鎂合金汽車儀表板橫梁輕量化設(shè)計與性能分析

姜子敬　史付磊　蔣新亮　李文中　李振興　馬秋

摘 要：為實現(xiàn)汽車輕量化，對鋼制儀表板橫梁骨架總成進行了鎂合金替代設(shè)計。依據(jù)鎂合金材料和工藝特性，設(shè)計合理的儀表板橫梁結(jié)構(gòu)和連接工藝;建立仿真分析模型，對比分析鋼制和鎂合金儀表板橫梁的NVH、變形量和碰撞入侵量。此外，對鎂合金CCB進行零部件NVH、碰撞安全性能驗證。結(jié)果表明，鎂合金替代鋼制儀表板橫梁在實現(xiàn)減重4.4kg的輕量化效果的同時，整體的模態(tài)、碰撞安全以及可制造型均能滿足企業(yè)技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：儀表板橫梁 鎂合金 輕量化 性能分析

Lightweight Design and Performance Analysis of Magnesium Alloy Automobile Instrument Panel Crossbeam

Jiang Zijing Shi Fulei Jiang Xinliang Li Wenzhong Li Zhenxing Ma Qiu

Abstract：To reduce the weight of the car， a magnesium alloy replacement design was carried out on the steel instrument panel beam frame assembly. Based on magnesium alloy materials and process characteristics， the article designed a reasonable instrument panel beam structure and connection technology， established a simulation analysis model to compare and analyze the NVH， deformation and collision intrusion of steel and magnesium alloy instrument panel beams. In addition， the NVH and collision safety performance of the magnesium alloy CCB imported parts were verified. The results show that the replacement of steel instrument panel beams by magnesium alloy can achieve a weight reduction of 4.4kg while achieving the overall modal， collision safety and manufacturability to meet the technical requirements of the enterprise.

Key words：cross car beam， magnesium alloy， lightweight， performance analysis

1 前言

乘用汽車儀表板橫梁總成（ Cross Car Beam，CCB）支撐娛樂主機、抬頭顯示、空調(diào)出風(fēng)口、各種控制面板等人機交互界面控制所需的設(shè)備和裝飾件，并與安全氣囊等其他安全零部件一起構(gòu)成汽車安全防護系統(tǒng)和保護車內(nèi)乘員的結(jié)構(gòu)件，其強度和剛度是CCB安全性能的首要指標(biāo)[1]。圖1是某車型的CCB結(jié)構(gòu)，主要由主橫梁和安裝支架、HUD支架、BCM支架、PAB支架、空調(diào)支架、手套箱支架等組合而成。由于CCB直接與車身連接，承受并傳遞支撐和連接的零部件的載荷，直接影響整車的工程設(shè)計、駕駛性、舒適性和安全性[2，3]。CCB 設(shè)計不當(dāng)或性能不滿足整車要求，將會引發(fā)方向盤、轉(zhuǎn)向管柱的顫振，從而導(dǎo)致乘員艙NVH（Noise，Vibration，Harshness）性能變差，如方向盤的怠速抖動和汽車在勻速行駛時儀表板總成里面的振動異響等質(zhì)量問題，影響汽車的駕駛舒適性[4]。此外，隨著環(huán)保和新能源汽車對車型輕量化設(shè)計的要求越來越高，要開發(fā)出既能滿足各方面性能要求，質(zhì)量又最輕的CCB結(jié)構(gòu)，成為整車輕量化設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)汽車CCB通常采用鋼管或鋼板沖壓件組合焊接工藝，此類鋼制CCB的組成零件數(shù)量多，焊接組裝工藝和程序復(fù)雜，不利于尺寸精度和穩(wěn)定性的控制，并且整體重量平均在7kg以上，不符合輕量化設(shè)計理念[5]。而鎂合金的密度僅為鋼鐵密度1/4，鋁合金密度的2/3，是目前應(yīng)用的最輕的金屬材料。因此，將鎂合金應(yīng)用于汽車CCB，實現(xiàn)40%以上的減重效果，是當(dāng)前解決輕量化問題的優(yōu)先選擇，吸引越來越多的整車廠研究開發(fā)?；贏2Mac1系統(tǒng)平臺統(tǒng)計車型應(yīng)用鎂合金CCB的情況如表1，7款車型采用鎂合金CCB，重量分布在3.408kg～5.9kg，輕量化技術(shù)處于領(lǐng)先地位，表明鎂合金CCB的技術(shù)成熟度高，輕量化效果顯著，可以進行量產(chǎn)車型的開發(fā)和應(yīng)用[6]。

