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[分享] 轻量化仪表板管梁开发

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发表于 2020-3-27 09:42:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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轻量化仪表板管梁开发

霍长宏,李朔,秦昀
(安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心,安徽 合肥 230601)
【中国汽车材料网】摘 要:目前,轻量化已经成为未来汽车行业发展的重要技术之一,轻量化可以使汽车产品的重量降低、性能提升,节能、安全。仪表板管梁是汽车内饰重量最重要组成部分之一,传统钢制一般重9-10kg,随着铝合金材料在汽车行业的广泛应用,我们对其在仪表板管梁上的运用作了尝试,成功的达成了降重40%以上的目标。文章详细介绍了铝合金仪表板管梁的设计思路和CAE分析过程,对轻量化仪表板管梁设计研究有极高的指导作用。
关键词:仪表板管梁;轻量化;铝合金;CAE

引言

目前,轻量化已经成为未来汽车行业发展的重要技术之一,轻量化可以使汽车产品的重量降低、性能提升、节能、安全。仪表板管梁是汽车内饰重量最重要组成部分之一的,其作为钢制结构件,基材选用20#无缝钢管及SPCC钢板冲压支架焊接而成,焊接工艺采用CO2气体保护焊,材料及制造工艺较为传统,导致其密度及重量偏大,有着极其可观的降重空间。

本文从实际车型设计出发,归纳总结了以铝合金仪表板管梁为代表的轻量化仪表板管梁设计的基本思路与性能分析要点,从材料选择、工艺选择、设计要点和CAE性能要求等方面阐述。基于深入的理论研究并结合产品开发的实践经验,对轻量化仪表板管梁设计有极高的指导作用。

1 设计要点

由于铝合金密度仅为2.7kg/cm3只有钢的1/3,据以往经验,在达到相同产品性能的前提下铝合金替代钢制材料甚至可以达到30%-50%的减重率,所以我们尝试选取铝合金作为替代材料进行管梁的设计,最终效果喜人,轻量化效果显著。以下详细论述铝合金轻量化管梁的设计过程:

1.1 材料选择

市场可选铝合金型材目前有6个系列。综合考虑仪表板管梁性能要求,需要较高的强度和延伸率,所以选择6系的6061、6063作为主要替代材料研究范围。

表1 6061、6063性能指标
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1.2 工艺选择

挤压成型是对在挤压筒内的金属锭胚施加外力,使之从设定的模孔中流出,从而获得所需形状和尺寸产品的一种方法。经调研,目前国内外主机厂铝合金管梁均使用该方法进行产品制造。在连接工艺方面,结合铝合金材料性能特点,铝合金各支架之间通过惰性气体保护焊进行焊接固定,各标准件采用拉铆或者压铆固定。

1.3 结构设计要点

轻量化管梁结构设计需要满足以下性能要求:

1)管梁在正碰时能有效的防止变形而伤害到乘客,重点考虑管梁本体刚度以及前围连接支架刚度。

2)在侧碰时能有效的防止变形而伤害到乘客,重点设计管梁本体刚度以及左右连接支架刚度。

3)支持转向管柱功能,重点设计管梁上管柱安装支架的结构刚度和强度,满足管柱模态要求。

4)支持仪表板的固定,有效的提高仪表板的强度,满足仪表板管梁模态要求。

1.4 CAE分析

在满足结构设计要求的前提下,我们需要对设计的合理性和能否达成性能要求进行CAE验证,具体验证项目和方法要求如下:

1.4.1 ODB分析

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图1 ODB分析

要求:前围支架承受压溃力大于8KN。

方法:1)约束两边的车身安装点以及地板的安装点共十二个;2)给前围支架上的板施加一个强制位移,直到样件压溃,提取样件从开始到压溃的力—位移曲线。

1.4.2 侧向力分析

方法:1)约束右边的车身安装点以及地板的安装点共十个;2)在左侧的车身安装点的Y向加强制位移载荷。

要求:侧围连接支架承受压溃力大于15KN。

1.4.3 管柱支架强度分析

方法:1)约束两边的车身安装点以及地板的安装点共14个;2)在转向管柱轴向和垂向加载10KN和5KN的力。

要求:管柱支架不断裂。

1.4.4 管梁模态分析

方法:约束两边的车身安装点以及地板的安装点共14个点的123456自由度,给予管梁一定激励。

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图2 管梁模态分析

要求:模态大于100HZ。

2 总结

随着国家对节能、减排的要求日趋加严,汽车降重降耗工作已经被逐渐重视起来。仪表板管梁作为汽车内饰系统中重要的重量组成部分,其减重工作的重要性不言而喻,本文中提出的用铝合金代替钢制的管梁轻量化设计思路是一种新的尝试和总结,随着汽车制造工艺和开发手段的不断提高,这些数据和设计思路还会有不断的创新和修正,在实际应用环节,要结合实际开发水平,进行正确的判断、参考,但设计原理是相通的,希望本文能给管梁轻量化提供一点启发和帮助。


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