【技术帖】镁合金在商用车仪表板管梁上的应用

在商用车领域，传统仪表板管梁（Cross Car Beam, CCB）通常为钢制拼焊结构，其由一根或者多根圆管折弯成管梁主体，若干个小支架通过焊接的方式连接在主体上[1]，传统钢制拼焊管梁由于组件多，容易产生焊接变形，焊接精度难以保证，从而导致仪表板间隙面差难以保证，同时由于产品材料为钢材，产品自身重量较重。随着新能源重卡的迅速发展，车身轻量化以及外观品质越来越受到重视。镁合金作为最轻的工程金属材料，在车身及零部件方面应用广泛[2]，特别是近年来一体式压铸镁合金仪表板管梁在高端乘用车及新能源乘用车迅速普及，同时压铸设备吨位迅猛增长，使大型车身结构件压铸成型成为可能，为商用车轻量化、品质提升带来机会。

1.1 镁合金CCB设计要求及轻量化

同乘用车一样，重卡仪表板管梁也肩负着保护乘员的作用，同时用于承载仪表板、电器件等，是驾驶室内重要的承载结构件[3]。通常镁合金CCB设计要满足以下要求：1）满足整体刚度要求；2）满足噪声、振动和声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）要求；3）满足对手件的固定及支撑载荷（强度）要求；4）在满足强度、刚度、NVH等要求下，满足重量指标；5）满足成本目标。

目前，CCB轻量化主要有以下三种方法：一是材料轻量化，采用密度小的新材料替代传统的钢制材料，通过对材料的轻量化，由钢制CCB改为镁合金、铝合金或其他非金属材质；二是结构轻量化，通过集成化设计，在不降低各单件的性能及要求下，用单个零件代替多个零部件，在保证零件性能的条件下优化结构，以达到轻量化的目的；三是工艺优化，采用铸件代替钣金件，铸件有着更高的设计自由度，可根据零部件实际服役工况设计其料厚、截面形状、受力传递路径，以实现降低应力、优化应力分布，最终满足刚强度要求，减少设计冗余。通过将以上方法相结合可实现仪表板管梁重量降低约50%。

1.2 材料

镁合金的密度仅为钢的1/4，铝的2/3，是理想的工程应用金属材料。其中AM和AZ系合金强度高，综合性能良好，应用范围最广。近年来行业常用的商用铸造镁合金为AM50A、AM60B和AZ91D三种牌号，表1为三种常用镁合金的化学成分，表2为其力学性能与物理特性。

表1 常用商用铸造镁合金化学成分 单位：wt%

注：镁合金牌号标准采用ASTM B94，资料来源于国际镁协。

表2 主流商用铸造镁合金材料关键性能

随着Al元素含量的增加，合金的韧性随之降低[4]，因此AZ91镁合金塑韧性最差，而AM50A和AM60B镁合金的伸长率和抗冲击能力更好，适用于CCB、方向盘和座椅等零部件，AZ91合金耐蚀性更强，则主要用于3C等电子产品的壳体及支架等。在实际生产中，可基于CCB具体使用工况及零件的性能及个性化要求，选择合适的镁合金应用生产。

1.3 成型工艺

根据镁合金的材料特性，目前镁合金CCB主要通过高压压铸工艺成型，整体压铸成型可使尺寸精度控制在0.5 mm以内，相对钢制拼焊、铝合金拼焊管梁，镁合金压铸管梁精度大幅提升，可完美解决因尺寸精度不足或者焊接变形带来的仪表板间隙面差问题。由于镁合金自身特性，其耐腐蚀性能比较差，但CCB是在汽车驾驶室内部固定，且在仪表板内部不与外界接触，处于干区零件不外露，因此，在考虑成本的情况下镁合金CCB通常不进行表面防腐处理（压铸件在产品脱模时表面有脱模剂残留，起到了一定的防腐作用）。

2.1 整体方案

通过论证，选择了AM60B作为管梁的材料，该合金综合性能优良。结合镁合金成型工艺以及产品形貌特征，选定X向（车长方向）作为管梁主出模方向，压铸分型面示意图见图1。管梁采用一体高压压铸成型，对于不能随主出模方向出模的部分结构（图中1、2、3小支架）采用分拆的方案，如图2所示，通过螺栓连接的方式固定在管梁主体上。

图1 某重卡镁合金CCB压铸本体分型面示意图

1－本体安装支架；2－骨架安装支架；3－副仪表安装支架。

图2 某重卡镁合金CCB示例

2.2 产品料厚

为了满足产品性能不降低要求，按照等刚度、等强度的设计原则，由于AM60B力学性能弱于Q235B，故需要通过增加产品料厚、变更产品截面形状、增加截面尺寸以获得更大的抗弯截面模量，降低应力，增大产品刚度。

