擠壓鎂合金汽車(chē)儀表板橫梁骨架的設(shè)計(jì)與分析

高云凱,劉海立,萬(wàn)黨水,高 冬

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海 201804; 2.上海汽車(chē)股份有限公司,上海 201804)

前言

目前,鎂合金儀表板橫梁主要通過(guò)鑄造的生產(chǎn)方式獲得。文獻(xiàn)[1]中介紹了鑄造鎂合金在通用 G-van車(chē)型儀表板管梁上的應(yīng)用情況,總質(zhì)量 12kg,比鋼結(jié)構(gòu)減輕6kg,碰撞安全性和振動(dòng)問(wèn)題也得到改善。與鑄造工藝相比,擠壓工藝有著更好的延展率、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[2]。另外擠壓可以獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量及良好的尺寸精度[3]。

儀表板橫梁骨架總成為儀表板飾件及其附件、乘員側(cè)安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱和空調(diào)箱等零件提供支承,是這些總成裝配過(guò)程中的定位支承件。它直接與車(chē)身相連,承受儀表板總成的載荷,對(duì)車(chē)輛的安全性有較大的影響[4]。本文中對(duì)鋼制儀表板橫梁骨架總成進(jìn)行了鎂合金替代設(shè)計(jì),提出了采用鎂合金擠壓件和沖壓件焊接而成的儀表板橫梁骨架總成設(shè)計(jì)方案,該結(jié)構(gòu)在滿足模態(tài)和碰撞安全要求的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)部件輕量化的目的。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 鋼制儀表板橫梁骨架

鋼制儀表板橫梁骨架總成為左、右側(cè)支架,轉(zhuǎn)向管柱支架,空氣囊(PAB)支架,空調(diào)(HVAC)支架,駕駛員側(cè)支架,副駕駛員側(cè)支架,收音機(jī)支架,中控臺(tái)(CNSL)支架,安裝影音系統(tǒng)的中間支架和儀表板固定支架等 11個(gè)支架焊接在儀表板橫梁上的結(jié)構(gòu),如圖 1所示。各支架主要由不同厚度的鋼板沖壓而成,其厚度如表 1所示。

1.2 擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成設(shè)計(jì)

表1 原設(shè)計(jì)方案各支架厚度

根據(jù)企業(yè)方的要求以及鎂合金材料的特點(diǎn)確定鎂合金替代設(shè)計(jì)原則:不改變?cè)考哂械墓δ?不改變關(guān)鍵孔(定位孔、連接孔)的位置和大小;新設(shè)計(jì)以擠壓工藝為主,沖壓工藝為輔,在保證模態(tài)和安全等基本性能指標(biāo)的前提下進(jìn)行替代設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),鎂合金板和鋼板在厚度比為 1.2∶1時(shí),具有相同的強(qiáng)度;在厚度比為 1.7∶1時(shí),具有相同的剛度[5];為保證沖壓制造工藝的可行性,鎂合金沖壓板件的最小彎曲半徑為板厚的 3倍,在復(fù)雜的彎曲結(jié)構(gòu)處,提高最小彎曲半徑的要求[6]。

根據(jù)以上原則,分析儀表板總成各個(gè)零部件的特征,尋找多種方案并分析各個(gè)方案的可行性,對(duì)比各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn),確定最佳方案。然后根據(jù)最優(yōu)方案選擇材料、主要制造工藝、與周?chē)倪B接方案以及相應(yīng)的防腐措施。根據(jù)新方案中各個(gè)零部件的主要制造工藝,將替代設(shè)計(jì)的零部件分為兩大類:擠壓件與沖壓件。

1.2.1 擠壓件設(shè)計(jì)

鎂合金儀表板骨架總成中的擠壓件包括:儀表板橫梁、駕駛員/副駕駛員側(cè)支架、轉(zhuǎn)向管柱支架和中間支架。下面以儀表板橫梁和駕駛員側(cè)支架為例,說(shuō)明擠壓件的設(shè)計(jì)過(guò)程。

(1)儀表板橫梁 鋼制儀表板橫梁為等徑三維彎管型,分為 4段,如圖 2所示。4段均處于不同的平面內(nèi),彎曲復(fù)雜,主要目的是避免與儀表板本體的干涉。另外在橫梁兩端進(jìn)行局部整形,方便與左、右側(cè)支架焊接。中間位置壓平,以避免與儀表板零件產(chǎn)生干涉。綜合考慮各種方案的可行性、經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率等,確定新方案仍為等徑三維彎管型,如圖3所示。

新儀表板橫梁采用鎂合金擠壓管材通過(guò)彎曲工藝獲得,厚度為2.5mm,外徑為50mm,所有彎曲半徑均設(shè)計(jì)為100mm,兩段相鄰彎曲位置之間均設(shè)計(jì)有便于夾緊的直線段,直線段長(zhǎng)度均大于等于50mm。其中兩端須進(jìn)行整形、切邊,便于儀表板橫梁的定位以及與支架的焊接。為避免與儀表板部件的干涉和保證固定支架的裝配精度,儀表板橫梁的中間位置也進(jìn)行了局部整形。

