋁合金輕質材料的應用、塑料復合材料的應用、碳纖維材料的應用[3];

（3）制造工藝輕量化：所謂制造工藝輕量化，就是采用新的制造工藝技術，對零件進行輕量化加工，目前主要的應用技術有微孔成型技術、發(fā)泡成型技術以及激光拼焊技術等;

（4）集成化技術：主要是采用零件前端模塊集成化技術，對零件整體結構進行輕量化，目前主集成化技術主要有鑄造鋁合金零部件集成設計;車身骨架集成設計。

以上四種方法為車身輕量化技術的主要方法。

2.2? ?副儀表系統(tǒng)輕量化方案構想

根據影響該車型副儀表板質量高的主要零部件有副儀表板外箱骨架總成、副儀表板內箱骨架總成、后固定支架以及換擋器支架，本節(jié)將基于上述車身輕量化方法，著重對此四個零件進行輕量化優(yōu)化設計。

2.2.1 后固定支架輕量化構想

為了提高副儀表板整體模態(tài)，在設計副儀表板時通常會在副儀表板后部增加一個后固定支架，該后固定支架既能提升副儀表板整體模態(tài)，又能將副儀表板后部固定牢靠，從而達到提升此副儀表板系統(tǒng)的整體可靠耐久性的目的。在設計初期定義此后固定支架的材料為metal牌號DC04，料厚為3mm，通過競品對標發(fā)現很多車型的后固定支架的相同的材料，但是零件料厚僅為1.5mm左右，基于競品對標情況，我們將此后固定支架的設計料厚由3mm減小到1.4mm，并對局部結構特征進行優(yōu)化（如圖3所示），從而使零件的重量由1.372kg降低到了0.441kg，輕量化了0.931kg，輕量化效果顯著。

2.2.2 副儀表板骨架輕量化方案構想

副儀表板系統(tǒng)作為內飾系統(tǒng)中一個重要功能集成體，既滿足了乘客儲物方便性，又滿足了駕駛員的換擋方便性，按照傳統(tǒng)的副儀表板設計方法[4]，換擋器機構總成上部與副儀表板換擋面板通過卡接固定，下部通過打螺釘固定在換擋器支架上，換擋器支架與車身地板固定，從而達到支撐換擋器的目的，保證換擋操作的可靠性（如圖4所示）。由此我們設想，如果換擋器支架不直接與地板固定，而是與副儀表板總成集成后再與地板固定，換擋器機構總成固定在副儀表板骨架上，從而可以實現利用換擋器支架充當副儀表板前部骨架的目的（如圖5所示），進而達到可以對副儀表骨架進行輕量化的目的，上述輕量化構想方案具體實施方法如下圖所示。

當換擋器支架與副儀表板外箱骨架集成后，副儀表板前部區(qū)域將因換擋器支架的存在，轉而由換擋器支架提供副儀表板前部剛性，進而可以將副儀表板前部骨架切除掉（如圖6所示）;同時在副儀表板骨架中下部區(qū)域由于座椅的遮擋，乘客很難觸碰到該區(qū)域，因此該區(qū)域的副儀表板骨架也是可以被優(yōu)化掉（如圖6所示）;而后部區(qū)域的骨架由于與后固定支架連接，同樣可以由后固定支架對后部區(qū)域提供剛性支撐，因此后部區(qū)域的骨架是可以挖孔弱化;扶手鉸鏈區(qū)域也同樣可以采用相同的方法。經過以上輕量化方案的優(yōu)化，副儀表板骨架質量由2.854kg降低到1.116kg，輕量化了1.738kg，輕量化效果明顯。

2.2.3 輕量化構想小結

本節(jié)采用零件集成、結構弱化以及零件料厚減薄的技術，分別對副儀表板后固定支架和副儀表板骨架進行輕量化，總計輕量化重量達到了2.669kg，輕量化質量占該副儀表板總成（副儀表板總成總質量8.6kg）的31%，輕量化效果顯著（如表2所示）。

3? ? 副儀表板系統(tǒng)輕量化方案驗證

采用CAE分析的方法對上述的輕量化構想進行仿真驗證。此次CAE驗證主要從副儀表板模態(tài)、頭碰以及剛性三個方面的性能進行驗證分析[5]，驗證輕量化后的副儀表板系統(tǒng)是否滿足常規(guī)的副儀表板性能定義要求。圖7為本次CAE分析所需的副儀表板材料參數輸入。

3.1? ?副儀表板總成模態(tài)驗證

對副儀表板總成模態(tài)性能進行仿真驗證，驗證方法按照我司標準中所述的方法，將副儀表板安裝在模擬整車環(huán)境的虛擬剛性臺架上（臺架的固有頻率應大于100Hz），固有頻率大于100Hz的整車剛性臺架;Z向振動掃頻10～100Hz，掃頻速度0.2Hz/s;掃頻加速度1G;掃頻時間10min;試驗結束后要求副儀表板總體模態(tài)不低于35Hz;局部模態(tài)不低于30Hz。

