溫艷清

摘 要：汽車輕量化作為當(dāng)今最熱門的汽車技術(shù)之一，越來越被國內(nèi)外的整車廠及零部件廠所重視。文章研究了汽車儀表板橫梁總的輕量化設(shè)計(jì)。通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化及材料優(yōu)化將儀表臺橫梁的結(jié)構(gòu)質(zhì)量由傳統(tǒng)的10kg左右，降低到約3.1kg，質(zhì)量減輕了約 70%，且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在子系統(tǒng)模態(tài)、轉(zhuǎn)向管柱靜強(qiáng)度等性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：儀表臺橫梁;鎂合金

中圖分類號：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：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

引言

汽車儀表板橫梁（Cross Car Beam，下簡稱CCB）根據(jù)其材料和結(jié)構(gòu)類型大致可分為：鈑金焊接型，鋁合金塑料混合型，鎂鋁合金壓鑄型。目前主流車型均采用鈑金焊接型，部分追求輕量化車型采用鎂鋁合金壓鑄型。

如上圖1所示的焊接性CCB，鋼管和鋼板沖壓件組合焊接制造，焊接的子零件數(shù)量多，整體重量高，與現(xiàn)在汽車輕量化主流技術(shù)路線嚴(yán)重矛盾。

1 初始鋼材料的CCB設(shè)計(jì)和仿真

常規(guī)儀表板橫梁總成是為儀表板飾件及其附件（音響系統(tǒng)、空調(diào)控制模板、儀表等）、乘員側(cè)安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱（有時(shí)包括制動(dòng)踏板、加速踏板、離合器踏板等底盤零部件）、空調(diào)箱、線束等零部件提供支承的結(jié)構(gòu)件，有時(shí)也是模塊化儀表板總成裝配過程中的輔助夾具和定位支承件。它直接與車身相連，受所支承和連接零部件傳遞的載荷，乘員的安全性有較大的影響。其中儀表板橫梁是主要的載荷承擔(dān)和傳遞的零件。

本文研究的車型，產(chǎn)品定義中乘客側(cè)氣囊布置在頂棚遮陽板區(qū)域，同時(shí)空調(diào)箱采用分體式 分別布置在駕駛艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙，空調(diào)箱采用了和車身連接緊固。音響和娛樂系統(tǒng)采用了顯示和主機(jī)分離式，顯示單元等固定在儀表臺系統(tǒng)上，主機(jī)固定在車身上。

查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)童劭瑾[2]?等人發(fā)明了一種CCB結(jié)構(gòu)方式，最大化的節(jié)省了材料，降低了重量。如下圖所示[2]。

結(jié)合該車型的產(chǎn)品定義，乘客區(qū)域沒有了氣囊及手套箱對CCB的承載和傳遞載荷需要，同時(shí)研讀了童劭瑾的專利思路，通過項(xiàng)目橫向團(tuán)隊(duì)研究， CCB定義為可搭載HUD，轉(zhuǎn)向管柱等的半儀表臺橫梁產(chǎn)品，盡可能的降低產(chǎn)品重量;儀表臺的開發(fā)策略定義為儀表臺本體骨架采用高性能的PP+LGF加強(qiáng)設(shè)計(jì)。CCB材質(zhì)選取寶鋼的DC01，工藝為沖壓及焊接。產(chǎn)品CAD如下圖3所示。

CCB在安全方面起著不可忽略的作用，絕大部分的駕駛員氣囊是通過轉(zhuǎn)向管柱間接的固定在CCB上。因此，該總成如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，將不可避免的降低駕駛員的安全防護(hù)性能。某一整車廠通過多個(gè)車型的研究論證，發(fā)現(xiàn)將該子系統(tǒng)某些靜態(tài)剛度控制在不低于某一數(shù)值，可以避免在碰撞過程中由于剛性差導(dǎo)致的駕駛員氣囊爆破前的初始位置及展開形態(tài)偏離設(shè)計(jì)預(yù)期，從而避免駕駛員沒有得到預(yù)期的保護(hù)。該研究論證轉(zhuǎn)化為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)評估。

本文基于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，沿著轉(zhuǎn)向管柱軸向加載10KN的時(shí)候，假設(shè)轉(zhuǎn)向管柱是剛性單元，通過監(jiān)測轉(zhuǎn)向管柱軸心端部的位移量是否超過20mm，來評估CCB的剛性是否滿足要求。

將設(shè)計(jì)好的CAD模型導(dǎo)入到 Hyper mesh 軟件中，建立起轉(zhuǎn)向管柱與CCB的有限元模型。 然后利用Dyna 對轉(zhuǎn)向柱與儀表橫梁總成進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過多輪仿真優(yōu)化，最終模型對應(yīng)的主要安全剛度分析如下圖4所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

另一方面CCB在車身和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間占據(jù)了非常重要的地位，它直接支撐轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向管柱及方向盤。因此，CCB如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會很容易引發(fā)方向盤的顫振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致駕駛室的 NVH 性能變差，影響汽車的駕車舒適性?，F(xiàn)階段很多車型為了改善CCB系統(tǒng)的振動(dòng)特性，在產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段，通過仿真技術(shù)評估整個(gè)轉(zhuǎn)向管柱儀表臺橫梁的子系統(tǒng)振動(dòng)特性。

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段也將CAD模型轉(zhuǎn)換為CAE 模型，然后利用有限元分析軟件 Nastran 對轉(zhuǎn)向管柱與CCB進(jìn)行子系統(tǒng)模態(tài)仿真分析。多輪仿真優(yōu)化后，最終模型對應(yīng)的模態(tài)及轉(zhuǎn)向管柱緊固點(diǎn)仿真結(jié)果如下。

多輪仿真優(yōu)化后，最終模型對應(yīng)的轉(zhuǎn)向管柱安裝點(diǎn)靜剛度結(jié)果如下圖6所示。

通過上述分析可以看出子系統(tǒng)的一階模態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的35HZ，緊固點(diǎn)的垂向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)值850N/MM，橫向剛度不低于設(shè)計(jì)目標(biāo)值780N/mm;滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期仿真要求。

基于產(chǎn)品CAE探測滿足各項(xiàng)設(shè)定性能的情況下，該產(chǎn)品采用金屬材料時(shí)，依據(jù)CAD數(shù)據(jù)計(jì)算的產(chǎn)品重量為4.9kg。