(2)駕駛員側(cè)支架 原駕駛員側(cè)支架是一整塊經(jīng)過(guò)拉延、切邊、3次復(fù)合彎曲和沖孔的沖壓件,如圖 4所示。通過(guò)分析可知,要用鎂合金板制造出相似的結(jié)構(gòu),工藝將更加復(fù)雜,成本大大增加。另外考慮到支架與地板的裝配面以及連接孔的位置不可修改,因此新設(shè)計(jì)采用擠壓工藝。

新設(shè)計(jì)支架厚度為 3mm,整個(gè)駕駛員側(cè)支架通過(guò)一次擠壓拉伸而成,然后在 4個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行 6次彎曲,兩段相鄰彎曲位置之間均設(shè)計(jì)有便于夾緊的直線段。為保證操作的方便性,在線束孔和連接孔相對(duì)的一側(cè)預(yù)留扳手的操作空間,如圖 5所示。

1.2.2 沖壓件設(shè)計(jì)

鎂合金儀表板骨架總成中沖壓件包括:左/右側(cè)支架、空氣囊支架、空調(diào)支架以及其他支架。以左側(cè)支架為例,說(shuō)明沖壓件的設(shè)計(jì)過(guò)程。

鋼制左側(cè)支架形狀復(fù)雜,主要是為避免與儀表板本體的干涉,如圖 6所示。在支架中間位置處的切口設(shè)計(jì)用于支架與儀表板橫梁的焊接。但切口會(huì)降低支架的剛度和強(qiáng)度,在切口處產(chǎn)生應(yīng)力集中,另外切口設(shè)計(jì)對(duì)于鎂合金難以實(shí)現(xiàn)。鎂合金左側(cè)支架厚度為2mm,仍采用拉延工藝一次成形,并取消了切口設(shè)計(jì),如圖 7所示。

最終建立的擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成如圖 8所示?？偝少|(zhì)量為 1.895kg,相比鋼制結(jié)構(gòu)(5.545kg)減少3.65kg,輕量率為65.8%,滿足輕量50%的要求。

1.3 擠壓鎂合金材料及連接方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用JDM1鎂合金,其材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。鎂合金件相互間的焊接采用熔化極氬弧焊(MIG)。文獻(xiàn)[7]中研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù),采用脈沖MIG焊接工藝可以獲得連續(xù)、沒(méi)有表面缺陷的焊接接頭。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材的95%以上。

表2 材料性能參數(shù)

鎂合金件與鋼件接觸的位置采用有機(jī)涂層處理的方法[8],以防鎂合金發(fā)生電偶腐蝕。鎂合金件與鋼件之間的螺栓連接,選擇與鎂相容性較好的金屬,例如鋁鎂合金(5000系列,優(yōu)先選擇5056A1,其次是6061A1),用作墊圈、薄墊片和緊固件材料,鋼制螺母、螺栓、墊片須在表面鍍Sn、Ca或Zn,見(jiàn)圖9。

鋼制儀表板橫梁骨架總成中的凸焊螺母和預(yù)焊螺釘分別用拉鉚螺母和壓鉚螺釘代替。拉鉚螺母不需攻內(nèi)螺紋,使用氣動(dòng)工具槍鉚接。

2 模態(tài)分析

2.1 擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成有限元模型

模型采用殼單元離散,主要選用 4×4mm的四邊形單元,兼用少量三角形單元。儀表板橫梁骨架總成各部件間的點(diǎn)焊采用CWELD單元模擬,縫焊采用剛性單元RBE2模擬。擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成的有限元模型如圖 10所示。

2.2 模態(tài)分析

企業(yè)法規(guī)規(guī)定儀表板橫梁骨架總成的模態(tài)試驗(yàn)須測(cè)得第 1階自然頻率。根據(jù)上述要求,在儀表板橫梁骨架總成與車(chē)身、地板的連接孔位置處約束節(jié)點(diǎn)的 6自由度,共 6處位置,如圖 11所示。

分別對(duì)鋼制和擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,計(jì)算前 10階約束模態(tài),主要關(guān)注儀表板橫梁骨架總成 1階整體固有頻率[9]。結(jié)果表明:鋼制儀表板橫梁骨架總成 1階 x向整體固有頻率為66.1Hz,而擠壓鎂合金儀表板橫梁為75.59Hz,提高14.4%。新設(shè)計(jì)方案增加了各個(gè)板件的厚度,而且按照等抗彎界面剛度選取橫梁直徑,整體剛度性能相對(duì)于原設(shè)計(jì)有所提高。圖 12為擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成模態(tài)振型。

