基于正面碰撞的承載式車身前縱梁修復研究

白海，黃鎮財，孟利清

（1.西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.柳州職業技術學院汽車工程系，廣西 柳州 545006）

基于正面碰撞的承載式車身前縱梁修復研究

白海1，黃鎮財2，孟利清1

（1.西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.柳州職業技術學院汽車工程系，廣西 柳州 545006）

前縱梁是承載式車身的重要構件，在車輛正面碰撞事故中擔負主要的吸能作用。汽車前縱梁碰撞損壞修復是事故車修復中很重要的維修工藝，常需要維修人員掌握多方面的知識。車身修復人員要保證車輛修復后不但能恢復外觀的基本形狀和尺寸，而且能最大限度地保證原車身的安全特性和抗碰撞性能。

承載式車身；正面碰撞；車身修復；前縱梁

CLC NO.: U472.41 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-122-04

引言

當前，絕大多數轎車和一些大型客車都以承載式車身為主要的車身結構，為了吸收碰撞時的能量，承載式車身通常設計成通過車身構件的折疊和破裂來吸收沖擊能量[1]。作為承載式車身的重要構件，前縱梁在車輛正面碰撞事故中擔負主要的吸能作用[2-3]。如何科學修復前縱梁碰撞損壞并最大限度地保證原車身的安全特性和抗碰撞性能，成為當前亟待解決的問題。

1、承載式車身正面結構分析

承載式車身結構取消了車架，而以車身兼起車架的作用，即將所有部件固定在車身上，所有的力也由車身來承受。承載式車身先經沖壓薄金屬材料板成形，然后采用焊接連接而成。它通常設計成通過車身構件的折疊和破裂來吸收沖擊能量。碰撞時的大部分沖擊能量由金屬材料板件吸收，而碰撞沖擊波的影響，是通過車身構件傳遞的。

通常，整個車身殼體按強度等級分為三部分，圖1中A、B、C分別代表車身前部、中部及后部。為了保證車內人員的人身安全，車身在設計時，使乘客室盡可能具有最大的剛度，而使車身前部和后部具有較大的韌性。

前車身主要由前翼子板、前縱梁、前圍板、前輪罩、發動機罩、發動機安裝支撐架以及前保險杠等構件組成。大多數轎車的前部裝有前懸架、轉向裝置和發動機總成。車身發生正面碰撞時，吸收碰撞能量的部件主要是車身前縱梁、前橫梁、吸能盒等，三者的連接關系如圖2所示。

前防撞梁位于白車身的最前端，在塑料保險杠殼體的后邊，通過吸能盒和縱梁相連。在低速碰撞時，防撞梁通過其本身高強度的結構，將能量分散給吸能盒，以減輕車輛的損壞程度，進而降低維修成本。在高速碰撞時，防撞梁將碰撞能量均勻傳遞給左右縱梁等主要的承受部件。在碰撞過程中前防撞梁不能發生斷裂失效，否則就不能在關鍵時刻起到傳遞和分解力的作用，所以防撞梁本身應該具有極高的強度。圖3所示為正面碰撞時撞擊力經過防撞梁的分解作用后的傳遞路線。

吸能盒的主要作用就是吸收撞擊能量，以減少撞擊對乘員的傷害。前防撞梁一般是和吸能盒焊接到一起后，通過螺栓連接到縱梁上。吸能盒的強度要適當的軟，這樣才能在碰撞中起到首先產生變形進而吸能的作用。吸能盒由開有很多潰縮槽的鋼制材料制成，以降低局部強度，達到能在設定好的部位變形以吸收碰撞能量的目的。

前縱梁是前車身最主要的吸能部件，它直接焊接在車身下部，其上再焊接輪罩等構件（有的前輪罩與前縱梁為一體式）。縱梁構件的設計思路是盡可能地讓它沿著軸向壓潰變形，以控制彎曲變形量，從而獲得滿意的碰撞吸能效果。

