基于某款電動(dòng)車副儀表板的輕量化設(shè)計(jì)

李威 亢勝利 王洪明

摘? 要：隨著能源短缺、環(huán)境破壞等社會(huì)問(wèn)題的日益突顯，汽車輕量化已成為汽車社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措之一，尤其是在新能源汽車日益成為汽車發(fā)展的重要發(fā)展方向的大背景下，汽車的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)汽車的節(jié)能降耗、性能提升以及降低制造成本上有著積極的推動(dòng)作用。本文基于某款電動(dòng)車的副儀表板系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)弱化以及零件集成的方法對(duì)該款車型的副儀表板系統(tǒng)進(jìn)行輕量化優(yōu)化，優(yōu)化完成后通過(guò)CAE仿真技術(shù)來(lái)驗(yàn)證本次輕量設(shè)計(jì)的可行性，并最終實(shí)現(xiàn)了該款車型的副儀表板輕量化。

關(guān)鍵詞：車身;副儀表板;輕量化

中圖分類號(hào)：U463.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）03-0076-08

Abstract： With the energy shortage， environmental damage and other social problems have increased prominent， automobile lightweight has become one of the important measures for the sustainable development of automobile society， especially in the new energy vehicle has increasingly become an important development direction of automotive development under the background， The lightweight design of automobile plays a positive role in promoting the energy saving and consumption reduction， performance improvement and manufacturing cost reduction，. This paper is based on a sub-console system of an electric vehicle， Through the method of structural design weakening and parts integration， the lightweight optimization of the sub-console system of this model is carried out， After the optimization， CAE simulation technology was used to verify the feasibility of the lightweight design， and finally realized the lightweight of the sub-console of this model.

前? ? 言

所謂汽車輕量化技術(shù)，是指汽車在滿足原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能的前提下[1]，以及汽車本身成本不被提高的基礎(chǔ)上，有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量。在車身設(shè)計(jì)過(guò)程中，車身輕量化主要可從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料輕量化、制作工藝的改進(jìn)以及集成化設(shè)計(jì)的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量的減輕。本文基于上述條件，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及零件集成的方法，對(duì)副儀表板的總體質(zhì)量進(jìn)行輕量化提升，并最終實(shí)現(xiàn)該款車型制造成本的降低和整車性能的提升。

1? ? 優(yōu)化前副儀表板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

該車型是基于某汽油車型平臺(tái)進(jìn)行純電動(dòng)化改造。由于白車身、底盤、電器、內(nèi)飾件等大部分零件必須沿用，從而導(dǎo)致了該車型的整備質(zhì)量大于同級(jí)別的其他純電動(dòng)車型，給該車型帶來(lái)了續(xù)航里程低，動(dòng)力性不足的問(wèn)題，因此對(duì)該車型進(jìn)行輕量化改造顯得尤為重要。本章對(duì)該副儀表板系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出帶來(lái)質(zhì)量升高的關(guān)鍵要素。圖1是該副儀表板系統(tǒng)的整體構(gòu)造圖。

對(duì)該副儀表板系統(tǒng)進(jìn)行分塊，并編寫成bom表，bom表中包含每一個(gè)分塊結(jié)構(gòu)的重量、規(guī)格、材料定義以及成型工藝如表1。

圖2是該副儀表板系統(tǒng)零部件分解后的質(zhì)量柱狀圖。

通過(guò)對(duì)該副儀表板零部件質(zhì)量柱狀圖分析，我們可以看到影響該副儀表板系統(tǒng)質(zhì)量高的零部件主要有副儀表板外箱骨架總成、副儀表板內(nèi)箱骨架總成、后固定支架以及換擋器支架。后續(xù)我們將從此四個(gè)零件著手進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)及實(shí)施，以達(dá)到副儀表板系統(tǒng)輕量化的目標(biāo)。

2? ? 副儀表板系統(tǒng)輕量化方案構(gòu)想

2.1? ?車身輕量化主要方法

在車身設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要可從車身結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝優(yōu)化以及集成化設(shè)計(jì)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量的減輕[2]。

