重卡前下防護橫梁輕量化設計

申強，楊麗，習呂鵬，張磊

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重卡前下防護橫梁輕量化設計

申強，楊麗，習呂鵬，張磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章對GB 26511-2011《商用車前下部防護要求》進行了簡析，針對重卡前下防護橫梁偏重的情況，通過材料和結構優化、采用先進生產工藝，提出了一種前下防護橫梁的輕量化方案，實現降重22.1kg。通過CAE軟件對其強度進行了理論分析，并采用臺架試驗對其強度進行了驗證，均符合法規要求。

前下部防護；前下防護橫梁；輕量化；CAE分析；臺架試驗

引言

近年來，隨著汽車工業的快速發展，汽車普及率大幅提高，交通事故也隨之增多。在商用車與乘用車混合行駛的情況下，由于兩者之間的高度差異，容易發生乘用車鉆入商用車前下部的惡性事故[1]。為了提高汽車的碰撞安全性，國際市場機動車方面先后制定和升級了相應的法規，越來越多的國家對商用車前下部防護裝置的碰撞性能提出了明確的要求。歐洲1994年實施了ECE-R93商用車前下部防護的法規，中國借鑒ECE-R93制訂了GB 26511-2011《商用車前下部防護要求》，該標準2012年1月1日實施，新設計車型2013年1月1日起實施，在生產車型2015年1月1日起實施[2]。因此，國內目前各商用車企業生產的N2、N3類載貨車須安裝符合GB 26511-2011《商用車前下部防護要求》強制要求的前下部防護裝置。

為了應對該法規嚴苛的強度要求，由于缺少經驗，各商用車企業推出的滿足法規要求的前下部防護裝置普遍偏重，不利于整車輕量化。本文通過對重卡前下防護橫梁進行材料和結構優化，采用CAE軟件對其強度進行理論分析，并通過臺架試驗對其強度進行驗證，提出了一種滿足法規要求的輕量化前下部防護裝置。

1 商用車前下部防護裝置介紹及法規簡析

1.1 商用車前下部防護裝置介紹

商用車前下部防護裝置是一個獨立的總成，安裝在車輛前端下部，其作用是防止商用車與乘用車發生碰撞時，乘用車鉆入商用車的前下部造成駕乘人員傷亡。商用車前下部防護裝置主要由前下防護橫梁和安裝支架兩部分組成，安裝支架下端采用焊接或螺栓連接與橫梁連接，上端通過螺栓與車架前托架相連。前下部防護裝置結構如圖1所示。

圖1 前下部防護裝置結構示意圖

1.2 商用車前下部防護裝置法規要求

1.2.1 結構尺寸要求

（1）對N2類車輛，橫梁的截面高度不小于100mm；對N3類車輛，橫梁的截面高度不小于120mm。

（2）橫梁兩端不應有彎向前方且或有尖銳的外側邊緣，端部圓角半徑不小于2.5mm。

（3）橫梁外表面應為光滑面，螺釘或鉚釘的頭部凸出該表面的高度不大于10mm。

（4）前下部防護裝置的最大寬度不超過兩側前輪翼子板的外側寬度，任意一端的最外緣與同側前輪輪胎最外邊端面的橫向水平距離不大于100mm，其端部與駕駛室踏步板最外側的橫向水平距離不大于200mm。

（5）前下部防護裝置下邊緣離地間隔不超過400mm。

1.2.2 構件強度要求

法規對前下部防護裝置強度要求具體體現在加載點的變形上。GB 26511-2011《商用車前下部防護要求》要求在P1、P2、P3三點處分別施加規定的靜荷載，P1、P3點為車輛最大總質量50%的水平荷載，但不大于80kN；P2點為車輛最大總質量100%的水平荷載，但不大于160kN。試驗時對P1、P2、P3點順次加載，盡可能快地施加作用力，施載時間不少于0.2s，試驗過程允許使用不同的樣品進行加載試驗。若試驗裝置在兩P2點間斷裂或凹入橫切面內，則對P3點進行加載測試。

圖2 3個碰撞測試點位置示意圖

圖3 試驗結果要求簡圖

3個碰撞測試點的位置如圖2所示。P1、P2、P3三點位于前下部防護裝置橫梁的外表面上，且在同一水平面內，離地高度不超過445mm。P1點位于距離前軸輪胎外側相貼的縱向平面200mm處；P2點對稱于車輛縱向平面兩側，相互之間距離為（700～1200）mm，P3點位于車輛的縱向中心平面上。試驗后各施力點處測得的水平位移不得超過400mm，且兩個P1點間的下邊緣離地高度不超過450mm。試驗結果要求如圖3所示。

2 傳統前下防護橫梁

重卡同一平臺的車型較多，前下部防護裝置設計時應盡量模塊化，在不同車型上通用，以降低開發和生產成本。因此，前下部防護裝置設計時，剛度參數統一設定為P1、P3點80kN，P2點160kN，以滿足全系列車型的使用。

