范永星
上海和达汽车配件有限公司 上海201712
摘要：从汽车轻量化考虑，降低仪表板横梁的重量的同时，实现可制造性，并控制零件生产成本。
关键词：汽车轻量化；镁合金技术应用；仪表板横梁；
前言：
近年来,轻量化技术越来越多地被应用于乘用车仪表板横梁，汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性能，减少油耗，降低污染。由于环保和节能的需要，加上近年来新能源汽车的蓬勃发展，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
仪表板横梁作为汽车仪表系统内部骨架关键零件,尺寸大、结构比较复杂，传统的用材都是钢制焊接件，重量比较重，在满足刚度及模态的情况下，减轻仪表板横梁重量是各车企业重点研究的课题之一。目前仪表板横梁轻量化的趋势：镁合金和钢混合横梁；
正文：
镁合金和钢混合横梁是支撑仪表板台、空调系统、转向柱系统、线束系统、ECU等元器件的平台，并且和其它安全件一起构成cockpit安全系统，其强度吸能值是其性能的主要指标。
仪表板横梁因此也成为不可替代的汽车零部件之一，但是随着节能减排、降低重量的要求，一些钢制的仪表板横梁在中高端车型中也在慢慢退出舞台，随之而出的既是新材料、新工艺酝酿出的可量产的，轻量化的，成本更低的新产品；镁合金与钢混合的仪表板横梁，便在此要求中，有很大的发挥空间。
1、镁合金材料的性能及应用
镁合金因为具有密度小（密度为1.78g/cm3，仅为钢的密度的1/4，减重在40%以上），强度高、刚度高，机加工性能优良，减震性能优异等优点，具有广泛的应用前景，尤其是在汽车工业领域。镁合金和铝合金一样，都可以将报废的产品再次溶解，然后精炼，其回收性强，属于环保材料的范围，目前已经开始受到工业界所重视；镁合金的加工方法主要有铸造成型与变形成型
1.1、镁合金铸造成型
铸造成型的镁合金方法主要有：压力铸造，砂型铸造，注射成型等。我们仪表板横梁所涉及到的目前为压力铸造，压力铸造属于近净成型加工，其产品的表面质量和内在质量更优异，生产率更高，适合大规模生产且能进行自动控制，已经成为铸造镁合金成型的最具发展潜力的技术，本文决定选用AM60B。
1.2、冲压件成型设计
镁合金与钢连接中，设计到部分的钢制连接支架，这部分连接支架，是需要使用钢结构与镁合金连接的方式，其中包括：右侧主管梁，仪表板左侧/右侧端部支架，安全气囊连接支架，空调风机连接支架，中央通道左/右侧连接支架；考虑到中通道支架与主管梁要与镁合金做螺栓连接，特设计时在连接处做了压平设计，增加安装扭矩。
2、镁合金和钢混合横梁的设计方案
因镁合金与钢无法通过焊接实现连接，所以我们采用螺栓连接方式，如下图：
通过如上图片可看出，镁合金与钢连接主要力集中在图二中的两颗M8的螺栓上，此两颗螺栓扭力根据CAE测算，扭力需要控制在25N/m；图三中M6螺栓，扭力控制在9N/m，镁合金在设计时，打螺栓的孔均设计成带有拔模斜度的无螺纹孔，使用螺栓自攻进去，将钣金与镁合金完美连接。
因为考虑到镁合金的成型及利用率问题，所以在镁合金上制作了一部分冲压件，用M6自攻螺栓联系的方式，与镁合金做连接，以保证装配。
通过此类设计，由原来的12Kg的钢制横梁成功减重到7Kg，减重达到42%；并且通过客户的DV试验要求。
夹具设计中，应考虑对镁合金的保护，如下图，增加黄色铜皮，在零件装夹后，使用气缸，将铜皮罩住零件，即可有效保护，并防止因焊渣飞溅，所导致的零件表面损坏。
3、镁合金和钢混合横梁的工艺流程
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4、镁合金和钢混合横梁的试验要求
检测项目 技术要求 检测方法
方向盘失效试验 管梁对转向管柱和方向盘在X、Z方向的支撑力 要求：
