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“一根梁的担当”-浅谈CCB设计

2020-07-25 15:43:57·  来源：上汽安全与CAE技术  
　
01、什么是CCB打开车门，进入车内，首先进入视线的是前方的仪表面板，有的科技感十足，有的则前卫时尚。在各式各样的仪表板下面，都隐藏着一种支撑结构---仪表板
01、什么是CCB
打开车门，进入车内，首先进入视线的是前方的仪表面板，有的科技感十足，有的则前卫时尚。在各式各样的仪表板下面，都隐藏着一种支撑结构---仪表板横梁，即CCB （Car Cross Beam）。
 
汽车仪表面板
CCB主要用于支撑人机界面控制设备及装饰件， 同时与其它安全结构共同构成安全系统。其结构形式简单，主要包括管梁，侧端支架，管柱固定支架总成，下支脚以及附属支架等。仪表板横梁安装在驾驶室前端，隐藏在仪表板下方，用于固定仪表板及其附属件；因此通常会把CCB作为汽车内外饰的一部分进行开发。同时，CCB多为金属结构，横跨车身左右两侧，对整个驾驶室有加强作用， 而且PAB（Passenger Air Bag）等结构也安装在上面，对其强度有一定要求；所以，CCB同时作为一种结构承载件进行设计。CCB作为前端仪表面板下的支撑件，担当着安装及安全支撑的重要责任。
 
仪表板下的CCB结构
 
02、CCB的种类
 
CCB虽然整体结构简单，但由于不同车型空间布置及内饰风格不同，其结构设计也各有差异。按照材质可以分为金属类、非金属类；其中金属类又可以分为钢制和非钢制。传统CCB结构以钢制材料居多，采用钢管梁和冲压件拼焊，成本低，但材料密度大，不利于轻量化设计；非钢制金属CCB结构常用材料有铝合金、镁铝合金等，采用挤压和压铸成型，其结构密度小，质量轻，但成本较高；而非金属类，多采用聚合材料与金属搭配形式，进一步提升性能与轻量化水平。
 
不同材料的CCB（图片源自网络）
03、CCB设计要点
CCB结构担当着仪表板等安装固定的功能，同时作为车辆前端支撑件，对车辆结构性能有重要作用。其设计也主要从以下方面考虑：
（1）安装功能：支撑仪表板以及空调等电器件的安装与固定。
（2）碰撞保护：支持膝部碰撞保护，提供碰撞缓冲区；为PAB爆破展开提供支撑[1]。
（3）NVH品质：支持转向管柱及方向盘功能，满足振动等设计要求。
（4）制造成本：满足轻量化设计，降低制造成本。
 
CCB设计要点（图片源自网络）
安装功能方面，需要提供一定的支撑强度；碰撞方面，需要CCB结构冲击作用下变形量较小；而NVH方面则要求其较高刚度，减少振动传递。不论是安装功能，还是碰撞和NVH性能，都要求CCB具有较高的刚度和强度，承担起各种设计需求。因此，CCB开发设计中，也主要以提升其结构的刚强度为目标。
04
 
CCB的设计方法
1.主要设计工况
CCB结构在车内空间布置的约束下，首先要满足各安装界面设计，同时提高其刚强度水平和轻量化水平。在CCB结构早期设计中，其管柱安装整体模态和方向盘中心点刚度通常是衡量CCB结构刚度水平的重要参考。
汽车发动机怠速频率一般在25-28Hz之间，仪表板横梁总成一阶模态在33-35Hz，仪表板横梁安装上仪表板等附件时，一阶模态有5%降低，为避免共振[2]，要求CCB与方向盘管柱的一阶模态应在40Hz以上。
另一方面，管柱及方向盘安装在CCB结构上，而驾驶人员直接接触方向盘，需要保证在操控力矩下，方向盘变形量尽可能小；因此方向盘中心点在加载力的情况下的变形量也是重要设计指标。
 
（图片源自网络）
2.常用设计方法
（1）CCB结构中，不同部分对性能的贡献量有差异，对灵敏度较大的结构进行针对性设计，是提升性能最直接有效的设计方法。
根据分析，常见CCB结构中，各部分结构对一阶模态及刚度的影响不尽相同，以左驾车辆为例，双支脚的CCB各子结构对性能贡献排序如下：
 
（图片源自网络）
可以看出，主管梁是最具有“担当”的结构，其次是管柱安装支架总成，且左端侧支架和左侧支脚相对右侧，对性能影响都更大。根据灵敏度设计，我们可以看到更粗壮的主梁，特殊设计的管柱安装支架，加强的左侧支脚，以及消失不见的右脚设计形式。
 
单支脚CCB
（2）同时，拓扑优化设计也是常用设计方法。如采用拓扑优化方法，对影响较大的管柱安装支架结构进行优化，实现轻量化设计。
（3）此外，通过模块及参数化方法，可以实现快速组合优化。结合优化算法，实现结构快速寻优设计。
 
拓扑优化设计[3]
 
快速组合优化设计[4]

3.未来发展方向
当前对节能环保需求不断提高，车辆轻量化设计成为重要发展方向，CCB作为车辆重要的“担当”角色，也在朝着更轻更强方向进化。随着复合材料的发展，金属塑料混合结构成为重要研究课题，塑料CCB也已经出现，相信未来其结构将会更加丰富，在整车性能提升方面担当起更重要的作用。
 
参考文献
[1] 霍长宏 秦昀，仪表板横梁设计要点浅析[J].汽车零部件，2014.
[2]田佳平，汽车仪表板横梁结构灵敏度与横梁的振动特性分析.中国汽车工程学会论文集[C]，2009.
[3]MohsenRahmani, Kamran Behdinan. PSO-based Multidisciplinary Design Optimization of AutomotiveAssemblies. SAE No.2017-01-9682.
[4]Mohammed,Reza Kianifar, Loan Felician Campean. Sequential DoE framework for Steady StateModel based Calibration. SAE No.2013-01-0972.
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