鋁合金儀表板橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

袁鋒,高瓊,嚴(yán)浩,江楷濤,李年衛(wèi)

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

針對(duì)日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)保挑戰(zhàn),我國(guó)自2005年開始實(shí)施乘用車企業(yè)平均燃料消耗量 (Corporate Average Fuel Consumption, CAFC) 法規(guī)[1]。法規(guī)第四階段要求在GB27999-2014《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》中規(guī)定：2020年生產(chǎn)的乘用車燃料消耗量降至5.0 L/(102km)[2]。減輕汽車自重即實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化,是應(yīng)對(duì)CAFC法規(guī)的必要手段。

儀表板橫梁總成是為儀表板總成及其附件(收音機(jī)、CD機(jī)、空調(diào)控制模塊、組合儀表等)、空調(diào)箱、乘員側(cè)安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤等零件提供支撐的結(jié)構(gòu)件[3]?，F(xiàn)階段儀表板橫梁總成主要采用普通鋼材沖壓焊接而成。鋁合金作為一種輕質(zhì)合金，具有良好的力學(xué)性能，密度只有鋼材的1/3，采用鋁合金材料設(shè)計(jì)制造儀表板橫梁是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的一個(gè)重要手段。作者采用鋁合金材料對(duì)某豪華商務(wù)車鋼制儀表板橫梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出采用擠壓和沖壓工藝設(shè)計(jì)零件、采用鉚接技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼材緊固件和鋁合金零件聯(lián)接、采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Metal Inert-gas Welding，MIG)焊接而成總成的儀表板橫梁設(shè)計(jì)方案。該方案在滿足模態(tài)和碰撞安全性能要求的前提下,可以實(shí)現(xiàn)儀表板橫量減重的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 鋼制儀表板橫梁

某豪華商務(wù)車鋼制儀表板橫梁如圖1所示，主要由主梁和支架組成，主梁為彎曲的管狀結(jié)構(gòu)，工藝為鋼板輥壓、焊接、彎曲、液壓漲形；其他支架如端部支架、轉(zhuǎn)向管柱安裝支架、中央支撐支架、與車身前圍連接支架、安全氣囊支架、空調(diào)箱支架等為鋼板沖壓而成，主管和這些支架相互焊接組成儀表板橫梁總成。該儀表板橫梁總成質(zhì)量為12.174 kg，在開發(fā)豪華商務(wù)車新一代車型時(shí)，提出了對(duì)儀表板橫梁減重的要求。

圖1 鋼制儀表板橫梁

1.2 采用鋁合金材料的儀表板橫梁方案設(shè)計(jì)

1.2.1 鋁合金材料特性

鋁合金和鋼材相比具有密度小(鋁合金約為鋼材的1/3)、彈性模量小、導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)高、延伸率低等特性。鋁合金和鋼材材料特性對(duì)比如表1所示。

表1 鋁合金和鋼材材料特性對(duì)比

鋁合金按照加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，如圖2所示。變形鋁合金能承受壓力加工，可加工成各種形狀、規(guī)格的鋁合金型材；鑄造鋁合金在鑄態(tài)下使用,熔融狀態(tài)下充填鑄型獲得一定形狀和尺寸的鑄件。鋁合金沖壓和擠壓所用的材料通常為變形鋁合金。

圖2 鋁合金分類

變形鋁合金按照元素組成又分為1系～9系合金。材料硬度按照7系、2系、4系、6系、5系、3系、1系依次降低；材料強(qiáng)度純鋁最低，2系及7系熱處理型合金強(qiáng)度最高；通常強(qiáng)度高的材料和熱處理狀態(tài)材料不易成形，如果要對(duì)鋁材進(jìn)行折彎、拉伸、深沖等成形加工，完全退火狀態(tài)材料的成形性最佳；耐蝕性1系純鋁最佳，5系表現(xiàn)良好，其次是3系和6系，2系及7系較差。

定性地評(píng)價(jià)金屬的擠壓能力可以用一綜合指標(biāo)——可擠壓性指數(shù)Z來表示?？蓴D壓性的含義是指合金以高流出速度、大變形程度和低單位擠壓壓力進(jìn)行擠壓的相對(duì)能力。其影響因素主要包括合金的特性和斷面形狀復(fù)雜程度[4]?？蓴D壓指數(shù)Z與擠壓基本參數(shù)之間的關(guān)系式為:

(1)

式中：C為比例系數(shù)；vf為制品流出速率,m/min；σk為合金的變形抗力,MPa；f1為材料斷面復(fù)雜程度系數(shù)。

擠壓性指數(shù)Z是一個(gè)相對(duì)值，其主要意義在于相對(duì)大小的比較,比較不同鋁合金材料擠壓條件，單純考慮某一合金的可擠壓性數(shù)值的大小并無(wú)多大實(shí)用意義。若取6063合金的可擠壓性指數(shù)為100,則按公式(1)計(jì)算出的鋁合金的可擠壓性指數(shù)如表2所示[5]。按可擠壓性指數(shù)的大小，鋁合金可分為3組：易擠壓合金，Z>100；中等可擠壓合金，Z=100～50；難擠壓合金，Z<50。