與鋼制CCB相比，鎂合金CCB采用整體壓鑄成型的生產(chǎn)工藝，可以把傳統(tǒng)鋼制CCB的20多個支架集成為一體，鎂合金CCB零件集成化程度高，尺寸精度高，零件形狀設(shè)計自由度大，并且可100%回收利用。本文對某車型的鋼制儀表板橫梁骨架總成進行了鎂合金替代設(shè)計，采用鎂合金一體壓鑄成型工藝而成的儀表板橫梁骨架總成設(shè)計方案，并對其進行仿真和零件試驗進行NVH、安全性能分析，驗證鎂合金CCB替代鋼制CCB結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化效果和性能優(yōu)勢，旨在為車型鎂合金CCB的開發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼制CCB以某車型圖2（a）為例通常包括左、右側(cè)支架、轉(zhuǎn)向管柱支架、安全氣囊（PAB）支架、空調(diào)（HVAC）支架、駕駛員側(cè)支架、副駕駛員側(cè)支架、中控臺支架、踏板碰撞保護支架、儀表板護板安裝支架等13個支架，這些支架結(jié)構(gòu)焊接在儀表板橫梁的主管結(jié)構(gòu)上。根據(jù)車型開發(fā)的要求和鎂合金材料、工藝的特性確定鎂合金替代鋼制CCB的設(shè)計原則：不改變CCB原部件所具有的功能，不改變關(guān)鍵定位孔和連接孔的位置和大小;鎂合金CCB以壓鑄成型為主，在保證模態(tài)和安全等基本性能指標(biāo)的前提下進行替代設(shè)計，實現(xiàn)單一產(chǎn)品多結(jié)構(gòu)模塊化安裝。本研究針對鎂合金CCB設(shè)計開發(fā)定義性能要求指標(biāo)如表2。

由于鎂合金材料的拉伸強度、屈服強度、彈性模量等力學(xué)性能均差于鋼材，根據(jù)經(jīng)驗，鎂合金的替代設(shè)計達到與鋼材等同的性能效果，鎂合金零件料厚需要是鋼材的1.2～1.8倍。分析CCB總成各個零部件的特征進行最優(yōu)的選材、結(jié)構(gòu)和連接工藝設(shè)計。本研究采用AM60B鎂合金材料牌號進行鋼制CCB代替設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖2（b）。鋼制CCB重量10.7kg，鎂合金CCB重量6.3kg（包括鎂合金一體壓鑄成型的主體結(jié)構(gòu)和特殊性能要求的鈑金沖壓成型安裝支架），減重4.4kg，減重41%。

鎂合金CCB安裝采用“一面兩銷”的定位結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。鎂合金CCB兩端設(shè)計定位銷直徑φ11mm，車身鈑金為主定位圓孔直徑φ11.2mm，輔助定位長圓孔尺寸為11.2mm×15mm。X方向采用定位銷所在平面進行限位。

3 儀表板橫梁性能分析

3.1 夾持變形CAE性能分析

將CCB橫梁總成掛在夾具上，以便后續(xù)安裝儀表板總成上的其他零部件。夾具在夾緊過程中，考察吊耳支架的變形量，仿真分析結(jié)果如圖4所示。當(dāng)CCB承重10kg時，鋼制CCB夾具固定處左、右兩邊的總變形量0.07mm，鎂合金CCB總變形量0.51mm;當(dāng)CCB承重15kg時，鋼制CCB夾具固定處左、右兩邊的總變形量0.11mm，鎂合金CCB總變形量0.74mm;當(dāng)CCB承重20kg時，鋼制CCB夾具固定處左、右兩邊的總變形量0.145mm，鎂合金總變形量0.99mm。綜上，鎂合金CCB的總變形量大于鋼制CCB，說明鎂合金CCB的強度和剛度差于鋼制CCB，但均滿足企業(yè)技術(shù)要求，其強度和剛度保證了整車的NVH性能。

