淺談汽車鋁合金防撞梁設計應用

宋小寧+錢鈞+王耘+吳向東+馬建峰

摘 要：隨著汽車工業不斷發展，國家法律法規的不斷完善，汽車輕量化已成為汽車發展的主要方向，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、后保護裝置的重要組成部分，在車輛發生低速碰撞時能有效吸收碰撞能量，保護車輛，降低維修成本。傳統防撞梁多采用高強板沖焊而成，重量較重。文章主要研究一款鋁合金前防撞梁的結構設計，通過對比分析其性能優于高強板件，滿足整車低速碰撞等性能要求，且有效降低了產品重量，實現輕量化。

關鍵詞：防撞梁；前后端保護裝置；低速碰撞；鋁合金；輕量化

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

引言

防撞梁是汽車前、后端保護裝置的重要組成部分，在車輛發生低速碰撞時，防撞梁部分可以將碰撞能量及時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，起到保護車輛前后端車燈、鎖體、冷卻系統等主要部件的作用。

傳統防撞梁多采用高強板沖焊而成，工序復雜，重量較重。而鋁合金密度僅為鋼材的1/3，用鋁合金材料代替傳統的鋼制材料，可有效實現約40%減重率，實現車身系統的輕量化設計。本文以一款鋁制前防撞梁為例，重點介紹了鋁制防撞梁的結構設計及優化措施，通過與傳統鋼制防撞梁的對比分析，得出鋁制防撞梁在實現輕量化的同時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成

車輛的前后保護裝置主要包括保險杠總成、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成與傳統件相同，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行連接（圖1）。其中防撞橫梁、吸能盒為主要的吸能部件，其結構設計尤為重要。

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過鋸切、彎曲、銑削等工序加工成型后，再進行熱處理，最后焊接或螺栓連接而成。有些產品還會根據外觀需要對其進行表面陽極氧化、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——時效處理——鉆洗切削——焊接/裝配——成品檢驗。

2 一款鋁合金防撞梁的設計

以江淮汽車某輕量化項目為例，以成熟的鋼制件性能為目標，通過對比分析，重點介紹了鋁合金防撞梁設計過程及CAE分析、實驗驗證等。該車型為一款7座MPV，現有前防撞梁總成為傳統鋼制件，防撞橫梁料厚為1.5mm，斷面結構形式為“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行相關設計。

2.1 鋁合金防撞梁外輪廓尺寸設計

按照GB 17354汽車前后端保護裝置法規要求，碰撞基準高度為445mm，在此高度上，車輛無論處于整車整備質量狀態時或是處于加載試驗車質量狀態時均具有有效的保護裝置。所以在鋁合金防撞梁設計中首先根據該MPV車型整備質量姿態、加載姿態的地面線確認防撞梁在整車的布置位置。同時以滿足該車型前保險杠造型為前提，通過布置分析，為了確保在實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計

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生的能量轉換成內能，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計中，首先以鋼制橫梁最大承載力9.2kN為目標值，通過不斷優化截面、料厚，通過與鋼制件對比分析，最終設計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。通過理論計算，鋁合金相對鋼制防撞梁減重2.22kg，減重率達40.4%。

2.3 鋁合金防撞梁結構設計

確定了防撞橫梁、左右吸能盒截面，主要結合前保險杠型面及縱梁面前后空間來設計前防撞橫梁弧度、吸能盒長度，最終完成鋁合金防撞梁結構設計。該MPV車型防撞橫梁弧度約達R2000。同時為了滿足基本成型工藝要求，結構設計中主要設計要點如下：（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計為R3，方便成型。（2）為了滿足橫梁與吸能盒焊接工藝要求，焊接邊寬度設計≥8mm。（3）為了滿足焊接時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”字型防撞梁橫梁設計時要結合整車拖鉤布置高度進行相應避讓。（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個螺栓與前縱梁固定，螺栓表面的鋅鋁涂層處理會生成氧化膜，具備自修復功能，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，其優點在于可控制脈沖式送絲，可實現無焊渣無飛濺焊接；數字式焊接系統，焊接溫度冷熱交替，大大降低焊接熱的產生，減少被焊接件的熱變形；可設置熔滴的參數，實現更好的焊縫厚度過渡。設計中主要結合產品本身結構，綜合考慮產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構設計后，借助于計算機輔助計算進行相關分析。經過分析，鋁合金前防撞梁拖鉤強度滿足GB32087-2015《輕型汽車牽引裝置》中10種工況，殘余位移均小于1mm，塑性應變小于1%。因其封閉多腔的結構特征，拖鉤強度性能相對傳統鋼制件更優。同時也滿足GB 17354《汽車前后端保護裝置》法規要求，具體分析結果見表2。

2.6 鋁合金前防撞梁實驗驗證

通過實驗驗證，該MPV車型鋁合金前防撞梁焊接強度、拖鉤強度、碰撞性能、耐腐蝕性能等均滿足整車性能要求。

3 結束語

本文主要論述了一款MPV車型鋁合金前防撞梁的設計應用。鋁合金前防撞梁技術就是通過鋁合金材料代替傳統的鋼制件，通過截面、料厚等結構優化設計，在滿足產品綜合性能的前提下有效實現產品輕量化設計，減重率達30%～40%。且通過實驗驗證，該鋁合金前防撞梁滿足整車性能要求，為后續車型輕量化開發提供一定參考。

參考文獻：

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