施加试验载荷F1=±750N，卸载后无失效、无永久变形或是损坏（变形量≤0.1mm,检测点为转向管柱安装点和定位点）。 将安装有转向管柱和方向盘的管梁总成安装在模拟车身的刚性支架上, 在方向盘的正常位置和两个极限位置完成管梁对转向管柱和方向盘在X、Z方向的支撑力的施加方法(图1)：
在12点钟位置，同时沿与方向盘面成60度夹角的方向，力的增加速度：100N/s，施加载荷的最大持续时间：t=5s 要求：施加试验载荷F1=±750N
管梁对转向管柱和方向盘在Y方向的支撑力 要求：
（1）施加试验载荷F1=±400N，卸载后无失效、无永久变形或者损坏（变形量≤0.1mm，检测点为转向管柱安装点和定位点）。
（2）施加试验载荷F2=±600N，卸载后无永久变形、裂纹或者折断（变形量≤0.1mm，检测点为转向管柱安装点和定位点）。 将安装有转向管柱和方向盘的管梁总成安装在模拟车身的刚性支架上, 在方向盘的正常位置和两个极限位置完成施加在方向盘的3点及9点位置，方向沿径向向外，力的增加速度：100N/s，施加载荷的最大持续时间：t=5s 要求：（1）施加试验载荷F1=±400N （2）施加试验载荷F2=±600N
焊接部件破损和挤压试验 撕裂力试验 要求：焊缝破坏前，零件自身断裂。 将产品分段固定在台钳上，使用相应的工具对焊接零部件进行破坏试验，若在焊缝破坏前，零部件自身断裂，则焊接强度合格。 加载说明：与主管梁焊接的零部件焊缝附件撕扯支架
挤压试验 要求：
焊点与零部件的相对位置应保持不变 将分段产品固定在万能材料试验机上，用压力机对主管梁进行压缩。焊点与零部件的相对位置应保持不变。 加载说明：与主管梁焊接的零部件焊缝附近挤压主管梁
管梁总成震动试验 震动试验 要求：试验完成后要求:管梁总成不允许产生裂纹、裂缝、断裂、零件脱落等缺陷。 取任意一管梁总成，静放在常温下（23 oC±2oC）下24 h后，将总成安装在模拟车身安装环境的刚性台架上，固定在6轴振动台上进行测试，在频率33Hz，加速度32 m/s2的试验台上上下振动4h,左右振动2h，前后振动2h；
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5、道路试验和碰撞试验
在完成了材料和零部件台架试验之后，又分别对镁合金与钢连接仪表板横梁进行了强化和综合道路试验以及整车碰撞试验，道路试验过程中没有发现镁合金仪表板横梁发生锈蚀、开裂等失效情况，结果完全可满足产品的功能要求。正碰试验和侧碰试验过程中，镁合金与钢连接仪表板横梁也起到很好的支撑作用，没有发生变形或开裂，已经顺利通过碰撞试验，达到量产安全性能要求。
镁合金仪表板横梁的零件性能测试、路试试验和碰撞安全试验结果均满足标准要求，验证了镁合金仪表板横梁性能完全满足使用要求。
6、成本优势
仪表板横梁的主要重量一般都在左驾驶部分，所以，右驾重量偏轻；我们设计此类异种金属连接类横梁时，主要考虑将重量集中的一部分进行轻量化转化，对质量较轻的右驾部分零件进行保存原材料方案即可。
通过此类更改及优化，镁合金的使用量会大大减少，同时也就起到了降本的目的，一般镁合金与钢连接的仪表板横梁要比全镁合金的横梁价格便宜40%，模具费用同比降低40%；
结论：综上所述，为达到环保和节能的要求，加上新能源车续航的问题，将仪表板横梁减重势在必行，现在新材料的应用也就迫在眉睫，所以将镁合金与钢连接的仪表板横梁技术将广泛应用在中高端汽车中，其可以减少产品的重量，能够有效减少能源耗损量，并在减重、可制造性、成本，三者中找到一个平衡点，让设想变为现实，这对于促进汽车行业发展具有重要意义。
参考文献
[1]镁合金AZ31B板材热拉深成形工艺参数优化[J]. 于彦东,李彩霞.??中国有色金属学报.?2006(05)
[2]镁合金仪表板横梁开发和研究[J]. 范军锋,冯奇,凌天钧,何健.??汽车工艺与材料.?2012(08)
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