浅谈仪表板横梁支架产品开发

粟鸿光

摘 要：对仪表板横梁支架产品开发过程中各个要点进行了归纳与剖析，总结为结构设计、性能分析和焊接总成调试，结合某个实际的产品开发实例进行详细论述，对仪表板横梁支架产品开发有较高应用价值。

关键词：结构设计 性能 焊接 调试

汽车产业经过一百多年的发展，已经成为全球性经济支柱产业，也成为人们日常生活中不可或缺一部分[1]。在汽车众多的零部件当中，相对比较重要部件之一仪表板横梁支架CCB（Cross Car Beam）。CCB将驾驶舱系统与车身紧固在一起，它担负着仪表板总成、空调、转向管柱、线束和安全气囊等重要子系统，并为很多与控制相关的电子模块提供安装接口，包括组合仪表、保险丝盒和空调控制模块等[2]。本文基于承接整车厂某款车型CCB产品实际设计制造，从产品结构设计、性能和焊接总成调试三大方面进行阐述。

1 产品设计

CCB承载驾驶座舱系统总成， 其主要零部件如图1所示，采用四点式与车身固定方式。

1.1 材料选型

CCB材料多为低碳钢或低合金钢，其强度与接触刚度是其性能的重要指标[3]。CCB横梁多采用无缝圆管材料，通常可选型号Q215、Q235B、DC01，综合制造、性能和成本考虑，横梁采用Q235B材料，其他各支架的材料选用DC01，支架的板厚根据支架载荷计算刚性和强度而定，通常选定2mm、1.5mm、1.2mm三种规格，仪表板左右侧端板、转向立柱安装支架结构强度要求比较高选用2mm厚板件，其他支架板厚通常为1.2mm。

1.2 结构设计优化

整车厂基本上已完成CCB产品设计，零部件厂设计开发工作对所承接的产品结构设计优化，主要对产品轻量化设计、材料利用率和零件通用性最大化，结合可制造性工艺需求。360模块安装支架合件优化前后结构对比，提升材料利用率85.5%，零件减重0.27Kg，优化焊接工艺，零件模块化集成度更高，其产品性能更优。通过这种类似结构优化，CCB原材料利用率综合提升7.6%，整体减重1.05Kg。对本案CCB中26个连接小支架进行结构性分析，找出4组结构类似，其尺寸相差不多，通过产品结构优化，所开发小支架数量由26个变成18个，模具开发成本降低2%，零件通用性增强。

2 产品性能分析

本案采用Hyperworks软件对仪表板支架总成进行静刚度、强度、模态、模态灵敏度等CAE（Computer Aided Engineering）分析，通过模态和强度分析，为CCB结构优化提供依据。

通过CAE分析，理论上论证产品结构可行性，同时在半工装阶段加大实物验证。CCB总成件刚性和强度试验，采用正上方加载500N，中间连接支架单点和横梁上6个均布加载两种情况，中间支架连接安装点位移量要求≦1.5mm，仿真分析结果和试验结果基本上吻合。

CCB支架上的转向管柱安装支架承载转向管柱，其结构刚性和强度要求较高，转向管柱安装支架与母材管柱的焊缝焊接拉力、剪切力分别≥2500N，焊缝不允许出现裂纹、开裂等焊缝异常现象。CCB焊接质量通过破坏性验证，焊缝熔深和金相检验，均满足要求。

3 产品焊接总成调试

3.1 焊接工艺规划

产品工艺规划基于产品GD&T（GeometricDimentionand Tolerance）、生产节拍和生产设备，对产品可制造性工艺策划。首先了解产品结构、GD&T基准和零件搭接关系，左/右端板是整个CCB基准，两个左右端板通过横梁连接，作为CCB工艺主体结构，其他支架按焊接工序和生产节拍进行分解，同时遵循工艺集成模块化原则。左/右端板各有8个部件有尺寸关联性和相互搭接，中间连接支架有5个部件有尺寸关联性和相互搭接，其他20个小支架相对独立，根据以上信息，对产品工艺组合，左/右端板8个部件焊接成一个小总成，中间连接支架5个支架焊接成一个小总成件，形成3个小总成模块工艺集成，其他支架根据生产节拍和夹具可设计空间合理安排工序，焊接工序上优先基准定位部件，这样便于焊接过程尺寸调试。

减少后期产品尺寸调试。

3.2 焊接工艺调试

CCB制造工艺锁定之后，相对不会有大调整，关键在于焊接工法调试。焊接工艺调试过程分成两个阶段，半工装和全工装调试。半工装主要目的验证产品设计、焊接工艺和焊接总成尺寸，验证过程中所有零件是符合设计标准，按正式量产的设备、夹具、检具、焊接工艺和过程参数验证，最关注是焊接尺寸和焊缝熔深质量，产品结构相对上不会有设变。采用弧焊焊接，焊接变形不可避免发生，焊接尺寸很难达到设计要求，需要最大程度减少焊缝和提升焊缝熔深质量，杜绝补焊。本案中CCB经过5次以上焊缝破坏性试验论证，累计减少设计焊缝510mm，形成不同支架搭接形成焊缝结构标准，为后期CCB产品开发奠定焊缝结构设计基础。要获得好的一次性焊缝熔深，零件之间配合间隙尽量控制在≥1mm内，要求工件公差控制在正负0.5mm。最后机器人焊接可达性和姿态最佳性，也是获得焊接质量关键因素。夹具设计满足零件定位原则前提下，确保焊接空间最大化和夹具可调整性，夹具设计完成后，必须机器人焊接仿真分析，遵循焊接姿态以焊枪与焊缝保持30°～50°之间，最好角度为45°，避免仰焊，最大程度上减少焊枪与夹具干涉，确保焊枪最佳姿态。

通过半工装阶段充分论证，除了因为性能试验需局部产品结构优化设计，主要问题聚焦总成尺寸合格率，其原因不可避免的焊接变形，零件实际制造和配合公差问题所导致，半工装阶段产品尺寸合格率在≦60%以下。全工装根据半工装验证结果而优化，需要产品设变，主要受影响制造工艺：零件落料模具結构设计。CCB零件结构相对简单，采用落料、成型、冲孔和切边等冲压几道序即可满足产品尺寸要求，在半工装阶段，CCB零件落料模具通常不设计制造，零件落料工序采用线切割或激光切割，待半工装验证结束后，落料模具根据零件实际制造公差，以及焊接变形所需实配参数而定。CCB中设计横梁圆管为紫色，黑色为逆向获取的焊后横梁变化，焊后横梁向上弯2.8mm ，最大变形量出现在竖直向偏17度处偏3mm，依据焊接变形变化和零件之间配合间隙要求，对零件结构设变，本案中优化12个零件设计结构来实配产品尺寸，产品尺寸一次性合格率可达≧85%。

4 结语

CCB产品开发，关键在于结构设计优化和焊接工艺规划，以及过程焊接工法和阶段性验证，为后续CCB产品开发提供重要的成功开发经验。不足之处，产品开发周期相对较长，实物验证较多，后期加大CAE分析，进行焊缝优化和焊接变形分析，减少过程实物验证和开发周期。

参考文献：

[1]罗智超.CCB支架焊接数值模拟及焊缝的设计优化[D].江苏：江苏科技大学，2009：1-1.

[2]蔡庆荣，董丹丹，夏建新等. 基于Isight 的仪表板横梁优化[J].计算机辅助工程，2013，（22）：221-222.

[3]施一丰，苏晨，周方明.仪表板横梁支架焊缝设计质量评价方法[J].汽车技术，2011，（3）：56-56.