3 碰撞安全性分析

儀表板橫梁骨架總成除了支承儀表板系統(tǒng)中各個(gè)零件的靜態(tài)負(fù)載外,在汽車(chē)碰撞中儀表板橫梁也將對(duì)乘客艙起到重要的保護(hù)作用。儀表板橫梁骨架總成在碰撞過(guò)程中的變形能夠吸收碰撞能量,所吸收能量的大小通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)侵入量表示。因此將儀表板橫梁骨架總成導(dǎo)入整車(chē)模型中,并進(jìn)行 100%正面碰撞仿真,評(píng)價(jià)儀表板橫梁骨架總成的侵入量。

整車(chē)模型主要采用四邊形單元及少量三角形單元離散,發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等簡(jiǎn)化為剛體,后半部分車(chē)身使用等效替代模型,且定義為剛體。模型單元總數(shù)為 612 604個(gè)。裝有擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成的整車(chē)模型如圖 13所示。

按照轎車(chē)正面碰撞標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定初始碰撞車(chē)速為50km/h。固定壁障的接觸摩擦因數(shù)設(shè)為 0.3。設(shè)置模型與地面、模型與固定壁障為主從接觸,整車(chē)所有節(jié)點(diǎn)均采用自接觸。設(shè)定碰撞時(shí)間為100ms。

取轉(zhuǎn)向盤(pán)的x向位移來(lái)判斷儀表板橫梁骨架總成在碰撞過(guò)程中所起的作用,侵入量曲線如圖 14所示。100%正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)車(chē)身變形的評(píng)價(jià)要求轉(zhuǎn)向盤(pán)向后移動(dòng)小于 100mm[10],原儀表板橫梁骨架總成的最大侵入量為 62.3mm,而新設(shè)計(jì)的為82.6mm?？梢?jiàn)鎂合金儀表板橫梁骨架在碰撞中變形較大,但仍滿足碰撞安全要求。

4 彎曲成形性分析

4.1 彎曲仿真有限元模型的建立

管材在彎曲加工時(shí)不僅易引起橫斷面形狀發(fā)生變化,而且也會(huì)使壁厚發(fā)生變化。儀表板橫梁總共有 8處在 4個(gè)平面內(nèi)需要彎曲,彎曲中心半徑均為100mm,各段的彎曲角度如圖 15所示。

鎂合金儀表板橫梁彎曲采用有芯彎管工藝,即在彎管機(jī)上利用芯棒使管材沿彎曲模繞彎的工藝方法[11]。有芯彎管的工作原理如圖 16所示[12]。將彎管模裝在機(jī)器主軸上,利用夾緊塊將工件夾緊,導(dǎo)板貼緊工件,將工件按照一定的壓力壓在防皺模上,多節(jié)活芯填充管材內(nèi)腔,當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),工件就被繞在彎管模的圓周上,從而形成彎頭,彎曲半徑由彎管模的半徑?jīng)Q定。模擬儀表板橫梁 4個(gè)彎曲位置處的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 彎曲仿真工藝參數(shù)

所選用的JDM1材料具有明顯的各向異性,故選擇Dynaform軟件中設(shè)置各向異性參數(shù)的36號(hào)彈塑性材料模型,該材料的應(yīng)力 應(yīng)變本構(gòu)方程為

式中:σ為等效應(yīng)力;K為強(qiáng)度系數(shù);ε為等效應(yīng)變;n為硬化指數(shù)。

板料單元采用BT殼單元,為提高仿真精度,法向積分點(diǎn)取 5個(gè);根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件,管坯與其他模具部件間的靜摩擦因數(shù)取 0.125,黏性阻尼系數(shù)取20?；贒ynaform中的Rotary bending模塊,最終建立的有限元模型如圖 17所示。

4.2 彎曲仿真結(jié)果分析

金屬薄板成形的性能可通過(guò)成形極限圖和減薄率來(lái)判斷。通常要求成形區(qū)域減薄率不超過(guò) 15%。

圖18～圖 20分別為彎曲段 1仿真后管坯的成形極限圖、厚度分布圖和厚度減薄率圖。由圖 18可見(jiàn),彎曲段 1沒(méi)有破裂區(qū)和破裂傾向區(qū);由圖 19和圖20可見(jiàn),彎曲段外側(cè)變薄約2.3mm,減薄率為8.2%,以及其他彎曲段均滿足要求。整個(gè)儀表板橫梁在彎曲過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)破裂區(qū)和破裂趨向區(qū),彎曲外側(cè)部位的減薄率均滿足要求,不會(huì)出現(xiàn)過(guò)分變薄的現(xiàn)象。因此該儀表板橫梁的彎曲制造性較好。

5 結(jié)論

擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成輕量率為65.8%,滿足輕量化要求。其 1階 x向整體固有頻率相對(duì)原設(shè)計(jì)提高14.4%,整體模態(tài)滿足要求。碰撞侵入量分析表明,鎂合金儀表板橫梁骨架總成滿足碰撞安全要求。彎曲成形性仿真表明儀表板橫梁具有良好的可制造性。試制表明,擠壓鎂合金儀表板橫梁骨架總成的結(jié)構(gòu)、工藝和連接設(shè)計(jì)均可行。

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