輕量化儀表板橫梁應用趨勢分析

摘要：針對以鋼制、鋁鎂合金、復合材料為主要材料的儀表板橫梁，從輕量化、精度、成本3個方面分析儀表板橫梁的使用場景和應用趨勢，對比不同形式儀表板橫梁的技術(shù)缺陷和工藝限制。研究認為，隨著復合材料橫梁的普遍使用，鋼制橫梁的成本優(yōu)勢和鋁鎂合金橫梁的輕量化優(yōu)勢將不再顯著，復合材料橫梁將成為趨勢。

關(guān)鍵詞：儀表板橫梁 精度 輕量化

中圖分類號：U463.85+6 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230334

Analysis of the Application Trend of Lightweight Instrument Panel Beams

Zhou Xinxing， Li Yang， Du Meng

（China National Heavy Duty Truck Group Co.， Ltd.， Ji’nan 250000）

Abstract： For the instrument panel beams made mainly of steel， aluminum-magnesium alloy， and composite material， this paper compares the instrument board beams of different processes in terms of lightweight， accuracy， and cost， studies and analyzes the use scenarios and application trends of instrument panel board， and compares the technical defects and process restrictions of different types of instrument panel beams. The study believes that with the general use of composite material beams， the cost advantage of steel beams and the lightweight advantages of aluminum-magnesium alloy beams will no longer be significant， while composite material beams will become the mainstream trend of process manufacturing.

Key words： Instrument panel beam， Accuracy， Lightweight

1 前言

儀表板作為駕駛室內(nèi)部的重點關(guān)注區(qū)域，是內(nèi)飾評價的關(guān)鍵部分。汽車儀表板的整體質(zhì)感直接決定了內(nèi)飾造型設(shè)計成功與否，儀表板橫梁是儀表板整體質(zhì)感保證的前提，其制造精度直接決定了內(nèi)飾儀表臺的間隙面差是否滿足尺寸技術(shù)規(guī)范（Dimensional Technical Specification， DTS）要求，進而提升整個汽車內(nèi)飾的精致感知水平。

鋼制儀表板橫梁質(zhì)量可達15 kg，如何尋找性能更優(yōu)、質(zhì)量更輕的替代產(chǎn)品，成為每個汽車主機廠輕量化應用研究的重點，下面介紹不同種類的儀表板橫梁及其應用趨勢[1-3]。

2 儀表板橫梁分類

2.1 鋼制儀表板橫梁

目前，汽車用儀表板橫梁通常采用鋼管和鋼板沖壓件組合焊接制造，此類鋼制儀表板橫梁總成的零件數(shù)量多，然而沖壓單件的回彈變形和焊接后的產(chǎn)品熱變形使產(chǎn)品總成難以進行有效的尺寸控制。另外，鋼制儀表板橫梁還需要滿足嚴苛的結(jié)構(gòu)剛度/強度、疲勞耐久、碰撞和模態(tài)等要求，造成總成整體質(zhì)量偏大，不符合輕量化理念。

鋼制儀表板橫梁設(shè)計過程中，通常根據(jù)不同產(chǎn)品的質(zhì)量、受力、剛度以及模態(tài)等要求，在滿足使用需求的前提下，在相應的位置采用不同厚度和材料的金屬沖壓件與不同直徑的主梁拼焊，以降低儀表板橫梁的總成質(zhì)量。如圖1所示為常見的鋼制儀表板橫梁。

焊接和加工過程對儀表板橫梁尺寸精度的影響是不可避免的，鋼制儀表板橫梁尺寸精度的提升主要通過焊接工裝、焊接機器人的應用來保證工藝的穩(wěn)定性，也可優(yōu)化儀表板橫梁與車身的安裝定位關(guān)系。近年也有針對重力作用下的零部件變形開展進一步的影響分析并進行相應的優(yōu)化設(shè)計的研究[4]，但在現(xiàn)有工藝水平下，工裝的應用、工藝的提升或結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對尺寸精度的提升有限。

鋼制儀表板橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析技術(shù)發(fā)展最為成熟，易達到安全性能和防撞等方面的要求，且產(chǎn)品成本低，因此，在傳統(tǒng)燃油車上應用最廣泛。但是，產(chǎn)品的防銹和系統(tǒng)尺寸精度提升依然是鋼制儀表板橫梁的問題點，需在產(chǎn)品性能和成本之間進行平衡，鋼制儀表板橫梁常見的表面防銹處理工藝有電泳和涂防銹油2種，2種防銹工藝的工作原理和使用效果不同，對儀表板橫梁的單件成本增加也有不同程度的影響。因此，汽車主機廠通常會依據(jù)車型價格的定位來確定產(chǎn)品的成本，進而選擇不同型材和防銹工藝進行組合使用。圖2所示為生銹的儀表板橫梁。

2.2 鋁合金儀表板橫梁

輕量化不僅考慮整車質(zhì)量目標的實現(xiàn)，還要衡量對整車性能的影響，對新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料的使用提出了更高的要求。