表2 部分工業(yè)鋁合金的可擠壓性指數(shù)(平均值)

通過對(duì)鋁合金材料特性的研究,可以發(fā)現(xiàn)：5系合金中Mg是主要的合金元素，Al-Mg合金在相同面積下質(zhì)量低于其他系列,熱處理不可強(qiáng)化，抗腐蝕性能、焊接性能、成形性能良好，抗拉強(qiáng)度高，延伸率高，可用于形狀復(fù)雜的零件，所以選用5系作為儀表板橫梁沖壓件的材料; 6系合金中Mg和Si是主要的合金元素，熱處理可強(qiáng)化，Al-Mg-Si合金具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性、優(yōu)良的耐腐蝕性能、較好的可擠壓性，可用于對(duì)強(qiáng)度、剛度要求較高的部位。選用6系作為儀表板橫梁擠壓件的材料。

1.2.2 擠壓件設(shè)計(jì)

對(duì)于零件形狀截面相同的零件，如儀表板橫梁主梁、轉(zhuǎn)向管柱安裝支架等，適合采用擠壓成型工藝。

主梁為中空筆直的管狀結(jié)構(gòu)，外截面通常為圓形(截面形狀可以根據(jù)整車布置要求和性能要求調(diào)整)，主梁截面壁厚初始設(shè)計(jì)值為3 mm，沿圓周方向壁厚可以不均勻分布以減輕質(zhì)量，但相鄰厚度變化值不超過3∶1，避免截面突變?cè)斐蓴D壓工藝不穩(wěn)定。圖3所示為主梁截面和壁厚分布示例。

圖3 主梁截面和壁厚分布示例

轉(zhuǎn)向管柱安裝支架承載轉(zhuǎn)向管柱，需要滿足轉(zhuǎn)向管柱扭轉(zhuǎn)剛度、NVH(Noise Vibration Harshness)、碰撞安全等性能要求。管柱安裝支架通常由4個(gè)小支架組成，左右可設(shè)計(jì)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)以減少模具投入。

4個(gè)支架上分別鉚接用于固定轉(zhuǎn)向管柱的雙頭螺柱，螺柱鉚接深度為8 mm。為了滿足鉚接的要求，安裝管柱的位置支架厚度最小值為16 mm，其他位置厚度設(shè)計(jì)初始值為8 mm。管柱支架需要焊接在主管上，支架和主管焊接匹配面保持0.5 mm間隙，焊接位置兩零件厚度建議相同以減少焊接燒穿，相鄰焊縫之間保持最小14 mm間隙以保證焊槍空間。圖4所示為轉(zhuǎn)向管柱支架設(shè)計(jì)要求。

圖4 轉(zhuǎn)向管柱支架設(shè)計(jì)要求

1.2.3 沖壓件設(shè)計(jì)

對(duì)于零件形狀截面不規(guī)則的零件，如端部支架、安全氣囊支架、與車身前圍連接支架、儀表板固定支架、空調(diào)箱安裝支架、電子模塊安裝支架等，通常采用沖壓成形工藝。

破裂、起皺和回彈是板料沖壓成形中的三大主要質(zhì)量缺陷。鋁合金和鋼板相比，總伸長(zhǎng)率更小，在室溫下鋁合金的成形性比鋼板差，更容易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象[6-8]。為了避免開裂問題，在設(shè)計(jì)零件時(shí)需要根據(jù)料厚合理控制零件封閉孔的翻邊高度，增加翻邊根部圓角。如圖5所示端部支架，材料厚度為4 mm，中間圓形孔翻邊高度初始設(shè)計(jì)為4 mm，工藝分析后發(fā)現(xiàn)此處存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，將翻邊高度降低為1 mm后開裂問題解決。

圖5 端部支架沖壓成形問題

1.2.4 零件連接方案

惰性氣體保護(hù)焊方法是應(yīng)用最廣泛的鋁合金焊接方法。儀表板橫梁總成選用比較成熟的福尼斯CMT焊機(jī)進(jìn)行MIG焊接，同時(shí)采用TIG(Tungsten Inert Gas，鎢極惰性氣體保護(hù)焊)用于總成的手工補(bǔ)焊。

儀表板橫梁總成組成零件數(shù)量多，焊縫數(shù)量多，零件裝配關(guān)系復(fù)雜，因此容易造成焊接變形，影響零件尺寸精度。為了有效解決鋁合金儀表板橫梁焊接總成尺寸變形問題，可以按照表3所示的措施進(jìn)行控制。

表3 儀表板橫梁總成焊接變形控制措施

儀表板橫梁總成除了需要與安裝在它上面的零件發(fā)生連接，同時(shí)還要與車身連接。零件之間的連接都需要緊固件。由于目前合金鋼材料的緊固件與鋁合金焊接的技術(shù)還不成熟，鋁合金儀表板橫梁上通常采用鉚接工藝實(shí)現(xiàn)合金鋼材料緊固件與鋁合金材料的連接。儀表板橫梁上常用的鉚接工藝有壓鉚和旋鉚。RB&W公司的SPAC壓鉚螺母，通過TOX鉚接設(shè)備SPAC螺母壓入儀表板橫梁零件，SPAC壓鉚螺母嵌入工件從而實(shí)現(xiàn)自攻自鎖功能，保證緊固件的連接強(qiáng)度。圖6所示為壓鉚螺母連接示意圖。

