淺談乘用車儀表板橫梁輕量化技術

劉洲,胡玉潔,付丹,郭文博

(東風汽車集團有限公司技術中心，湖北武漢 430058)

0 引言

汽車儀表板橫梁(Cross Car Beam，CCB)是儀表板總成的重要組成部分。圖1所示為儀表板橫梁及其環境件，CCB為儀表板本體及其附件、安全氣囊、轉向管柱、空調箱體等零部件提供承載固定。它直接與車身相連接，承受并傳遞支撐和連接的零部件的載荷，直接影響著整車的工程設計、駕駛操作和安全性[1]。

乘用車常采用的CCB為鋼梁焊接金屬支架結構，隨著整車輕量化技術的發展，近年來出現了多種新的CCB技術方案。單純從選材種類角度可以分類為：(1)鋼制儀表板橫梁。包括鋼沖壓焊接型和鋼管梁型，采用不銹鋼或普通鋼材焊接成型；(2)鎂鋁合金輕金屬儀表板橫梁，簡稱為輕金屬CCB。包括鋁合金型材焊接和鎂合金壓鑄成型；(3)輕金屬與非金屬復合材料混合型儀表板橫梁，簡稱為混合型CCB。采用鋁合金型材和塑料一體注塑成型后裝配鎂合金壓鑄件；(4)全塑CCB。采用玻璃纖維或碳纖維復合材料注塑成型[2-4}。

各大整車廠對CCB的輕量化進行了不同程度的開發與應用研究[1，5]。但是，對于乘用車CCB輕量化技術在現階段應用的成熟度、發展趨勢以及輕量化與整車成本的關系等，還需要進一步研究。

圖1 汽車儀表板橫梁及環境件示意

1 研究方法介紹

基于A2MAC1系統平臺，抽檢近20年來的63款量產車型作為分析對象，涵蓋歐系、美系、日韓系、國產品牌具有代表性的車型，抽樣數量分布見圖2。

圖2 抽樣車型數量分布

2 結果與討論

2.1 儀表板橫梁選材及質量現狀

對抽檢的量產車型CCB按選材種類進行質量統計，抽檢車型橫梁的質量分布如圖3所示，可知：

(1)目前量產車型仍以鋼制CCB為主流，輕金屬CCB和混合型CCB的數量僅約占1/4。且輕金屬CCB方案多于混合型CCB方案，抽檢車型中無全塑CCB量產方案；

(2)根據不同車型及CCB結構設計，鋼制CCB的質量分布為5～13 kg，平均質量約8 kg；輕金屬CCB的質量分布為4～8 kg，平均質量為5～6 kg；混合型CCB的平均質量為3～4 kg；

(3)相較于鋼制CCB，輕金屬CCB和復合型CCB輕量化效果明顯，且混合型CCB具有更大的輕量化潛力，可認為是現階段最先進的輕量化技術方案。

圖3 不同方案儀表板橫梁質量分布

2.2 儀表板橫梁輕量化技術分析

2.2.1 行業整體現狀

對抽檢的量產車型CCB按車型品牌類別進行質量統計，抽檢車型CCB的質量分布如圖4，可以發現，歐系車型的CCB平

均質量明顯低于其他品牌車型。這是因為歐系車型應用輕量化方案比例較高，由圖5可見歐系車型CCB輕量化方案應用比例超過50%，且輕金屬和混合型方案均有量產車型應用。反觀其他車型，美系和自主車型僅有少量輕金屬CCB應用，日韓車型則基本均為鋼制CCB。

圖4 不同車型品牌儀表板橫梁質量分布統計

圖5 不同車系儀表板橫梁技術方案統計

由分析可知，相較于美系、日韓和自主品牌車型，在現階段歐系車型的CCB輕量化技術處于領先地位，且存在輕金屬和混合型CCB 2種輕量化方案。

2.2.2 歐系車型輕量化路徑

以歐系中有代表性的4家車企近20年來的車型為統計對象，在數次改款的過程中，各家車型的CCB方案的變化趨勢如圖6所示。奔馳部分車型總體上經歷了從鋼制CCB到輕金屬CCB，最后到混合型CCB的技術發展路徑，混合型CCB為其現階段的主流輕量化方案；而寶馬、奧迪和大眾現階段主流輕量化技術是輕金屬方案；與此同時，出于成本考慮，歐系仍有部分車型采用鋼制CCB方案。

圖6 歐系車型CCB輕量化技術趨勢

2.3 輕量化技術與整車價位關系分析

零件輕量化技術的應用，往往不可避免地帶來成本的增加，各主機廠一般會制定車價定位與輕量化方案策略。圖7列舉了部分搭載輕量化CCB方案的車型價位分布情況，可見搭載輕量化CCB的車型定價一般大于30萬元，但同時也可以看到低價位車型采用輕量化方案的可行性。

圖7 搭載輕量化CCB方案的車型價位(最低配置)分布

2.4 混合型CCB關鍵技術分析

2.4.1 關鍵技術分析

以圖8所示的某車型混合型CCB為例，該CCB采用鋁合金管材作為嵌件，注塑塑料后采用FSD工藝裝配鎂合金壓鑄件。成型工藝流程如圖9所示，成型核心技術在于將表面處理后的鋁合金主管梁在注塑模具內通過高壓水進行漲型，解決了鋁合金管梁與模具的貼合問題，從而實現塑料材料的注塑成型。另外，通過鋁合金的表面處理及與塑料的咬合結構設計，實現鋁合金與塑料支架的高強度連接。

圖8 某車型混合型儀表板橫梁

圖9 混合型儀表板橫梁成型工藝流程

2.4.2 低成本技術分析

作為現階段最先進的輕量化技術方案，混合型CCB成本較高是阻礙其廣泛應用的主要原因。據調研，相比于鋼制CCB約100元/件的價格，混合型CCB成本約400元/件以上。根據現有混合型CCB方案，對其低成本化提出以下建議：

(1)材料成本角度。使材料國產化或者用低價格材料替代，如采用長玻纖聚丙烯材料替代玻纖增強尼龍材料；

(2)模具、設備成本角度。研究用鋁管材精加工替代鋁管

高壓水漲型的可行性，以降低設備成本；同時結合塑料支架分塊注塑的方式，降低模具成本；

(3)結構設計。避免主管梁彎梁設計，降低成型工藝難度；

(4)實現儀表板橫梁開發平臺化，降低零件開發費用均攤成本。

3 結束語

現階段儀表板橫梁仍以鋼制橫梁為主，已量產車型的輕量化方案有輕金屬CCB和輕金屬與復合材料混合型CCB，其中混合型CCB具有更大的輕量化潛力，是現階段最先進的輕量化技術方案。在CCB輕量化技術應用方面，歐系車型處于領先地位，但不同車企采取了不同的輕量化方案。搭載輕量化CCB的車型定價一般大于30萬元，但是隨著低成本技術的發展，未來CCB的輕量化技術會得到廣泛應用。