2、汽車正面碰撞理論

根據汽車事故數據統計，碰撞事故包括正面碰撞、側面碰撞、翻滾、追尾等。汽車前部正面碰撞的比率占總事故的67%左右，因此正面碰撞對生命的危害性也是最大的。而在正面碰撞時，動能主要通過車身前部的塑性變形來吸收，因此研究車身變形吸能區域時，要將重點放在車身前部，即發動機艙的“壓潰區”， 車身前縱梁、前防撞橫梁、車身輪罩等是影響車輛前部正面碰撞吸能性能的主要部件[4]。車輛正面碰撞的理想特性如圖4所示，圖中顯示了正面碰撞中，車身前部的三個變形吸能區段以及各自的作用。

(1) 第一區段為行人保護和車輛低速防護區。在該區段內，車輛的變形及受沖擊力都比較小，以利于保護行人和車輛。此區域前部是前保險杠的外表面，光滑柔軟的塑料蒙皮能夠減少被撞行人受到的傷害；中部是可變形的塑料骨架；內部是前防撞橫梁，采用剛性金屬骨架結構，可為車輛前車身提供有效的低速保護。

(2) 第二區段為相容區，即車輛中速碰撞吸能區。該區段的設計必須確保不同質量的兩車相撞時，能在兩個撞區產生最佳的能量分布，且變形力值應均勻，即在中速碰撞過程中，能量被均勻地吸收，盡量降低撞擊加速度峰值。綜合考慮，將車輛前車身設計的“軟”一些，這樣，正面碰撞的能量靠前車身的變形來吸收，并通過縱梁將撞擊力導入乘客室底板總成中。

(3) 第三區段為自我保護區。在高速碰撞時，該區段保證汽車乘員室具有自身保護能力，車身結構在這個區段應有較大的剛度，從懸架到車身前圍板之間的變形力急劇上升，阻止變形擴展到乘客室。在結構上，要將乘客室設計的相對強些，保證在碰撞過程中為乘員提供足夠的生存空間。相應的，汽車前部的發動機、變速器等動力總成必須采用相應的措施，使其向下轉移，而不致侵入乘客室。

在正面碰撞事故中，車身前部結構吸收的能量約占80%，驅動部件和車身前圍板各占約10%。車身前部機構吸收的能量中，約有70%分配給車身前縱梁，25%分配給車身前防撞橫梁和車身輪罩，5%分配給車身翼子板和發動機罩[5]。由此可見，前縱梁在吸收車身正面碰撞能量中起到舉足輕重的作用。

前縱梁的前端位于第一變形區段內，設置有易于軸向壓潰的結構，例如吸能盒。前縱梁的前部和中部位于第二變形區段內，這部分前縱梁設計成筆直的，采用不等厚鋼板材質。一般來說，縱梁的中部采用高強度鋼材的大截面設計，整體強度較前部大的多，這樣的話，在前端吸能盒未完全變形時，保證縱梁中部不變形，從而達到逐級吸能的目的。前縱梁的后部則位于第三變形區段，這部分前縱梁采用更高強度的鋼板且增加了板厚，一般設計成向下彎曲的形狀。此外，為了抵御局部彎曲變形，還會在彎曲部位設置加強筋，此處是極易變形但又不能嚴重變形的區域。

3、承載式車身前縱梁的修復

通過上述分析可知，汽車前縱梁碰撞損傷修復是事故車修復中非常重要的維修工藝。對于輕微碰撞事故，只需要簡單的鈑金整形及涂裝就可以了，但如果是嚴重的事故，前縱梁變形較大，這時就需要采取比較復雜的校正或更換工藝。

3.1 承載式車身前縱梁的拉伸校正

對于彎折變形不很嚴重的前縱梁而言，其校正修復從測量開始。車身相關零部件拆解之后，使用車身電子測量設備對受損部位進行檢測，找到車身中部前后沒有受到變形影響的4個點，調平車身并根據維修手冊確定車身高度設計基準面，對比基準點的實際高度尺寸，推測車身高度實際基準面，然后測量受損部位的實際尺寸，并與維修手冊給的標準尺寸進行對比，確定前縱梁的損傷范圍并制定維修方案[6]。