3.2 偏置碰CAE性能分析

將鋼制CCB和鎂合金CCB橫梁總成分別進行64kph ODB的偏置碰撞安全性能仿真分析，結(jié)果如圖5和圖6所示。兩種材料CCB的仿真車型的移動姿態(tài)情況一致，方向盤和腳踏板均無較大的侵入量。CCB的A區(qū)域前支架變形大，可以減少CCB的侵入，支架變形越大，CCB的侵入越小，仿真結(jié)果顯示鎂合金CCB的侵入模型大于鋼模型。踏板臂撞擊到CCB的下固定B區(qū)域，鋼制CCB當(dāng)踏板臂碰撞下固定裝置時，支架變形較大，因此需要增加橫梁以阻止踏板的侵入。鎂合金CCB當(dāng)踏板臂碰撞CCB的下固定區(qū)域時，沖擊區(qū)域沒有明顯的變形，并且踏板臂無法繼續(xù)向后移動，因此踏板不會有較大的侵入。

對于加速偏置碰撞，鋼制CCB和鎂合金CCB的變形情況都可以接受。對于轉(zhuǎn)向和CCB入侵，鎂合金CCB的變形量大于鋼制CCB，踏板入侵鎂合金CCB小于鋼制CCB，鎂合金CCB的塑性應(yīng)變優(yōu)于鋼制CCB，兩種材料的CCB結(jié)構(gòu)均可以滿足企業(yè)技術(shù)要求。

4 鎂合金CCB試驗結(jié)果分析

為驗證鎂合金CCB零部件實物的性能，按照產(chǎn)品性能要求對其進行NVH模態(tài)和安全碰撞可靠性試驗，結(jié)果如表3所示。鎂合金CCB的臺架剛性約束主梁的一階模態(tài)210Hz，滿足企業(yè)要求的≥180Hz。轉(zhuǎn)向管柱剛度變形量725.5N/mm，大于目標(biāo)要求的500N/mm。動態(tài)沖擊試驗在樣品失效前的承受力16.98KN，滿足目標(biāo)要求的≥15KN。動態(tài)沖擊試驗在樣品失效前的承受力16.30KN，滿足目標(biāo)要求的≥8KN。綜上，鎂合金CCB的實物的性能驗證均能夠滿足技術(shù)要求，保證了CCB的NVH和安全性能。鎂合金CCB的動態(tài)沖擊試驗的沖擊力傳遞路徑以及數(shù)值方法可提前對鎂合金CCB的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計提供預(yù)測，節(jié)省CCB驗證的整車碰撞試驗頻次以及數(shù)量;動態(tài)沖擊試驗更貼近實車碰撞要求，有效地對整車碰撞試驗提供了參考價值，試驗案例的方向具有基礎(chǔ)性、普遍性。

5 結(jié)論

采用AM60B鎂合金設(shè)計開發(fā)的儀表板橫梁較鋼制儀表板橫梁減重4.4kg，輕量化效果顯著，同時能夠滿足產(chǎn)品的NVH、安全性能要求，可以作為汽車儀表板橫梁輕量化設(shè)計的優(yōu)選方案。在鎂合金替代鋼制儀表板橫梁設(shè)計開發(fā)的流程中需要重點關(guān)注鎂合金材料和工藝特性，按照車型開發(fā)的性能要求，采用仿真和零部件臺架試驗的方式進行充分仿真和零部件級性能驗證，有效地對整車NVH和安全性能提供參考。

參考文獻：

[1]范軍鋒，馮奇，凌天均，等.鎂合金儀表板橫梁開發(fā)和研究[J].汽車工藝與材料，2012（8）：64-69.

[2]甘志常.汽車儀表板技術(shù)分析[J].汽車與配件，2018（23）：71-73.

[3]高云凱，劉海立，萬黨水，等.擠壓鎂合金汽車儀表板橫梁骨架設(shè)計[J].汽車工程，2011（2）：168-171.

[4]劉洲，胡玉潔，付丹，等. 淺談乘用車儀表板橫梁輕量化技術(shù)[J]. 動態(tài)與綜述，2020（1）：92-95.

[5]陳飛，陳云霞，李軍，等. 鎂合金在汽車儀表板橫梁上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代零部件，2013（08）：37-39.

[6]于彥東，李彩霞. 鎂合金AZ31B板材熱拉深成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國有色金屬學(xué)報，2006（05）：786-791.

作者簡介

姜子敬：吉利汽車研究院（寧波）有限公司，碩士，主要從事汽車輕量化性能開發(fā)方面的研究。