【技术帖】镁合金汽车仪表台半横梁设计优化
关键词：仪表台横梁；镁合金
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。
图1 常规仪表台横梁示意[1]
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。
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]。
图2 一种汽车仪表板横梁总成[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，同时研读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。
图3 Half CCB 示意
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。
图4 Half CCB（宝钢DC01）安全刚度分析示意
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。
图5 Half CCB（宝钢DC01）模态分析结果
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。
图6 Half CCB（宝钢DC01）转向管柱紧固点刚度分析结果
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。
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。
表1 镁合金材料性能[3][4]
表2 镁合金材料成分[3]
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。
图7 Half CCB（Mag-AM60B）
图8 Half CCB（Mag-AM60B）模态分析结果
图9 Half CCB（Mag-AM60B）转向管柱紧固点刚度分析结果
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。
图10 Half CCB（Mag-AM60B）安全静刚度分析结果
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。
表3 DC01 和AM60B 的Half CCB 仿真结果对比
表4 DC01 和AM60B 的Half CCB 其他属性对比
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。但是产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。
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。
表5 CCB 子系统台架模态性能试验结果
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。
产品轻量化设计可以从结构几何设计及材料等多维度研究，本文基于特定的产品定义及布置，设计开发的Half CCB产品满足某SUV 的性能指标，达到了最大化减重的预期。为轻量化产品设计开发提供了新的思路。
来源：期刊-《汽车实用技术》；作者：温艳清