車身校正時，需遵循的基本原則有兩點：一是“后進先出”原則，即對整車維修或某個部件的維修過程中，先維修間接損傷，再維修直接損傷。二是“先里后外”原則，即先維修中段，再維修前段和后段；先維修縱向的變形，再維修側面的變形[7]。

進行拉伸校正的具體操作步驟如下。

首先，要對車身進行固定，可使用通用定位夾具固定受損車身的前縱梁。進行拉伸校正時，為了防止車體移動，在實施基本固定的前提下，應當根據產生推、拉作用力的作業點和方向，對分散推、拉作用力等位置的支點進行輔助固定，以防二次損傷的產生。

接著，按照與碰撞力相反的方向進行粗拉伸。要按照從里往外、從中間往兩邊以及從下往上的順序進行修復。對于損傷部件，要先修結構件，再修覆蓋件。拉伸時，要確保拉伸的方向和角度、拉塔上拉鏈固定的高度、拉伸時拉力的大小，并分多次進行多點拉伸。牽引力的強度要做到從大到小、逐漸變化，以確保精度拉伸。

然后，要按照“拉伸——保持平衡——再拉伸——再保持平衡”這樣的操作步驟循環往復。同時，要邊拉邊敲，以釋放應力。

最后，要確保拉伸中的不斷測量，以預估彈性回彈，防止拉伸過度。

3.2 承載式車身前縱梁的更換

實際的車身修復過程中，一旦遇到折曲、彎曲嚴重或已破裂的縱梁，常常放棄對原縱梁的拉伸、整形修復，而是先經過粗放拉伸，接著對原損傷縱梁進行科學分割，最后更換新的縱梁組件。對于需要進行更換作業的承載式車身前縱梁而言，依據其損傷程度不同，可采用截梁局部更換、主體局部更換、整體更換等更換工藝[8]。

3.2.1 截梁局部更換

承載式車身遭遇正面撞擊后，如果車身最前端局部嚴重折曲、折褶甚至撕裂，而中間和后部沒有變形、移位，或者前縱梁組件主體沒有太大的變形，再或中后部的變形、移位很容易通過對該縱梁的測量、拉伸，從而校正到位。這時，往往只需要對縱梁的損傷部位運用氣動、手動割鋸或等離子切割器進行局部切割分離。在進行局部切割更換時，焊接縫位一定要插入連接件，一般連接件厚度應與縱梁主體相同，寬度在30-60mm之間。這里說明一點，使用的拆車件要求是基本沒有損傷存在的，切割分離必須符合前面提到的要求，當然，這些操作的前提是必須征得車主的同意。

3.2.2 前縱梁主體局部更換

汽車受到正面撞擊后，一般會造成局部瞬間受力嚴重，前端變形、折曲嚴重而無法修復，后部由于吸能區的作用，幾乎沒有變形或只有少許移位，同時，損傷縱梁經過粗放拉伸，已經回位，所有控制點的三維參數已符合原設計標準，這時可以考慮只更換前部縱梁主體，對于縱梁后根位加強件、連接件則使用氣動或電動鉆進行鉆削剔除。然后，用鈑金錘加工整理前縱梁與車身連接部位構件的形狀，使其充分吻合，再使用大力鉗并借助千斤頂，對新縱梁組件進行固定。測量其它控制點的三維數據，調整合格后進行焊接。在上述過程中，比對測量無誤后，碼焊到位。試裝副車架，并試裝外觀覆蓋件。最后，對鉆削孔用惰性氣體保護焊全部焊接。這種操作對焊接點位的整形和加工要求都比較高，各控制點三維數據的誤差一般控制在±2mm之內，以提高修復質量。

3.2.3 前縱梁整體更換

當承載式車身前縱梁發生折曲變形、彎曲嚴重甚至破裂時，常采取整體更換的方法對事故車進行修復。首先，對損傷板件運用氣動、電動孔鉆、孔鋸進行分離，再使用等離子切割器對角落部位進行瞬間分割，最后，將新更換的縱梁通過惰性氣體保護焊或CO2氣體保護焊等焊接方式焊到車身上[9]。這樣做的優點有四方面：一、保證了前縱梁整體更換的完整性；二、由于所有的分離、切割與焊接點的位置相對較為隱蔽，焊接后的外觀效果十分顯著；三、更換后，前縱梁的功能沒有受到任何損失；四、由于乘客室底板前后縱向加強件在縱梁主體根部和地板加強件上存在有一個定位孔，使前縱梁的安裝定位十分地方便快捷。