鋁合金作為一種輕質(zhì)合金，具有良好的力學性能，密度僅為鋼材的1/3，采用鋁合金材料制造儀表板橫梁可大幅降低系統(tǒng)的總成質(zhì)量。鋁合金按照加工方法可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，變形鋁合金可分為沖壓鋁合金和擠壓鋁合金。

對于零件形狀截面相同的零件，如儀表板橫梁主梁、轉(zhuǎn)向管柱安裝支架，通常采用擠壓成形工藝，對于零件形狀截面不規(guī)則的零件，如空調(diào)安裝支架、乘員側(cè)安全氣囊安裝支架等，通常采用沖壓成形工藝[5]。如圖3所示為鋁合金儀表板橫梁。

與鋼材相比，鋁合金延伸率低，在室溫下沖壓成形的成形性差，容易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象[6]。針對鋁合金難以良好成形的問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需根據(jù)其料厚合理控制板材翻邊根部圓角的大小和翻邊高度。在對鋁合金產(chǎn)品折彎之前需進行熱處理，以避免圓角處出現(xiàn)裂紋或發(fā)生斷裂，進而影響產(chǎn)品的綜合性能。

儀表板橫梁組成部件較多，需要多零件拼接、焊接而成[7]。由于鋁合金熔點低（550～660 ℃），在焊接過程中易在表面生成高熔點氧化膜（熔點溫度2 040 ℃），使焊接難以持續(xù)進行，焊接產(chǎn)品不易熔合，焊接部位易產(chǎn)生氣孔，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。鋁的膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，熱量輸入導致熱影響區(qū)強度柔化，加大了工件內(nèi)應力和變形，增加了裂紋的敏感度。因此，鋁合金儀表板橫梁的應用并不廣泛。如表1所示為常見的鋁合金連接技術(shù)。

自2019年特斯拉發(fā)布一體壓鑄成形車身技術(shù)以來，以新能源車企為主力的多數(shù)汽車企業(yè)開始了一體式壓鑄技術(shù)的探索和規(guī)劃。與傳統(tǒng)汽車零部件壓鑄相比，一體式壓鑄采用較大噸位的壓鑄機將原有的幾十個零件整合成為一個大型零件，極大地減少零部件的數(shù)量和種類。一體式壓鑄技術(shù)不僅解決了鋁合金焊接技術(shù)的問題，在提高生產(chǎn)效率、降低零件成本、提升精度和減輕整車質(zhì)量方面同樣有明顯的優(yōu)勢。某新能源車型采用一體式壓鑄工藝，單車零件數(shù)量減少159個，整車扭轉(zhuǎn)剛度較傳統(tǒng)車身提升50%，極大提升了車輛的安全性能[8-10]。圖4所示為一體式壓鑄車身零件。

2.3 鎂合金儀表板橫梁

鎂合金是以鎂為基材加入其他元素組成的合金材料，其特點是密度?。?.74 g/cm3），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，在35 MPa的應力水平下，鎂合金AZ91D衰減系數(shù)為25%，鋁合金僅為1%，這使得鎂合金壓鑄件因環(huán)境溫度和時間變化所造成的尺寸不穩(wěn)定性極大降低[11]，有利于保證產(chǎn)品精度。

汽車工業(yè)通常采用AM系鎂合金和AZ系鎂合金，常見的鎂合金主要有AM60B和AZ91D，其中AM60B鎂合金中鋁含量較低，隨著鋁含量的降低，材料的韌性逐漸增高；AM60B具有和AZ91D同樣優(yōu)良的耐蝕性能，但韌性和塑性更好[12]。與A380鋁合金相比，鎂合金耐蝕性更加優(yōu)秀。如圖5所示為鎂合金儀表板橫梁。

鑄造是鎂合金的主要成形方法，包括砂型鑄造、金屬型鑄造、重力鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造、永久模鑄造和壓鑄等在內(nèi)的多種鑄造方法均可用于鎂合金成形，其中壓鑄是最成熟、應用最廣的工藝方法，目前在歐美、日本等地已有相當規(guī)模。壓鑄分為熱室鑄造和冷室鑄造，前者是鎂合金較為常用的方法，但壓鑄件不宜過大，通常用于生產(chǎn)質(zhì)量不大的薄壁件，如英國Kirt precision公司用熱室壓鑄生產(chǎn)AZ91HP鎂合金自行車架；冷室壓鑄系統(tǒng)常用來生產(chǎn)厚壁件和大鑄件，如美國通用汽車公司用冷室壓鑄生產(chǎn)汽車儀表板橫梁。鎂合金室溫塑性成形能力差；高溫時，由于產(chǎn)生孿晶滑移，塑性成形能力有所提高； 同時成形過程中變形速率和應力狀態(tài)也是重要的考慮因素。目前，鎂合金的塑性成形過程主要為鍛造和擠壓，少量為軋制成形。結(jié)合目前國內(nèi)技術(shù)實力與供應商現(xiàn)狀，壓鑄成形是目前鎂合金儀表板橫梁的最佳選擇。

