鋁-塑混合型儀表板橫梁的應用研究

董金虎 鄒昳潔 周士沖

摘 要：在新能源汽車蓬勃發展和減重減排的全球環保大趨勢下，儀表板橫梁的輕量化技術正在被不斷完善和應用。對于主流的鋼制儀表板橫梁，結構減重帶來的輕量化貢獻畢竟有限。而隨著鎂合金橫梁、鋁合金橫梁的成熟應用，以輕金屬與高強度塑料混合形式的儀表板橫梁在輕量化方面表現出獨有的優勢。本文就以一種鋁制CCB為研究對象，將其主要支架改進為塑料材質，并對改進后的重量、性能和工藝可行性進行了分析研究，為鋁-塑CCB的開發應用提供了借鑒。

關鍵詞：儀表板橫梁 輕量化 鋁-塑混合 CCB

Abstract：Under the global environmental protection trend of vigorous development of new energy vehicles and weight reduction and emission reduction， the lightweight technology of dashboard beam is being constantly improved and applied. For the mainstream steel instrument panel beam， the lightweight contribution of structural weight reduction is limited after all. With the mature application of magnesium alloy beam and aluminum alloy beam， the dashboard beam in the form of light metal and high-strength plastic shows unique advantages in performance， cost and weight. In this paper， the main support of an aluminum CCB is improved to plastic material， and the weight， performance and process feasibility of the improved CCB are analyzed， which provides a reference for the development and application of aluminum plastic CCB.

Key words：Cross Car Beam; Lightweight， Aluminum-Plastic Hybrid; CCB

1 前言

儀表板橫梁（CCB）是為儀表板總成和其它系統零件（如轉向管柱、空調、娛樂系統、組合儀表、副駕駛側氣囊等）提供安裝結構的架構件。儀表板橫梁每個子件都與其接口零件息息相關，如果設計不合理，易引起相關零件的變形失效，功能喪失、NVH性能差等后果。同時，它與車身直接相連，承受、吸收并傳遞整車碰撞中的能量和載荷，是與乘員保護性能相關的重要零件。因此，CCB直接影響整車的工程設計、駕駛操作和噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise，Vibration，Harshness，NVH）性能和安全性能[1-2]。

近年來，伴隨著儀表板橫梁的輕量化技術的飛速發展，以鎂合金、鋁合金、塑料為基礎材料的CCB不斷被廣泛應用。本文以某純電動車型的鋁制CCB為基礎進行研究，將其主要支架改進為塑料材質，并對改進后的零件進行了工藝可行性分析，并對模態和靜剛度等關鍵性能進行了CAE仿真分析，對兩種方案進行了成本對比和重量的比較，從而為鋁-塑CCB的開發和應用提供了寶貴的經驗，對CCB的輕量化開發方法具有指導作用。

2 鋁質CCB原型

圖1為原車型全鋁材質CCB，材料型號為AL6061-T6，采用擠壓成型工藝。連接工藝方面，結合鋁合金材料性能特點，不同的鋁合金支架則使用惰性氣體保護焊的形式進行連接固定，標準件采用拉鉚固定[3]。本CCB總重7.22kg，其中CCB主梁2.15kg，轉向管柱支架1.37kg，其余支架3.5kg，標準件0.2kg，標準件0.2kg。

3 塑料支架改型

塑料支架改型方案維持主管梁和轉向管柱支架不變，將其余支架用耐高溫尼龍材料PA6-GF60替換，材料牌號為Grivory GV-6H，如圖2所示。改型前后鋁合金和尼龍材料關鍵性能對比如表1所示。

塑料替換零件如圖3所示。替換方式有2種，方案一為各支架單獨設計，料厚3.5mm。方案二為各支架按區域劃分為左中右三個部分即為3個集成的大模塊，料厚3mm。

4 關鍵性能分析

4.1 CCB+轉向系統模態

帶轉向管柱和方向盤載荷的CCB子系統模態是儀表板橫梁開發中的重要性能指標。在整車NVH開發中，結合發動機怠速激勵、懸架路面激勵、冷卻風扇旋轉激勵等頻段，為避免出現方向盤抖動、擺振等問題，為儀表板系統分配的一階模態通常為35Hz以上，為保證以上指標，分解到轉向系統+CCB在接地狀態下的橫擺和垂擺模態頻率通常要求≥45Hz。如圖4為CCB+管柱+方向盤的約束和加載方式。

在保證鋁-塑CCB達到基本模態目標要求的前提下，對兩個替代的塑料支架方案進行結構優化并進行模態仿真，如圖5所示。仿真結果與原鋁質CCB仿真結果進行比較，結果如表2所示。

可以看到，鋁-塑方案一，模態性能基本可以維持原鋁支架的水平，方案二性能有所下降，但滿足標準要求。

4.2 安裝點靜剛度

轉向管柱和空調箱作為CCB集成的兩個主要架構件和重量負載，其安裝點的靜剛度為儀表板橫梁開發中的重要性能指標，安裝點如圖6所示。在同轉向系統模態相同的約束條件下，轉向管柱支架和空調箱安裝點支架的靜剛度仿真結果如表3。

可以看到，兩種鋁-塑方案，轉向管柱安裝點剛度維持原水平，因為管柱支架未做替換，側面車身連接支架的替換對此處剛度影響不大。而空調箱安裝點的剛度指標，方案一略有下降，方案二下降較明顯但也可以滿足標準要求。

4.3 重量&性能比較

兩種鋁-塑方案的重量和關鍵性能比較如表4所示。可以看到，方案二比原來全鋁方案重量有所下降，同時性能也有所降低，在重量目標要求較高，同時CCB負載相對較小的車型中可以考慮借鑒使用此方案。

5 工藝分析

鋁-塑CCB的鋁質管梁和管柱支架為擠出注塑工藝，管梁為等截面。型材內有支撐筋，可以降低注塑高溫高壓對鋁質型材的影響，同時CCB主管梁的表面需進行打磨處理，并設計凹槽以增加與塑料支架的咬合力[5]。之后將鋁質型材作為嵌件放入塑料支架的注塑機中進行注塑成型。圖7為某進口車型鋁-塑CCB。

6 結論

在雙碳政策和節能減排的大背景下，輕量化設計方案的重要性日漸凸出。CCB作為儀表板系統的重要架構件，鋁-塑混合的形式已經成為輕量化的重要研究方向。雖然相比純金屬方案性能會有所下降，但在一些電氣架構集成度較高，空調、轉向管柱等環境件輕量化做的較好的車型中，鋁-塑混合型CCB具有廣闊的應用前景。本文中探討的研究方法和仿真數據會隨著研究的深入和試驗驗證數據不斷更新和修正，但可以為CCB的輕量化設計提供一些借鑒，實際產品開發中可根據具體情況判斷和選擇。

參考文獻：

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[2]宣海軍，蘇榮，江騰飛.汽車儀表板橫梁系統固有振動特性研究[J].設計與研究，2014（4）：37-41.

[3]霍長宏，李朔，秦昀.輕量化儀表板管梁開發[J].汽車應用技術設計研究，2019（4）：47.

[4]楊文葉，姜子敬，朱長春，等. 汽車儀表板橫梁輕量化結構簡介[J]. 汽車文摘，2021（10）：36-39.

[5]劉洲，胡玉潔，付丹，郭文博. 淺談乘用車儀表板橫梁輕量化技術[J]. 汽車零部件，2020（1）：92-95．