淺談汽車鋁合金防撞梁設(shè)計(jì)應(yīng)用

宋小寧+錢鈞+王耘+吳向東+馬建峰

摘 要：隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展，國家法律法規(guī)的不斷完善，汽車輕量化已成為汽車發(fā)展的主要方向，也是降低汽車排放、降低油耗的有效措施。防撞梁作為汽車前、后保護(hù)裝置的重要組成部分，在車輛發(fā)生低速碰撞時(shí)能有效吸收碰撞能量，保護(hù)車輛，降低維修成本。傳統(tǒng)防撞梁多采用高強(qiáng)板沖焊而成，重量較重。文章主要研究一款鋁合金前防撞梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對比分析其性能優(yōu)于高強(qiáng)板件，滿足整車低速碰撞等性能要求，且有效降低了產(chǎn)品重量，實(shí)現(xiàn)輕量化。

關(guān)鍵詞：防撞梁；前后端保護(hù)裝置；低速碰撞；鋁合金；輕量化

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0131-02

引言

防撞梁是汽車前、后端保護(hù)裝置的重要組成部分，在車輛發(fā)生低速碰撞時(shí)，防撞梁部分可以將碰撞能量及時(shí)傳遞至左右吸能盒等吸能部件，充分吸收碰撞能量，降低車輛低速碰撞受損程度，起到保護(hù)車輛前后端車燈、鎖體、冷卻系統(tǒng)等主要部件的作用。

傳統(tǒng)防撞梁多采用高強(qiáng)板沖焊而成，工序復(fù)雜，重量較重。而鋁合金密度僅為鋼材的1/3，用鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料，可有效實(shí)現(xiàn)約40%減重率，實(shí)現(xiàn)車身系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。本文以一款鋁制前防撞梁為例，重點(diǎn)介紹了鋁制防撞梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施，通過與傳統(tǒng)鋼制防撞梁的對比分析，得出鋁制防撞梁在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)能滿足整車低速碰撞的性能要求。

1 鋁合金防撞梁介紹

1.1 鋁合金防撞梁主要構(gòu)成

車輛的前后保護(hù)裝置主要包括保險(xiǎn)杠總成、防撞梁總成、吸能墊。防撞梁總成為主要的吸能部件，鋁合金防撞梁總成基本構(gòu)成與傳統(tǒng)件相同，主要包括防撞橫梁、左右吸能盒、左右安裝基板、拖鉤套筒及支架類。各部件間主要通常是通過焊接、螺栓固定兩大工藝進(jìn)行連接（圖1）。其中防撞橫梁、吸能盒為主要的吸能部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

1.2 鋁合金防撞梁工藝

鋁合金防撞橫梁主要是將擠壓型材經(jīng)過鋸切、彎曲、銑削等工序加工成型后，再進(jìn)行熱處理，最后焊接或螺栓連接而成。有些產(chǎn)品還會(huì)根據(jù)外觀需要對其進(jìn)行表面陽極氧化、噴涂等處理，以滿足耐磨性和光潔度等要求。鋁合金防撞梁總成具體工藝過程如下：

型材坯料——鋸切——彎曲成型——沖孔修邊——焊接——清洗——時(shí)效處理——鉆洗切削——焊接/裝配——成品檢驗(yàn)。

2 一款鋁合金防撞梁的設(shè)計(jì)

以江淮汽車某輕量化項(xiàng)目為例，以成熟的鋼制件性能為目標(biāo)，通過對比分析，重點(diǎn)介紹了鋁合金防撞梁設(shè)計(jì)過程及CAE分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。該車型為一款7座MPV，現(xiàn)有前防撞梁總成為傳統(tǒng)鋼制件，防撞橫梁料厚為1.5mm，斷面結(jié)構(gòu)形式為“C”，重量為5.5kg。鋁合金輕量化防撞梁是基于安裝方式不變的前提下進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

2.1 鋁合金防撞梁外輪廓尺寸設(shè)計(jì)

按照GB 17354汽車前后端保護(hù)裝置法規(guī)要求，碰撞基準(zhǔn)高度為445mm，在此高度上，車輛無論處于整車整備質(zhì)量狀態(tài)時(shí)或是處于加載試驗(yàn)車質(zhì)量狀態(tài)時(shí)均具有有效的保護(hù)裝置。所以在鋁合金防撞梁設(shè)計(jì)中首先根據(jù)該MPV車型整備質(zhì)量姿態(tài)、加載姿態(tài)的地面線確認(rèn)防撞梁在整車的布置位置。同時(shí)以滿足該車型前保險(xiǎn)杠造型為前提，通過布置分析，為了確保在實(shí)際碰撞中防撞梁能有效吸能，最終確定了防撞橫梁Z向輪廓尺寸100mm，X向輪廓尺寸為40mm，Y向輪廓尺寸為1080mm。

2.2 鋁合金防撞梁主斷面設(shè)計(jì)