與傳統(tǒng)鋼制儀表板橫梁相比，鎂合金儀表板橫梁具有輕量、減振吸能、集成度高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，并具有良好的耐腐蝕性，采用適當?shù)谋砻嫣幚矸绞娇捎行Ы鉀Q長久困擾儀表板橫梁的生銹問題。由于汽車智能化和智能座艙概念的深入探索，車載電器的種類日益增多，受布置位置和空間結(jié)構(gòu)限制等多方面因素的影響，儀表板系統(tǒng)內(nèi)的電器增加，對儀表板橫梁上的支架數(shù)量和布置提出了更高的要求。受工藝和成本的限制，鎂合金儀表板橫梁并未廣泛應用。

2.4 復合材料儀表板橫梁

輕量化材料替代、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、先進制造工藝是輕量化管梁設(shè)計的3個重要途徑，其中鋁鎂合金加強梁、復合材料加強梁已成為各廠家使用的新思路及主要趨勢。然而，國內(nèi)汽車在輕量化技術(shù)方面與國外先進水平相比存在較大差距，除了基本延續(xù)傳統(tǒng)制造工藝和技術(shù)的先進高強鋼外，鋁鎂輕金屬、復合材料由于制造工藝均在一定程度上不同于原有的汽車零部件制造工藝，甚至存在顛覆性的改變，在國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)還未形成較大規(guī)模。

與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源汽車的市場應用問題通常受到續(xù)駛里程的制約，在相同電池容量的條件下，整車質(zhì)量越小，續(xù)駛里程越長。新能源汽車的跨越式發(fā)展加快了行業(yè)技術(shù)迭代，鋁塑、鋼塑等復合材料新形態(tài)儀表板橫梁逐漸進入大眾視野。如圖6所示為鋁塑儀表板橫梁。

復合材料儀表板橫梁綜合了鋼制橫梁的經(jīng)濟性能，又融入了鋁鎂合金儀表板橫梁的輕量化性能和防銹性能，不斷增加實際應用中的比例。張小敏等[13]利用有限元分析軟件，通過模擬實際工況下儀表板橫梁的約束與載荷，分析了聚丙烯/玻璃纖維材料與合金組合結(jié)構(gòu)的儀表板橫梁的靜剛度及模態(tài)，仿真分析結(jié)果表明，其符合使用工況要求。從理論上驗證了關(guān)鍵部位使用合金、一般部位使用玻璃纖維的混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計可行性，在滿足技術(shù)條件要求的前提下，最大限度實現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化。

復合材料儀表板橫梁的最大優(yōu)勢為精度高，分析表明：鋁塑儀表板橫梁的安裝點精度可實現(xiàn)±0.5 mm，總成模態(tài)頻率可達130 Hz以上，完全滿足現(xiàn)階段汽車內(nèi)飾的品質(zhì)需求和強度要求。圖7為鋁塑儀表板橫梁的位移云圖。

與其他形式的儀表板橫梁不同，復合材料儀表板橫梁對注塑模具提出了新的要求，設(shè)計開發(fā)過程中必須考慮模具成本進行綜合分析。表2為不同材質(zhì)的儀表板橫梁綜合性能對比情況分析。

3 商用車儀表板橫梁

現(xiàn)階段，商用車的儀表板橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計大多通過改變儀表板橫梁的橫截面形狀和不同厚度的鈑金支架來平衡輕量化和強度[14-15]，但奔馳某商用車鋼制儀表板橫梁的總成質(zhì)量仍然達到34 kg。由于安裝方式和裝配順序與乘用車存在差異，商用車的儀表板橫梁也存在全塑的狀態(tài)，通過幾個獨立的塑料支架與前圍本體連接，儀表板系統(tǒng)的其他零件在散裝到前圍本體上。圖8為奔馳某款商用車的儀表板塑料支架，這類支架與乘用車的傳統(tǒng)概念的儀表板橫梁存在較大的差異：無法滿足高要求的儀表板間隙面差要求，也就導致了無法達到乘用車級別的內(nèi)飾品質(zhì)。

4 結(jié)束語

伴隨著汽車品質(zhì)的不斷提升，在滿足操縱性和安全性的基礎(chǔ)上，汽車內(nèi)外飾的外觀品質(zhì)逐漸受到消費者重視。品質(zhì)工作的提升離不開零部件的尺寸精度保證，工程師在選擇零件用材與成形工藝時必須考慮后期的質(zhì)量保證，如何平衡質(zhì)量和成本，仍是工作的重點。作為汽車架構(gòu)件的關(guān)鍵部分，產(chǎn)品精度直接決定內(nèi)飾品質(zhì)，復合材料儀表板橫梁借助其成本、輕量化、精度方面的優(yōu)勢，將成為未來橫梁制造工藝的主流。

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