按照上述模態(tài)驗證方法對副儀表板總成的模態(tài)進行CAE仿真驗證，從驗證結構來看，副儀表板一階模態(tài)達到了30.755HZ，二階模態(tài)為58.558HZ，由此可以證實輕量化后的副儀表板模態(tài)可以滿足總體模態(tài)不低于35Hz;局部模態(tài)不低于30Hz的要求。從而證實了我們的輕量化構想滿足副儀表板總成模態(tài)性能要求（如圖8所示）。

3.2? ?副儀表板總成頭碰性能驗證

對副儀表板總成的頭碰性能進行仿真驗證，驗證方法根據法規(guī)GB11552-2009，用直徑165mm的球頭模型以24.1km/h的速度撞擊儀表板的碰撞區(qū)域。要求;球頭減速度超過72g的持續(xù)時間不超過3ms，不得出現可致人嚴重傷害的凸起滿足突出物法規(guī)GB 11552-2009。其CAE仿真結果如下：

按照上述頭碰性能驗證方法對副儀表板總成的頭碰性能進行驗證，從副儀表板頭碰區(qū)域隨機選取四個點進行頭部撞擊驗證，分析結果得出此四個點的再3ms內的碰撞加速度分別為71.34g、68.43g、68.06g、71.91g（如圖9所示），滿足≤72g的性能要求，即說明此輕量化方案可行。

3.3? ?副儀表板總成剛性驗證

對副儀表板總成的剛性進行仿真驗證，剛性驗證分為面剛性驗證和點剛性驗證，其中面剛性驗證按照我司標準，將副儀表板安裝在虛擬剛性臺架或整車上，副儀表板左側和右側各施加150N的力，持續(xù)5s。作用力優(yōu)先施加在副儀表板的高位和后部，作用力點在項目技術文件（或圖紙）中明確規(guī)定。力垂直于表面，作用面：60mm×80mm的板（手掌和膝蓋代表的面積）。試驗期間，在150N的作用力下，前部區(qū)域的撓度應該小于3mm，后部區(qū)域應小于4mm。試驗后，在這些區(qū)域不應該有任何永久變形;點剛性驗證按照我司標準，將副儀表板安裝在剛性臺架或整車上。副儀表板側面各施加一個力（Y+/Y-）;副儀表板上面向下施加一個垂直的力（Z-）;副儀表板后面向前施加一個水平的力（X-）。力的作用點都在項目技術文件（或圖紙）中明確規(guī)定。力的方向垂直于表面，力的作用面積：端部?14mm（代表一個手指頭）試驗期間，所有點上施加50N的作用力，撓度小于3mm。試驗結束之后，在這些區(qū)域不應該有任何永久變形。

在測試副儀表板總成點剛性時，在副儀表板側面隨機選取9個點，測試結果如圖10所示，副儀表板總成的點剛性用有力的位移曲線來表示。

按照上述試驗要求對副儀表板的點剛性和面剛性進行驗證，從驗證結果來看，輕量化后的副儀表板點剛性和面剛性均能滿足性能定義要求，由于可以證實副儀表板系統(tǒng)輕量化構想方案的可行性。

4? ? 結論

本文基于某款電動車型的副儀表板系統(tǒng)，在滿足汽車原有的駕駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能的前提下，以及汽車本身成本不被提高的基礎上，有目標的對該車型進行輕量化優(yōu)化設計。在上述前提下，本次輕量化優(yōu)化設計采用的方案，首先對該副儀表板的物料清單中的各子零部件進行質量對比分析，精準找出影響該副儀表板系統(tǒng)質量升高的主要零部件，并就此對這些重量較高的零部件開展優(yōu)化設計。本文主要采用的輕量化優(yōu)化設計方法有零件結構弱化和零件集成，首先對副儀表板后固定支架進行減料厚以及結構弱化，使其總質量由1.372kg降低到了0.441kg，同時將換擋器支架由原來固定在車身地板調整到與副儀表板外箱骨架集成，由換擋器支架替代副儀表內箱前部骨架，進而可以對副儀表板前部骨架進行切除優(yōu)化，同時座椅遮擋區(qū)域架、后固定支架區(qū)域、扶手鉸鏈區(qū)域骨架均可以進行輕量化優(yōu)化設計，最終副儀表板骨架的質量由2.854kg降低到1.116kg，優(yōu)化設計完成后，采用CAE仿真分析技術對副儀表板頭碰、模態(tài)、剛性此三項主要性能進行仿真驗證，驗證結果達到我司標準要求，由此說明本次輕量化優(yōu)化設計達標，并最終實現了該副儀表板系統(tǒng)的總體輕量化，為整車制造成本的降低以及性能的提升提供了積極促進作用。

參考文獻：

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