摘 要：为实现汽车轻量化，对钢制仪表板横梁骨架总成进行了镁合金替代设计。依据镁合金材料和工艺特性，设计合理的仪表板横梁结构和连接工艺；建立仿真分析模型，对比分析钢制和镁合金仪表板横梁的NVH、变形量和碰撞入侵量。此外，对镁合金CCB进行零部件NVH、碰撞安全性能验证。结果表明，镁合金替代钢制仪表板横梁在实现减重4.4kg的轻量化效果的同时，整体的模态、碰撞安全以及可制造型均能满足企业技术要求。 关键词：仪表板横梁 镁合金 轻量化 性能分析
乘用汽车仪表板横梁总成（Cross Car Beam，CCB）支撑娱乐主机、抬头显示、空调出风口、各种控制面板等人机交互界面控制所需的设备和装饰件，并与安全气囊等其他安全零部件一起构成汽车安全防护系统和保护车内乘员的结构件，其强度和刚度是CCB 安全性能的首要指标[1]。图1 是某车型的CCB 结构，主要由主横梁和安装支架、HUD 支架、BCM 支架、PAB 支架、空调支架、手套箱支架等组合而成。由于CCB 直接与车身连接，承受并传递支撑和连接的零部件的载荷，直接影响整车的工程设计、驾驶性、舒适性和安全性[2，3]。CCB 设计不当或性能不满足整车要求，将会引发方向盘、转向管柱的颤振，从而导致乘员舱NVH（Noise，Vibration，Harshness）性能变差，如方向盘的怠速抖动和汽车在匀速行驶时仪表板总成里面的振动异响等质量问题，影响汽车的驾驶舒适性[4]。此外，随着环保和新能源汽车对车型轻量化设计的要求越来越高，要开发出既能满足各方面性能要求，质量又最轻的CCB 结构，成为整车轻量化设计面临的挑战。
图1 仪表板横梁典型结构
传统汽车CCB 通常采用钢管或钢板冲压件组合焊接工艺，此类钢制CCB 的组成零件数量多，焊接组装工艺和程序复杂，不利于尺寸精度和稳定性的控制，并且整体重量平均在7kg 以上，不符合轻量化设计理念[5]。而镁合金的密度仅为钢铁密度1/4，铝合金密度的2/3，是目前应用的最轻的金属材料。因此，将镁合金应用于汽车CCB，实现40% 以上的减重效果，是当前解决轻量化问题的优先选择，吸引越来越多的整车厂研究开发。基于A2Mac1 系统平台统计车型应用镁合金CCB 的情况如表1，7 款车型采用镁合金CCB，重量分布在3.408kg～5.9kg，轻量化技术处于领先地位，表明镁合金CCB的技术成熟度高，轻量化效果显著，可以进行量产车型的开发和应用[6]。
表1 镁合金CCB 应用对标
与钢制CCB 相比，镁合金CCB 采用整体压铸成型的生产工艺，可以把传统钢制CCB 的20 多个支架集成为一体，镁合金CCB 零件集成化程度高，尺寸精度高，零件形状设计自由度大，并且可100%回收利用。本文对某车型的钢制仪表板横梁骨架总成进行了镁合金替代设计，采用镁合金一体压铸成型工艺而成的仪表板横梁骨架总成设计方案，并对其进行仿真和零件试验进行NVH、安全性能分析，验证镁合金CCB 替代钢制CCB 结构设计的轻量化效果和性能优势，旨在为车型镁合金CCB 的开发和应用提供技术参考。
钢制CCB 以某车型图2（a）为例通常包括左、右侧支架、转向管柱支架、安全气囊（PAB）支架、空调（HVAC）支架、驾驶员侧支架、副驾驶员侧支架、中控台支架、踏板碰撞保护支架、仪表板护板安装支架等13 个支架，这些支架结构焊接在仪表板横梁的主管结构上。根据车型开发的要求和镁合金材料、工艺的特性确定镁合金替代钢制CCB 的设计原则：不改变CCB 原部件所具有的功能，不改变关键定位孔和连接孔的位置和大小；镁合金CCB 以压铸成型为主，在保证模态和安全等基本性能指标的前提下进行替代设计，实现单一产品多结构模块化安装。本研究针对镁合金CCB 设计开发定义性能要求指标如表2。
表2 镁合金CCB 性能指标
由于镁合金材料的拉伸强度、屈服强度、弹性模量等力学性能均差于钢材，根据经验，镁合金的替代设计达到与钢材等同的性能效果，镁合金零件料厚需要是钢材的1.2～1.8倍。分析CCB 总成各个零部件的特征进行最优的选材、结构和连接工艺设计。本研究采用AM60B 镁合金材料牌号进行钢制CCB代替设计结构，如图2（b）。钢制CCB 重量10.7kg，镁合金CCB 重量6.3kg（包括镁合金一体压铸成型的主体结构和特殊性能要求的钣金冲压成型安装支架），减重4.4kg，减重41%。
图2 镁合金CCB 结构设计
镁合金CCB 安装采用“一面两销”的定位结构形式，如图3 所示。镁合金CCB两端设计定位销直径φ11mm，车身钣金为主定位圆孔直径φ11.2mm，辅助定位长圆孔尺寸为11.2mm×15mm。X 方向采用定位销所在平面进行限位。