傳統重卡前下部防護裝置結構如圖4所示。為了保證橫梁剛度，通常采用在橫梁背面加焊槽型加強板的形式，橫梁總成通過安裝支架與車架連接。該裝置各部分設計尺寸與強度均滿足法規要求，但較笨重，總成重約60kg～70kg，不利于整車輕量化。

圖4 傳統前下部防護結構圖

3 輕量化方案

由于重卡前部需要安裝發動機、散熱器、保險杠支架、第一踏板支架、前照燈支架等部件，可布置前下部防護裝置的空間相對狹小，對前下部防護裝置輕量化時，在連接支架剛度滿足要求時，連接支架保持不變，即不改變總布置，僅對橫梁進行輕量化設計。

3.1 材料及結構優化

橫梁和橫梁加強板材質分別由原Q235、650L改為高強鋼750L，抗拉強度提升至750MPa，橫梁材料厚度由4mm減薄為2.5mm，橫梁加強板材料厚度由6mm減薄為3mm。

圖5 優化前后橫梁截面結構圖

橫梁結構由傳統的“矩形”截面改為“日”字形截面，優化前后截面結構如圖5所示。橫梁加強板由原槽形結構改為分段式“L”形結構，焊接在橫梁兩端，對P1、P2點的剛度進行補強。優化后橫梁總成結構如圖6所示。

按該方案優化后，前下防護橫梁總成可降重22.1kg，優化前后各部分材料組成及重量見表1。

圖6 優化后橫梁總成結構圖

表1 橫梁總成優化前后各部分材料組成及重量

3.2 生產工藝

橫梁生產工藝為：落料—輥壓—激光焊接-折彎。目前，大部分汽車企業均具備輥壓成型設備能力，且經過不斷地使用和改進，該生產工藝已非常成熟，采用輥壓成形能夠有效控制回彈，且材料利用率、生產效率高，所生產的零件具有外觀質量好、尺寸精度高等優點。采用激光焊接可以減少搭接邊寬度，焊接速度快，且焊接變形小，有效減少材料成本和零件重量，提高生產效率。

4 強度分析與驗證

4.1 CAE分析

采用CAE軟件對前下防護橫梁進行理論強度分析。結構剛度方面，P1點主要考慮橫梁的抗彎強度，P2點主要考慮支架的抗彎強度[2]。因支架未做改動，僅需驗證P1點的強度。

圖7 P1點加載接觸力曲線

圖8 P1點加載X向位移圖

設定車架前托架為剛體，對車架前托架全約束，采用寬400mm，高250mm的平面壓頭對P1點施加80kN的力，加載面與橫梁進行面面接觸。P1點加載總時間為0.3s，其中前0.1s加載力從0增加到80kN，后0.2s加載力保持80kN。分析結果如圖7、圖8所示。

P1點加載后，X向最大位移為61.3mm，遠小于法規要求的400mm，該下防護裝置CAE分析結果滿足法規要求。

4.2 臺架試驗分析

為進一步驗證該前下部防護裝置的強度，按照GB 26511-2011《商用車前下部防護要求》的規定，在剛性試驗臺架上進行實物樣件P1點強度驗證試驗。試驗裝置如圖9所示，加載力曲線見圖10。加載至49s時，加載力達到88.7kN，卸載后測得的最大位移為103mm，小于法規要求的400mm，臺架試驗結果滿足法規強制性要求。因此，該輕量化前下部防護裝置的強度符合法規要求。

圖9 加載試驗裝置

圖10 P1點加載力曲線

5 結論

（1）通過對現有重卡前下防護橫梁進行材料和結構優化、采用先進生產工藝，完成前下部防護裝置的輕量化設計，實現降重22.1kg。

（2）采用CAE軟件對其理論強度進行分析，并通過臺架試驗對其強度進行驗證，該輕量化橫梁滿足GB 26511-2011《商用車前下部防護要求》國家強制標準要求。

[1] 劉麗亞,蘇玉萍,郭立群,等.商用車前下部防護法規和國外典型設計案例分析[J].汽車技術.2008（7）.

[2] 唐波.《商用車前下部防護》的法規解讀和設計難點[J].汽車與配件.2012（13）.

The Lightweight Design About The Front Under Protective Devices(FUPDs) beam Of Heavy duty truck

Shen Qiang, Yang Li, Xi Lvpeng, Zhang Lei

( Shaanxi Heavy duty truck Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

The article simply introduces the standard of GB 26511-2011,For the situation of FUPD beams that are heavy weight, Through the optimization of materials and structures,and the adoption of advanced production technology, a lightweight solution for front lower protection beam is proposed, achieving a weight reduction of 22.1kg. Using CAE software to analyze its strength, and using bench test to test its strength, Both are in compliance with regulatory requirements.

FUPDs; FUPD beams; Light weight; CAE Analysis; Bench test

A

1671-7988(2018)18-163-03

U462.1

A

1671-7988(2018)18-163-03

CLC NO.: U462.1

申強，男，（1982-），本科，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。主要從事汽車工藝研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.055