姜子敬　史付磊　蔣新亮　李文中　李振興　馬秋

摘 要：為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，對(duì)鋼制儀表板橫梁骨架總成進(jìn)行了鎂合金替代設(shè)計(jì)。依據(jù)鎂合金材料和工藝特性，設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)鎂合金CCB進(jìn)行零部件NVH、碰撞安全性能驗(yàn)證。結(jié)果表明，鎂合金替代鋼制儀表板橫梁在實(shí)現(xiàn)減重4.4kg的輕量化效果的同時(shí)，整體的模態(tài)、碰撞安全以及可制造型均能滿(mǎn)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(chē)儀表板橫梁總成（ Cross Car Beam，CCB）支撐娛樂(lè)主機(jī)、抬頭顯示、空調(diào)出風(fēng)口、各種控制面板等人機(jī)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(chē)安全防護(hù)系統(tǒng)和保護(hù)車(chē)內(nèi)乘員的結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度和剛度是CCB安全性能的首要指標(biāo)[1]。圖1是某車(chē)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(chē)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(chē)的工程設(shè)計(jì)、駕駛性、舒適性和安全性[2，3]。CCB 設(shè)計(jì)不當(dāng)或性能不滿(mǎn)足整車(chē)要求，將會(huì)引發(fā)方向盤(pán)、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(pán)的怠速抖動(dòng)和汽車(chē)在勻速行駛時(shí)儀表板總成里面的振動(dòng)異響等質(zhì)量問(wèn)題，影響汽車(chē)的駕駛舒適性[4]。此外，隨著環(huán)保和新能源汽車(chē)對(duì)車(chē)型輕量化設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高，要開(kāi)發(fā)出既能滿(mǎn)足各方面性能要求，質(zhì)量又最輕的CCB結(jié)構(gòu)，成為整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)汽車(chē)CCB通常采用鋼管或鋼板沖壓件組合焊接工藝，此類(lèi)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(jì)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(chē)CCB，實(shí)現(xiàn)40%以上的減重效果，是當(dāng)前解決輕量化問(wèn)題的優(yōu)先選擇，吸引越來(lái)越多的整車(chē)廠研究開(kāi)發(fā)?；贏2Mac1系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)車(chē)型應(yīng)用鎂合金CCB的情況如表1，7款車(chē)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(jìn)行量產(chǎn)車(chē)型的開(kāi)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(gè)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(jì)自由度大，并且可100%回收利用。本文對(duì)某車(chē)型的鋼制儀表板橫梁骨架總成進(jìn)行了鎂合金替代設(shè)計(jì)，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(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行仿真和零件試驗(yàn)進(jìn)行NVH、安全性能分析，驗(yàn)證鎂合金CCB替代鋼制CCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化效果和性能優(yōu)勢(shì)，旨在為車(chē)型鎂合金CCB的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼制CCB以某車(chē)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(tái)支架、踏板碰撞保護(hù)支架、儀表板護(hù)板安裝支架等13個(gè)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(chē)型開(kāi)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(jì)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(jìn)行替代設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單一產(chǎn)品多結(jié)構(gòu)模塊化安裝。本研究針對(duì)鎂合金CCB設(shè)計(jì)開(kāi)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能均差于鋼材，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鎂合金的替代設(shè)計(jì)達(dá)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(gè)零部件的特征進(jìn)行最優(yōu)的選材、結(jié)構(gòu)和連接工藝設(shè)計(jì)。本研究采用AM60B鎂合金材料牌號(hào)進(jìn)行鋼制CCB代替設(shè)計(jì)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(xiāo)”的定位結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。鎂合金CCB兩端設(shè)計(jì)定位銷(xiāo)直徑φ11mm，車(chē)身鈑金為主定位圓孔直徑φ11.2mm，輔助定位長(zhǎng)圓孔尺寸為11.2mm×15mm。X方向采用定位銷(xiāo)所在平面進(jìn)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(guò)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shuō)明鎂合金CCB的強(qiáng)度和剛度差于鋼制CCB，但均滿(mǎn)足企業(yè)技術(shù)要求，其強(qiáng)度和剛度保證了整車(chē)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(jìn)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(chē)型的移動(dòng)姿態(tài)情況一致，方向盤(pán)和腳踏板均無(wú)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(shí)，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(shí)，沖擊區(qū)域沒(méi)有明顯的變形，并且踏板臂無(wú)法繼續(xù)向后移動(dòng)，因此踏板不會(huì)有較大的侵入。

對(duì)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(duì)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(mǎn)足企業(yè)技術(shù)要求。

4 鎂合金CCB試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證鎂合金CCB零部件實(shí)物的性能，按照產(chǎn)品性能要求對(duì)其進(jìn)行NVH模態(tài)和安全碰撞可靠性試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。鎂合金CCB的臺(tái)架剛性約束主梁的一階模態(tài)210Hz，滿(mǎn)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(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)在樣品失效前的承受力16.98KN，滿(mǎn)足目標(biāo)要求的≥15KN。動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)在樣品失效前的承受力16.30KN，滿(mǎn)足目標(biāo)要求的≥8KN。綜上，鎂合金CCB的實(shí)物的性能驗(yàn)證均能夠滿(mǎn)足技術(shù)要求，保證了CCB的NVH和安全性能。鎂合金CCB的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的沖擊力傳遞路徑以及數(shù)值方法可提前對(duì)鎂合金CCB的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供預(yù)測(cè)，節(jié)省CCB驗(yàn)證的整車(chē)碰撞試驗(yàn)頻次以及數(shù)量;動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)更貼近實(shí)車(chē)碰撞要求，有效地對(duì)整車(chē)碰撞試驗(yàn)提供了參考價(jià)值，試驗(yàn)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(jì)開(kāi)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(shí)能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品的NVH、安全性能要求，可以作為汽車(chē)儀表板橫梁輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。在鎂合金替代鋼制儀表板橫梁設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的流程中需要重點(diǎn)關(guān)注鎂合金材料和工藝特性，按照車(chē)型開(kāi)發(fā)的性能要求，采用仿真和零部件臺(tái)架試驗(yàn)的方式進(jìn)行充分仿真和零部件級(jí)性能驗(yàn)證，有效地對(duì)整車(chē)NVH和安全性能提供參考。

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作者簡(jiǎn)介

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