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化：主要是對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用減料厚、零件開孔、結(jié)構(gòu)切除弱化等技術(shù)對(duì)零件的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重;

（2）材料輕量化：主要是不影響車身機(jī)械性能的情況下，改變車身原有的材料特性，從而達(dá)到輕量化的目的，目前主要的應(yīng)用有，鋁合金輕質(zhì)材料的應(yīng)用、塑料復(fù)合材料的應(yīng)用、碳纖維材料的應(yīng)用[3];

（3）制造工藝輕量化：所謂制造工藝輕量化，就是采用新的制造工藝技術(shù)，對(duì)零件進(jìn)行輕量化加工，目前主要的應(yīng)用技術(shù)有微孔成型技術(shù)、發(fā)泡成型技術(shù)以及激光拼焊技術(shù)等;

（4）集成化技術(shù)：主要是采用零件前端模塊集成化技術(shù)，對(duì)零件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化，目前主集成化技術(shù)主要有鑄造鋁合金零部件集成設(shè)計(jì);車身骨架集成設(shè)計(jì)。

以上四種方法為車身輕量化技術(shù)的主要方法。

2.2? ?副儀表系統(tǒng)輕量化方案構(gòu)想

根據(jù)影響該車型副儀表板質(zhì)量高的主要零部件有副儀表板外箱骨架總成、副儀表板內(nèi)箱骨架總成、后固定支架以及換擋器支架，本節(jié)將基于上述車身輕量化方法，著重對(duì)此四個(gè)零件進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.1 后固定支架輕量化構(gòu)想

為了提高副儀表板整體模態(tài)，在設(shè)計(jì)副儀表板時(shí)通常會(huì)在副儀表板后部增加一個(gè)后固定支架，該后固定支架既能提升副儀表板整體模態(tài)，又能將副儀表板后部固定牢靠，從而達(dá)到提升此副儀表板系統(tǒng)的整體可靠耐久性的目的。在設(shè)計(jì)初期定義此后固定支架的材料為metal牌號(hào)DC04，料厚為3mm，通過(guò)競(jìng)品對(duì)標(biāo)發(fā)現(xiàn)很多車型的后固定支架的相同的材料，但是零件料厚僅為1.5mm左右，基于競(jìng)品對(duì)標(biāo)情況，我們將此后固定支架的設(shè)計(jì)料厚由3mm減小到1.4mm，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行優(yōu)化（如圖3所示），從而使零件的重量由1.372kg降低到了0.441kg，輕量化了0.931kg，輕量化效果顯著。

2.2.2 副儀表板骨架輕量化方案構(gòu)想

副儀表板系統(tǒng)作為內(nèi)飾系統(tǒng)中一個(gè)重要功能集成體，既滿足了乘客儲(chǔ)物方便性，又滿足了駕駛員的換擋方便性，按照傳統(tǒng)的副儀表板設(shè)計(jì)方法[4]，換擋器機(jī)構(gòu)總成上部與副儀表板換擋面板通過(guò)卡接固定，下部通過(guò)打螺釘固定在換擋器支架上，換擋器支架與車身地板固定，從而達(dá)到支撐換擋器的目的，保證換擋操作的可靠性（如圖4所示）。由此我們?cè)O(shè)想，如果換擋器支架不直接與地板固定，而是與副儀表板總成集成后再與地板固定，換擋器機(jī)構(gòu)總成固定在副儀表板骨架上，從而可以實(shí)現(xiàn)利用換擋器支架充當(dāng)副儀表板前部骨架的目的（如圖5所示），進(jìn)而達(dá)到可以對(duì)副儀表骨架進(jìn)行輕量化的目的，上述輕量化構(gòu)想方案具體實(shí)施方法如下圖所示。