图3 镁合金CCB 安装定位点
将CCB 横梁总成挂在夹具上，以便后续安装仪表板总成上的其他零部件。夹具在夹紧过程中，考察吊耳支架的变形量，仿真分析结果如图4 所示。当CCB 承重10kg 时，钢制CCB 夹具固定处左、右两边的总变形量0.07mm，镁合金CCB 总变形量0.51mm；当CCB 承重15kg 时，钢制CCB 夹具固定处左、右两边的总变形量0.11mm，镁合金CCB 总变形量0.74mm；当CCB 承重20kg时，钢制CCB 夹具固定处左、右两边的总变形量0.145mm，镁合金总变形量0.99mm。综上，镁合金CCB 的总变形量大于钢制CCB，说明镁合金CCB 的强度和刚度差于钢制CCB，但均满足企业技术要求，其强度和刚度保证了整车的NVH 性能。
图4 钢制CCB（a）和镁合金CCB（b）夹持变形CAE 分析
将钢制CCB 和镁合金CCB 横梁总成分别进行64kph ODB 的偏置碰撞安全性能仿真分析，结果如图5 和图6 所示。两种材料CCB 的仿真车型的移动姿态情况一致，方向盘和脚踏板均无较大的侵入量。CCB 的A区域前支架变形大，可以减少CCB 的侵入，支架变形越大，CCB 的侵入越小，仿真结果显示镁合金CCB 的侵入模型大于钢模型。踏板臂撞击到CCB 的下固定B 区域，钢制CCB 当踏板臂碰撞下固定装置时，支架变形较大，因此需要增加横梁以阻止踏板的侵入。镁合金CCB 当踏板臂碰撞CCB 的下固定区域时，冲击区域没有明显的变形，并且踏板臂无法继续向后移动，因此踏板不会有较大的侵入。
图5 钢制CCB（a）和镁合金CCB（b）偏置碰撞分析
图6 钢制CCB（a）和镁合金CCB（b）碰撞局部入侵量分析
对于加速偏置碰撞，钢制CCB 和镁合金CCB 的变形情况都可以接受。对于转向和CCB 入侵，镁合金CCB 的变形量大于钢制CCB，踏板入侵镁合金CCB 小于钢制CCB，镁合金CCB 的塑性应变优于钢制CCB，两种材料的CCB 结构均可以满足企业技术要求。
为验证镁合金CCB 零部件实物的性能，按照产品性能要求对其进行NVH 模态和安全碰撞可靠性试验，结果如表3 所示。镁合金CCB 的台架刚性约束主梁的一阶模态210Hz，满足企业要求的≥180Hz。转向管柱刚度变形量725.5N/mm，大于目标要求的500N/mm。动态冲击试验在样品失效前的承受力16.98KN，满足目标要求的≥15KN。动态冲击试验在样品失效前的承受力16.30KN，满足目标要求的≥8KN。综上，镁合金CCB 的实物的性能验证均能够满足技术要求，保证了CCB 的NVH 和安全性能。镁合金CCB 的动态冲击试验的冲击力传递路径以及数值方法可提前对镁合金CCB 的结构安全设计提供预测，节省CCB验证的整车碰撞试验频次以及数量；动态冲击试验更贴近实车碰撞要求，有效地对整车碰撞试验提供了参考价值，试验案例的方向具有基础性、普遍性。
表3 镁合金CCB 实物性能测试结果
采用AM60B 镁合金设计开发的仪表板横梁较钢制仪表板横梁减重4.4kg，轻量化效果显著，同时能够满足产品的NVH、安全性能要求，可以作为汽车仪表板横梁轻量化设计的优选方案。在镁合金替代钢制仪表板横梁设计开发的流程中需要重点关注镁合金材料和工艺特性，按照车型开发的性能要求，采用仿真和零部件台架试验的方式进行充分仿真和零部件级性能验证，有效地对整车NVH 和安全性能提供参考。
参考文献：
[1]范军锋，冯奇，凌天均，等.镁合金仪表板横梁开发和研究[J].汽车工艺与材料，2012（8）：64-69.
[2]甘志常.汽车仪表板技术分析［J］.汽车与配件，2018（23）：71-73.
[3]高云凯，刘海立，万党水，等.挤压镁合金汽车仪表板横梁骨架设计[J].汽车工程，2011（2）：168-171.
[4]刘洲，胡玉洁，付丹，等.浅谈乘用车仪表板横梁轻量化技术[J].动态与综述，2020（1）：92-95.
[5]陈飞，陈云霞，李军，等.镁合金在汽车仪表板横梁上的应用[J].现代零部件，2013（08）：37-39.
[6]于彦东，李彩霞.镁合金AZ31B板材热拉深成形工艺参数优化[J].中国有色金属学报，2006（05）：786-791.
来源：期刊（时代汽车）
作者：姜子敬 史付磊 蒋新亮 李文中 李振兴 马秋
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