镁合金汽车仪表台半横梁设计优化

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

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對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。

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。