當(dāng)換擋器支架與副儀表板外箱骨架集成后，副儀表板前部區(qū)域?qū)⒁驌Q擋器支架的存在，轉(zhuǎn)而由換擋器支架提供副儀表板前部剛性，進(jìn)而可以將副儀表板前部骨架切除掉（如圖6所示）;同時(shí)在副儀表板骨架中下部區(qū)域由于座椅的遮擋，乘客很難觸碰到該區(qū)域，因此該區(qū)域的副儀表板骨架也是可以被優(yōu)化掉（如圖6所示）;而后部區(qū)域的骨架由于與后固定支架連接，同樣可以由后固定支架對(duì)后部區(qū)域提供剛性支撐，因此后部區(qū)域的骨架是可以挖孔弱化;扶手鉸鏈區(qū)域也同樣可以采用相同的方法。經(jīng)過(guò)以上輕量化方案的優(yōu)化，副儀表板骨架質(zhì)量由2.854kg降低到1.116kg，輕量化了1.738kg，輕量化效果明顯。

2.2.3 輕量化構(gòu)想小結(jié)

本節(jié)采用零件集成、結(jié)構(gòu)弱化以及零件料厚減薄的技術(shù)，分別對(duì)副儀表板后固定支架和副儀表板骨架進(jìn)行輕量化，總計(jì)輕量化重量達(dá)到了2.669kg，輕量化質(zhì)量占該副儀表板總成（副儀表板總成總質(zhì)量8.6kg）的31%，輕量化效果顯著（如表2所示）。

3? ? 副儀表板系統(tǒng)輕量化方案驗(yàn)證

采用CAE分析的方法對(duì)上述的輕量化構(gòu)想進(jìn)行仿真驗(yàn)證。此次CAE驗(yàn)證主要從副儀表板模態(tài)、頭碰以及剛性三個(gè)方面的性能進(jìn)行驗(yàn)證分析[5]，驗(yàn)證輕量化后的副儀表板系統(tǒng)是否滿足常規(guī)的副儀表板性能定義要求。圖7為本次CAE分析所需的副儀表板材料參數(shù)輸入。

3.1? ?副儀表板總成模態(tài)驗(yàn)證

對(duì)副儀表板總成模態(tài)性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證方法按照我司標(biāo)準(zhǔn)中所述的方法，將副儀表板安裝在模擬整車環(huán)境的虛擬剛性臺(tái)架上（臺(tái)架的固有頻率應(yīng)大于100Hz），固有頻率大于100Hz的整車剛性臺(tái)架;Z向振動(dòng)掃頻10～100Hz，掃頻速度0.2Hz/s;掃頻加速度1G;掃頻時(shí)間10min;試驗(yàn)結(jié)束后要求副儀表板總體模態(tài)不低于35Hz;局部模態(tài)不低于30Hz。

按照上述模態(tài)驗(yàn)證方法對(duì)副儀表板總成的模態(tài)進(jìn)行CAE仿真驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)構(gòu)來(lái)看，副儀表板一階模態(tài)達(dá)到了30.755HZ，二階模態(tài)為58.558HZ，由此可以證實(shí)輕量化后的副儀表板模態(tài)可以滿足總體模態(tài)不低于35Hz;局部模態(tài)不低于30Hz的要求。從而證實(shí)了我們的輕量化構(gòu)想滿足副儀表板總成模態(tài)性能要求（如圖8所示）。

3.2? ?副儀表板總成頭碰性能驗(yàn)證

對(duì)副儀表板總成的頭碰性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證方法根據(jù)法規(guī)GB11552-2009，用直徑165mm的球頭模型以24.1km/h的速度撞擊儀表板的碰撞區(qū)域。要求;球頭減速度超過(guò)72g的持續(xù)時(shí)間不超過(guò)3ms，不得出現(xiàn)可致人嚴(yán)重傷害的凸起滿足突出物法規(guī)GB 11552-2009。其CAE仿真結(jié)果如下：

按照上述頭碰性能驗(yàn)證方法對(duì)副儀表板總成的頭碰性能進(jìn)行驗(yàn)證，從副儀表板頭碰區(qū)域隨機(jī)選取四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行頭部撞擊驗(yàn)證，分析結(jié)果得出此四個(gè)點(diǎn)的再3ms內(nèi)的碰撞加速度分別為71.34g、68.43g、68.06g、71.91g（如圖9所示），滿足≤72g的性能要求，即說(shuō)明此輕量化方案可行。