整車碰撞過程中，防撞橫梁主要將碰撞能量傳遞到吸能盒上，所以對橫梁強(qiáng)度要求比較高。通常鋁合金防撞橫梁斷面多為多腔形，以“日”字形、“田”字形居多。基本料厚多為2.5mm。材料多采用6系或7系的合金擠壓型材，例如6082、6351、7A53等系列。吸能盒主要通過自身的壓潰變形將碰撞中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，且抗載能力需低于前縱梁，故要選用具備較好吸能性的材料，例如常用的6063、 6060，典型斷面為“口”字形、“日”字形、六邊形等。基本料厚2.2mm至3.0mm。基板和拖鉤套要求具有較高的承載能力，多采用6063、6082、6060等材料，基本料厚約4mm至5mm。

在該MPV車型鋁合金防撞梁設(shè)計(jì)中，首先以鋼制橫梁最大承載力9.2kN為目標(biāo)值，通過不斷優(yōu)化截面、料厚，通過與鋼制件對比分析，最終設(shè)計(jì)鋁合金防撞橫梁截面為“日”字型，左右吸能盒截面為“口”字形。各零部件材料、料厚清單如表1。通過理論計(jì)算，鋁合金相對鋼制防撞梁減重2.22kg，減重率達(dá)40.4%。

2.3 鋁合金防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

確定了防撞橫梁、左右吸能盒截面，主要結(jié)合前保險(xiǎn)杠型面及縱梁面前后空間來設(shè)計(jì)前防撞橫梁弧度、吸能盒長度，最終完成鋁合金防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該MPV車型防撞橫梁弧度約達(dá)R2000。同時(shí)為了滿足基本成型工藝要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）為了滿足擠壓鋁合金成型工藝，防撞橫梁、左右吸能盒的最小圓角均設(shè)計(jì)為R3，方便成型。（2）為了滿足橫梁與吸能盒焊接工藝要求，焊接邊寬度設(shè)計(jì)≥8mm。（3）為了滿足焊接時(shí)焊接槍頭部操作空間，焊槍頭周邊安全間隙≥8mm。（4）該車型的鋁合金前防撞梁因需要布置整車拖鉤套筒，在“日”字型防撞梁橫梁設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合整車拖鉤布置高度進(jìn)行相應(yīng)避讓。（5）為了確保與鋼制防撞梁裝配通用性，鋁合金防撞梁仍采用8個(gè)螺栓與前縱梁固定，螺栓表面的鋅鋁涂層處理會(huì)生成氧化膜，具備自修復(fù)功能，且鋁合金防撞梁與金屬縱梁板之間通過塑料前端模塊相隔，避免因電位差導(dǎo)致腐蝕，具備良好的耐腐蝕性。

2.4 鋁合金防撞梁焊接工藝

鋁合金焊接形式主要有MIG焊接、TIG焊接、冷敷金屬焊接CMT等，該MPV車型鋁合金前防撞梁總成主要采用脈沖MIG焊接，其優(yōu)點(diǎn)在于可控制脈沖式送絲，可實(shí)現(xiàn)無焊渣無飛濺焊接；數(shù)字式焊接系統(tǒng)，焊接溫度冷熱交替，大大降低焊接熱的產(chǎn)生，減少被焊接件的熱變形；可設(shè)置熔滴的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更好的焊縫厚度過渡。設(shè)計(jì)中主要結(jié)合產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)，綜合考慮產(chǎn)品總成焊接方便性制定焊接工序，具體如下：

拖鉤套筒與防撞橫梁焊接——左吸能盒與防撞橫梁焊接——右吸能盒與防撞橫梁焊接——左安裝板與防撞橫梁焊接——右安裝板與防撞橫梁焊接。

2.5 鋁合金前防撞梁CAE分析

完成了鋁合金前防撞梁空間布置分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，借助于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算進(jìn)行相關(guān)分析。經(jīng)過分析，鋁合金前防撞梁拖鉤強(qiáng)度滿足GB32087-2015《輕型汽車牽引裝置》中10種工況，殘余位移均小于1mm，塑性應(yīng)變小于1%。因其封閉多腔的結(jié)構(gòu)特征，拖鉤強(qiáng)度性能相對傳統(tǒng)鋼制件更優(yōu)。同時(shí)也滿足GB 17354《汽車前后端保護(hù)裝置》法規(guī)要求，具體分析結(jié)果見表2。

2.6 鋁合金前防撞梁實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該MPV車型鋁合金前防撞梁焊接強(qiáng)度、拖鉤強(qiáng)度、碰撞性能、耐腐蝕性能等均滿足整車性能要求。

3 結(jié)束語

本文主要論述了一款MPV車型鋁合金前防撞梁的設(shè)計(jì)應(yīng)用。鋁合金前防撞梁技術(shù)就是通過鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制件，通過截面、料厚等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足產(chǎn)品綜合性能的前提下有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)，減重率達(dá)30%～40%。且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該鋁合金前防撞梁滿足整車性能要求，為后續(xù)車型輕量化開發(fā)提供一定參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮源，李晉.汽車前保險(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2012（4）.

[2]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 17354-1998.汽車前、后端保護(hù)裝置[M]北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[3]洪亮，葛如海，宮燃，等.汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞安全性能優(yōu)化[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（6）.

[4]王剛，劉孝峰.以輕量化為目標(biāo)的汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（01）：158.endprint