镁合金汽车仪表台半横梁设计优化

2019-10-21温艳清

汽车实用技术 2019年11期

温艳清

摘要：汽车轻量化作为当今最热门的汽车技术之一，越来越被国内外的整车厂及零部件厂所重视。文章研究了汽车仪表板横梁总的轻量化设计。通过产品设计优化及材料优化将仪表台横梁的结构质量由传统的10kg左右，降低到约3.1kg，质量减轻了约 70%，且优化后的结构在子系统模态、转向管柱静强度等性能均满足设计要求。

关键词：仪表台横梁;镁合金

中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：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

汽车仪表板横梁（Cross Car Beam，下简称CCB）根据其材料和结构类型大致可分为：钣金焊接型，铝合金塑料混合型，镁铝合金压铸型。目前主流车型均采用钣金焊接型，部分追求轻量化车型采用镁铝合金压铸型。

如上图1所示的焊接性CCB，钢管和钢板冲压件组合焊接制造，焊接的子零件数量多，整体重量高，与现在汽车轻量化主流技术路线严重矛盾。

1 初始钢材料的CCB设计和仿真

常规仪表板横梁总成是为仪表板饰件及其附件（音响系统、空调控制模板、仪表等）、乘员侧安全气囊、转向管柱（有时包括制动踏板、加速踏板、离合器踏板等底盘零部件）、空调箱、线束等零部件提供支承的结构件，有时也是模块化仪表板总成装配过程中的辅助夹具和定位支承件。它直接与车身相连，受所支承和连接零部件传递的载荷，乘员的安全性有较大的影响。其中仪表板横梁是主要的载荷承担和传递的零件。

本文研究的车型，产品定义中乘客侧气囊布置在顶棚遮阳板区域，同时空调箱采用分体式分别布置在驾驶舱和发动机舱，空调箱采用了和车身连接紧固。音响和娱乐系统采用了显示和主机分离式，显示单元等固定在仪表台系统上，主机固定在车身上。

查阅文献，发现童劭瑾[2] 等人发明了一种CCB结构方式，最大化的节省了材料，降低了重量。如下图所示[2]。

结合该车型的产品定义，乘客区域没有了气囊及手套箱对CCB的承载和传递载荷需要，同时研讀了童劭瑾的专利思路，通过项目横向团队研究， CCB定义为可搭载HUD，转向管柱等的半仪表台横梁产品，尽可能的降低产品重量;仪表台的开发策略定义为仪表台本体骨架采用高性能的PP+LGF加强设计。CCB材质选取宝钢的DC01，工艺为冲压及焊接。产品CAD如下图3所示。

CCB在安全方面起着不可忽略的作用，绝大部分的驾驶员气囊是通过转向管柱间接的固定在CCB上。因此，该总成如果设计不当，将不可避免的降低驾驶员的安全防护性能。某一整车厂通过多个车型的研究论证，发现将该子系统某些静态刚度控制在不低于某一数值，可以避免在碰撞过程中由于刚性差导致的驾驶员气囊爆破前的初始位置及展开形态偏离设计预期，从而避免驾驶员没有得到预期的保护。该研究论证转化为企业标准，并在设计阶段进行设计评估。

本文基于企业标准，沿着转向管柱轴向加载10KN的时候，假设转向管柱是刚性单元，通过监测转向管柱轴心端部的位移量是否超过20mm，来评估CCB的刚性是否满足要求。

将设计好的CAD模型导入到 Hyper mesh 软件中，建立起转向管柱与CCB的有限元模型。然后利用Dyna 对转向柱与仪表横梁总成进行仿真分析。经过多轮仿真优化，最终模型对应的主要安全刚度分析如下图4所示，满足设计要求。

另一方面CCB在车身和转向系统之间占据了非常重要的地位，它直接支撑转向系统的转向管柱及方向盘。因此，CCB如果设计不当，会很容易引发方向盘的颤振现象，从而导致驾驶室的 NVH 性能变差，影响汽车的驾车舒适性。现阶段很多车型为了改善CCB系统的振动特性，在产品的早期设计阶段，通过仿真技术评估整个转向管柱仪表台横梁的子系统振动特性。

本项目在设计阶段也将CAD模型转换为CAE 模型，然后利用有限元分析软件 Nastran 对转向管柱与CCB进行子系统模态仿真分析。多轮仿真优化后，最终模型对应的模态及转向管柱紧固点仿真结果如下。