3.3? ?副儀表板總成剛性驗(yàn)證

對(duì)副儀表板總成的剛性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，剛性驗(yàn)證分為面剛性驗(yàn)證和點(diǎn)剛性驗(yàn)證，其中面剛性驗(yàn)證按照我司標(biāo)準(zhǔn)，將副儀表板安裝在虛擬剛性臺(tái)架或整車上，副儀表板左側(cè)和右側(cè)各施加150N的力，持續(xù)5s。作用力優(yōu)先施加在副儀表板的高位和后部，作用力點(diǎn)在項(xiàng)目技術(shù)文件（或圖紙）中明確規(guī)定。力垂直于表面，作用面：60mm×80mm的板（手掌和膝蓋代表的面積）。試驗(yàn)期間，在150N的作用力下，前部區(qū)域的撓度應(yīng)該小于3mm，后部區(qū)域應(yīng)小于4mm。試驗(yàn)后，在這些區(qū)域不應(yīng)該有任何永久變形;點(diǎn)剛性驗(yàn)證按照我司標(biāo)準(zhǔn)，將副儀表板安裝在剛性臺(tái)架或整車上。副儀表板側(cè)面各施加一個(gè)力（Y+/Y-）;副儀表板上面向下施加一個(gè)垂直的力（Z-）;副儀表板后面向前施加一個(gè)水平的力（X-）。力的作用點(diǎn)都在項(xiàng)目技術(shù)文件（或圖紙）中明確規(guī)定。力的方向垂直于表面，力的作用面積：端部?14mm（代表一個(gè)手指頭）試驗(yàn)期間，所有點(diǎn)上施加50N的作用力，撓度小于3mm。試驗(yàn)結(jié)束之后，在這些區(qū)域不應(yīng)該有任何永久變形。

在測(cè)試副儀表板總成點(diǎn)剛性時(shí)，在副儀表板側(cè)面隨機(jī)選取9個(gè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示，副儀表板總成的點(diǎn)剛性用有力的位移曲線來(lái)表示。

按照上述試驗(yàn)要求對(duì)副儀表板的點(diǎn)剛性和面剛性進(jìn)行驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，輕量化后的副儀表板點(diǎn)剛性和面剛性均能滿足性能定義要求，由于可以證實(shí)副儀表板系統(tǒng)輕量化構(gòu)想方案的可行性。

4? ? 結(jié)論

本文基于某款電動(dòng)車型的副儀表板系統(tǒng)，在滿足汽車原有的駕駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能的前提下，以及汽車本身成本不被提高的基礎(chǔ)上，有目標(biāo)的對(duì)該車型進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。在上述前提下，本次輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的方案，首先對(duì)該副儀表板的物料清單中的各子零部件進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比分析，精準(zhǔn)找出影響該副儀表板系統(tǒng)質(zhì)量升高的主要零部件，并就此對(duì)這些重量較高的零部件開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文主要采用的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有零件結(jié)構(gòu)弱化和零件集成，首先對(duì)副儀表板后固定支架進(jìn)行減料厚以及結(jié)構(gòu)弱化，使其總質(zhì)量由1.372kg降低到了0.441kg，同時(shí)將換擋器支架由原來(lái)固定在車身地板調(diào)整到與副儀表板外箱骨架集成，由換擋器支架替代副儀表內(nèi)箱前部骨架，進(jìn)而可以對(duì)副儀表板前部骨架進(jìn)行切除優(yōu)化，同時(shí)座椅遮擋區(qū)域架、后固定支架區(qū)域、扶手鉸鏈區(qū)域骨架均可以進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終副儀表板骨架的質(zhì)量由2.854kg降低到1.116kg，優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，采用CAE仿真分析技術(shù)對(duì)副儀表板頭碰、模態(tài)、剛性此三項(xiàng)主要性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果達(dá)到我司標(biāo)準(zhǔn)要求，由此說(shuō)明本次輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)，并最終實(shí)現(xiàn)了該副儀表板系統(tǒng)的總體輕量化，為整車制造成本的降低以及性能的提升提供了積極促進(jìn)作用。

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