4、結論

對于承載式車身而言，前縱梁是汽車車身的重要構件，在發生正面碰撞事故時，擔負主要的吸能作用。前縱梁的修復工藝十分復雜，需要維修人員綜合運用多方面的知識，例如車身的結構和特點、汽車正面碰撞理論、金屬材料的力學性能、合理的維修方案、修復設備的規范操作等，只有這樣，才能在汽車碰撞修復作業中，采用正確的工藝方法，讓車身不但恢復外觀的基本形狀和尺寸，而且能最大限度地保證它的強度和耐久性，進而提高汽車維修后的安全性能。

[1]張湘衡.車身碰撞后的校正[J].汽車維修與保養,2009(7):69-72.

[2]張建,柳東威,張子鵬.基于有限元分析的乘用車前縱梁安全設計[J].汽車實用技術,2012(4):41-45.

[3]蘇國棟,董小瑞.汽車前縱梁碰撞性能影響因素的仿真研究[J].汽車實用技術,2014(4):52-56.

[4]朱莎.轎車正面碰撞的前縱梁仿真研究[D].武漢:武漢理工大學,2011:2-3.

[5]趙躍平,張湘衡.從車身結構談汽車安全(二)[J].汽車維護與修理,2012(11):86-90.

[6]郭有瑞.事故受損車前縱梁彎曲的校正修復[J].汽車維修,2013(11):12-13.

[7]王瑩.飯金技術在事故車維修中的應用[J].現代企業教育,2014(12):490-491.

[8]顧平林,嵇尚珠.承載式車身前縱梁的更換工藝[J].汽車維護與修理,2010(7):83-84.

[9]劉亮.轎車車身吸能區的修理[J].汽車維護與修理,2010(7):82-83.

4、實施及效果

以上改進方案均得以順利實施，目前放置冷鐵安全可靠，現場環境顯著改善。

5、結束語

在PLC程序中增設定時器，是解決放置冷鐵安全隱患以及改善Z8025冷芯盒射芯機作業環境的主要方法，另外，普遍的觀點認為，Z8025冷芯盒射芯機吹氣過程的兩個階段低壓吹氣芯子硬化，高壓吹氣階段凈化芯子，現場不可能有大量三乙胺余氣，但是不管高壓吹氣還是低壓吹氣，均吹入的是100℃的三乙胺與壓縮空氣的混合物，這樣最終芯盒中和吹氣罩中不可避免有殘余的三乙胺余氣。因此，讓上下芯盒合模尾氣管抽氣保持5秒再分開是改善作業環境的關鍵。

參考文獻

[1]《LHS2010樹脂混砂系統使用說明書》，濟南優茵科信鑄造機械工程有限公司.

[2]《LHS2010樹脂混砂系統PLC程序》，濟南優茵科信鑄造機械工程有限公司.

[3]《西門子300指令（1）》，Foxit reader 3.0.

Study on Repair of Front Longitudinal Beam of Frameless Body Based on Frontal Crash

Bai Hai1, Huang Zhencai2, Meng Liqing1
(1.School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224; 2. Department of Automotive Engineering, Liuzhou Vocational and Technical College, Guangxi Liuzhou 545006)

Front longitudinal beam which is an important component of the frameless body plays a major in vehicle frontal collision energy absorbing effect. Damagerepair maintenance of front longitudinal beam collision is very important process in accident vehicle repair. So maintenance people need to master knowledge in all aspects. Body repair people should ensure not only the basic shape and size of vehicle repair can restore the appearance, but also maximize the safety characteristics of the original body and the anti-impact performance.

frameless body; frontal collisions; body repair; front longitudinal beam

U472.41

A

1671-7988(2015)04-122-04

白海，碩士研究生，助教，就讀于西南林業大學機械與交通學院，主要從事載運工具運用及車身修復研究。