理论推导：简单将弯曲刚度定义为

K=E×IZ （1）

式中，K为弯曲刚度，Nm2；E为材料弹性模量，N/m2；IZ为中性轴惯性矩，m4。

通过对比转换，为维持同一刚度性能，钢换成镁，同一形状截面需要对厚度进行的放大，即镁合金CCB壁厚需增大至钢件壁厚的1.65倍。

弯曲应力计算公式：

 （2）

式中，δmax为弯曲应力，N/m2；Mmax为作用于材料的最大弯曲力矩，Nm；Wmax为结构最大抗弯截面模量，m3。

简单按照Mmax不变，为了保证材料应力不超过其屈服强度，则新结构最大抗弯截面模量Wmax为原结构的1.8倍。

此外，对于金属铸件，并非壁厚越大越好，压铸件的壁厚力求均匀，以免收缩不一而产生应力，压铸件的力学性能随壁厚的增加而降低[5]，图3为铸件壁厚对合金强度的影响。原钢制管梁壁厚为2 mm，由于管梁空间有限，为避免与环境件产生干涉，对产品截面尺寸略微进行放大，综合产品主体壁厚选定为4 mm。

图3 铸件壁厚对合金强度的影响

2.3 产品连接结构

对于镁合金一体压铸管梁，针对不同的位置采用在管梁本体上攻螺纹、使用拉铆螺母的方式替代原有螺钉+备焊螺母方式。其中为了验证螺钉+螺纹以及螺钉+拉铆螺母的可靠性，进行了设计验证，如图4所示。表3为镁合金自攻螺纹结构可靠性试验，表4为镁合金拉铆螺母结构可靠性试验，结果表明两种连接方式均符合9～11 Nm的标准扭力范围，自攻螺纹超过18 Nm开始打滑，铆接最大破坏扭矩为25 Nm。

图4 镁合金连接结构可靠性试样

2.4 产品详细设计

镁合金管梁相对原钢制管梁最大的区别在于成型方式由冲压+拼焊结构更改为了一体压铸结构，压铸结构可以通过设置加强筋，增加方便结构，过渡处使用圆弧过渡等方法增加产品刚度、强度，降低应力分布。镁合金压铸管梁的设计与传统注塑塑料件类似，本款产品设计拔模角度在1°～3°，由于产品不外露，故无需考虑表面缩痕问题，故加强筋壁厚可以与主体料厚一致。

表3 镁合金自攻螺纹结构可靠性试验结果

表4 镁合金拉铆螺母结构可靠性试验结果

2.5 DMU校核

不同于拼焊管梁，一体压铸管梁是模具件，其尺寸只能通过修模的方式进行调整，且只能微调，大面积调整可能会导致模具报废，造成巨大经济损失，故DMU校核为产品设计中非常重要的环节。一般可按照：整体与环境数据间隙≥10 mm（极限5 mm），局部位置≥5 mm（极限3 mm）进行校核。

2.6 CAE仿真分析

仪表板管梁作为仪表板以及驾驶室内重要的承载件、结构件，需要在模态、动态响应、强度、刚度、疲劳、碰撞安全等多个维度进行分析。通过计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析，本镁合金管梁性能满足使用要求，其中管梁约束模态相较原钢制管梁提升30%，仪表板总成约束模态及白车身自由模态分别提高0.4 Hz、1.4 Hz；仪表板强度分析制动、转弯、垂向冲击工况安全系数分别提高10%、30%、50%，如图5所示；仪表板刚度提升30%。

图5 镁合金CCB不同工况下强度CAE分析结果

碰撞安全仿真分析如图6所示，该CCB为重卡驾驶室前方重要结构件，车型为N3类车型，根据法规要求，进行双A柱打击（TEST-B）分析，校核乘员生存空间，结果见表5。

图6 主驾假人生存空间

表5 TEST-B假人腿部与方向盘距离表

从表5中可以看到方向盘对假人大腿无侵入，假人生存空间满足法规要求，镁合金CCB方案与原钢制方案性能相当。

2.7 样件试制

为了验证镁合金CCB设计方案，进行样件试制，由于该CCB尺寸较大，试制费用较高，故采用了3D打印砂型模具进行样件试制，镁合金CCB实物见图7，通过实车装配，未出现干涉等异常，且与周边环境件配合良好，产品精度远高于原钢制管梁。

图7 镁合金CCB实物样件

2.8 产品试验

为了进一步验证镁合金CCB方案，开展了一系列DVP试验，主要有仪表板总成振动试验、振动耐久试验、管梁刚度试验以及管柱支撑结构静态刚度试验等。

根据仪表板总成振动试验测试结果，试验结果满足共振点35 Hz以上，不发生低级音的目标。

通过材质替换及结构优化的轻量化设计路线，采用镁合金一体压铸设计，在设计过程中通过理论推导分析，并借助CAE分析手段找到受力薄弱部位，通过加强筋、翻边以及增加局部料厚的方式，降低应力、改善应力分布，提高刚度，最终实现将原有的40余个支架集成为一个零件，大幅度提高了产品精度，产品重量由原来的11.89 kg减重至5.5 kg，减重6.39 kg，减重率53.7%，且产品性能优于原钢制管梁。以上案例的成功实施，证明了镁合金在商用车领域的减重优势，值得被广泛推广应用。