多轮仿真优化后，最终模型对应的转向管柱安装点静刚度结果如下图6所示。

通过上述分析可以看出子系统的一阶模态远远大于常规的35HZ，紧固点的垂向刚度远远大于目标值850N/MM，横向刚度不低于设计目标值780N/mm;满足产品设计的前期仿真要求。

基于产品CAE探测满足各项设定性能的情况下，该产品采用金属材料时，依据CAD数据计算的产品重量为4.9kg。

传统的金属CCB重量在10KG左右，该产品从几何形状上采用的半横梁创新设计已经大大的降低了产品重量。为了更进一步的减重，本文继续探索采用低密度材质和上述创新设计结合的方法，进行研究分析论证其可行性。

2 镁合金研究

镁合金是最轻的金属结构材料，合金是以镁为基材加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.74g/cm3镁合金左右），压铸镁合金的密度仅为铝合金的 2/3，铁的 1/4，镁合金还有利于减振和降噪，如在 35MPa 的应力水平下，镁合金 AZ91D 的衰减系数为 25%，铝合金 A380 仅为 1%。在 100MP 应力水平下，合金 AZ91D、AM60、AS41 分别为 53%、72% 和 70%，合金 A380 则仅为 4%。使镁合金压铸件因环境温度和时间变化所造成的尺寸不稳定减小。

目前镁合金的种类有很多，汽车工业采用较多的是AM系和AZ系合金，常用镁合金牌号主要有AM60B和AZ91D。其中AM60B的铝含量较低，由于随着铝含量的降低，材料的韧性逐渐增高，故与AZ91D相比，AM60B的韧性和塑性较好。

基于前期的钢材质CCB结构设计，以及该产品的主要承载要求，满足转向管柱和HUD在各种工况下的刚性和振动特性等需求，因此需具有较高的韧性和强度。通过综合考虑AM60B和AZ91D的性能以及参考有关文献资料，最终决定选用AM60B（性能见表1）作为本项目Half CCB的材料。表2 AM60B镁合金的化学成分和物理性能。

3 钢CCB转换镁合金的设计及仿真

DC01和Am60B相比密度减小了75%左右，但是AM60B的屈服强度和弹性模量等都有不同程度的下降，为了满足转向管柱及系统模态等方面的子系统性能要求，当CCB产品材料从DC01切换为AM60B，几何形状设计进行相应的调整，适当的增加了大部分截面面积。其次结合压铸工艺的可行性需求优化数据。该产品的CAD数据如图7所示。

经过多轮仿真优化，最终模型对应的子系统模态及转向管柱紧固点仿真结果如下图8，图9所示，满足设计要求。

经过多轮仿真优化，最终模型对应的转向管柱静刚度仿真结果如下图10所示，满足设计要求。

对比不同材质方案下CCB的性能见下表3所示，满足设计要求，部分项目如模态稍差于钢管梁。

CCB的其他性能属性进行对比见表4所示。产品成本如单件成本，零件开发成本都不同幅度的上升了。但是產品重量可以在钢的基础上减轻约40%，产品的精度和尺寸一致性有大幅的提升。综合所有情况，项目按照镁合金Half CCB进行开发。

4 试验验证

在产品开发验证阶段，采用T1模具件，对CCB进行零件性能测试、道路可靠性跟踪和碰撞安全测试跟踪。

4.1 零件性能测试

根据产品振动性能要求，模仿整车连接情况，将CCB和转向管柱及方向盘的子系统固定在工装上，工装的刚性足够好，模态和系统模态差值150HZ以上。通过对方向盘进行激励评估。

根据产品安全性能要求，模仿整车连接情况，将CCB和转向管柱的子系统固定在工装上，工装的刚性足够好，同时把可溃缩的转向管柱进行刚性约束，在转向管柱上施加10KN的力，评估转向管柱轴向位移评估CCB的刚性。

根据产品安全性能要求，模仿整车连接情况，将CCB和转向管柱的子系统固定在工装上对系统施加振动持续四十小时，评估子系统和工装连接区域的及转向管柱和CCB的扭矩衰减，同时评估CCB压铸产品有无明细的开裂等失效。

4.2 道路耐久和整车碰撞测试

整车道路可靠及耐久试验车拆解后，Half CCB没有发现失效，如产生裂纹。多轮整车碰撞测试中，没有发现CCB对系统性能产生不可接受的影响，如CCB断裂，降低驾驶员安全性能保护等失效。综上所述，本文研究设计优化的Half CCB，符合子系统及该整车的性能设计要求。