圖6 壓鉚螺母連接

轉(zhuǎn)向管柱支架上采用了旋鉚螺栓，相對(duì)于壓鉚工藝，旋鉚通過鉚頭的偏心旋轉(zhuǎn)過程，不斷對(duì)工件圓周進(jìn)行碾壓，從而實(shí)現(xiàn)將螺栓鉚入工件的過程，旋鉚鉚接力小，時(shí)間較長(zhǎng)。

按照上述步驟，完成了儀表板橫梁總成的初步設(shè)計(jì)方案，下面需要對(duì)橫梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析優(yōu)化，以確保上述方案能滿足系統(tǒng)性能要求。

2 儀表板橫梁總成性能分析

2.1 儀表板橫梁性能要求

儀表板橫梁總成作為駕駛艙模塊總成的骨架,為安裝在其上的各零件提供配合接口,并直接與車身相連接，承受所支撐和連接零件傳遞的載荷,對(duì)乘員的安全性和舒適性有較大的影響。

中國(guó)新車安全評(píng)價(jià)(C-NCAP)依據(jù)乘員碰撞傷害值評(píng)價(jià)車輛安全等級(jí),儀表板橫梁在碰撞過程中雖然不對(duì)乘員身體造成直接傷害,但是如果碰撞時(shí)橫梁受力變形較大,會(huì)帶動(dòng)固定在其上的零件對(duì)乘員產(chǎn)生傷害。因此儀表板橫梁必須有一定的耐撞性，能在車輛發(fā)生碰撞時(shí)有效阻擋駕駛艙零件向乘員的侵入,降低碰撞時(shí)乘員受到的傷害。虛擬分析階段考察整車環(huán)境下儀表板橫梁主管向車后方的侵入量,通常情況下同級(jí)別車型橫梁侵入量越小,表明結(jié)構(gòu)耐撞性越好。文中將鋼制儀表板橫梁主梁侵入量設(shè)為目標(biāo)，以便對(duì)兩方案進(jìn)行對(duì)比。

車輛運(yùn)行過程中方向盤抖動(dòng)過大會(huì)對(duì)駕駛者產(chǎn)生困擾,影響駕駛舒適性,降低車輛品質(zhì)。問題原因在于儀表板橫梁自身剛度不足, 無(wú)法有效支撐方向盤，方向盤受到激勵(lì)后共振。為了有效解決上述問題,對(duì)于駕駛艙模塊,整車環(huán)境下方向盤一階模態(tài)頻率應(yīng)不小于35 Hz。表4中列出了儀表板橫梁需要滿足的性能要求。

表4 儀表板橫梁性能要求

2.2 儀表板橫梁性能分析優(yōu)化

2.2.1 優(yōu)化分析策略

基于上述性能要求,對(duì)儀表板橫梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多輪迭代優(yōu)化：采用拓?fù)鋬?yōu)化獲得零件最優(yōu)結(jié)構(gòu)形狀；然后應(yīng)用多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，以儀表板橫梁減重為優(yōu)化目標(biāo)，以方向盤的模態(tài)頻率為約束，以儀表板橫梁零件料厚為設(shè)計(jì)變量，對(duì)儀表板橫梁總成進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證安全碰撞性能。限于篇幅優(yōu)化的過程不作為文中討論的重點(diǎn)。

2.2.2 方向盤模態(tài)頻率分析

優(yōu)化后的儀表板橫梁的方向盤一階模態(tài)頻率為35.6 Hz，滿足不小于35 Hz要求,CAE分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 方向盤一階模態(tài)頻率

2.2.3 碰撞安全分析

基于碰撞安全仿真結(jié)果：在50 km/h正面碰撞和64 km/h偏置碰撞工況下鋼制儀表板橫梁主梁的侵入量分別為10和34 mm，相同工況下鋁合金儀表板橫梁主梁的侵入量分別為9和27 mm，鋁合金儀表板橫梁碰撞安全性達(dá)到了上一代鋼制橫梁設(shè)計(jì)水平。

基于上述優(yōu)化分析驗(yàn)證，在性能滿足要求的情況下，優(yōu)化完成的方案如圖8所示,總成質(zhì)量為7.549 kg,相比上一代鋼制結(jié)構(gòu)(質(zhì)量12.174 kg)減少4.625 kg,減重38%。

圖8 鋁合金材質(zhì)儀表板橫梁方案

3 結(jié)論

采用鋁合金材料設(shè)計(jì)完成的儀表板橫梁較上一代鋼制儀表板橫梁減重38%。方向盤一階模態(tài)頻率35.6 Hz(目標(biāo)：≥35 Hz) ，滿足模態(tài)性能要求；碰撞安全仿真結(jié)果顯示：鋁合金儀表板橫梁設(shè)計(jì)方案主梁侵入量達(dá)到了鋼制橫梁水平，滿足碰撞安全要求。

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