前防撞梁平臺化結構設計

劉文晶 程志雄 張朝輝 邱永建 闖超（吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

通常所說的前防撞梁是指為了保護汽車在碰撞中少受或者不受破壞而設置的梁結構，它包括前端的橫梁和左右的吸能盒，其重要的設計理念是前橫梁一點受力后，將所受力快速傳遞到車身兩側縱梁[1]。而隨著汽車市場安全要求的不斷提高及工藝技術的不斷成熟，安全碰撞對前防撞梁的要求也越來越高。雖然各種截面、各種技術的前防撞梁層出不窮，但是抗彎性能仍是考核前防撞梁性能的關鍵指標。文章通過對抗彎性能、輕量化、成本及成形性等各方面的綜合考慮和對比分析，確定了前防撞梁平臺化的截面結構。

1 設計要點

前橫梁的第1個作用是在低速碰撞下，通過其本身高強度的結構，將能量分散給吸能盒，以減輕低速碰撞時汽車的損壞程度，進而降低維修成本[2]。另外一個作用是在高速碰撞中將碰撞能量均勻傳遞給左右縱梁等主要承受部件。

在正面碰撞中，前橫梁將碰撞能量均勻地傳遞給左右前縱梁以及左右A柱，并通過縱梁和A柱將撞擊力分散到車身的后部結構中，此種情況下，前橫梁對于乘員基本起不到保護作用，承擔吸能及抵御變形的主要是前縱梁、底梁和A柱等其他結構；但是在遭受部分重疊的正面碰撞，比如偏置碰撞時，前防撞梁可以將撞擊側受到的沖擊傳遞到非撞擊側的前縱梁上，減少單邊所承受的撞擊力，為碰撞能量的分散與吸收提供了一條傳遞路徑，這時候防撞梁才能真正起到作用。

防撞梁強度太弱，會導致防撞梁內凹，發動機嚴重受損，而和防撞梁相連接的吸能盒卻安然無恙，防撞梁失去應有的作用。

綜上可知，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，而影響其強度的有材料、結構和尺寸3個方面。

汽車防撞梁現在主要采用高強度鋼材、玻璃纖維及鋁合金等輕金屬合金3種材料。

2 平臺化設計分析

傳統的前橫梁是由冷軋鋼板經過冷沖壓成形，然后各零部件點焊連續成型。隨著汽車輕量化的發展、安全性能的提升、先進材料的開發以及工藝技術的成熟，傳統的冷沖壓焊接前橫梁逐漸被采用高強度鋼板輥壓成型的前橫梁、熱成型前橫梁和鋁制前橫梁取代。圖1示出各種工藝及其典型斷面的前橫梁。

圖1 各種工藝及其典型前橫梁截面形狀示意圖

在抗彎性能相當的情況下，不同工藝截面的前橫梁質量及厚度的對比結果，如圖2所示。

圖2 不同工藝截面的前橫梁質量及厚度對比

從圖2中可以看出，在抗彎性能相當的情況下，輥壓成型前橫梁的料厚最薄，熱成型前橫梁的質量最輕，而傳統的冷沖壓前橫梁質量最重。在等質量的情況下，不同工藝截面的前橫梁抗彎性能對比結果，如圖3所示。

圖3 等質量不同工藝截面的前橫梁抗彎性能對比

從圖3中可以看出，在等質量的情況下，熱成型前橫梁的抗彎性能最好，而傳統冷沖壓前橫梁抗彎性能最差。在等料厚的情況下，不同工藝的前橫梁的抗彎能力對比結果，如圖4所示。

圖4 等料厚不同工藝截面的前橫梁抗彎性能對比

從圖4可以看出，在等料厚的情況下，輥壓成型的前橫梁抗彎性能較好。現對各種工藝及其典型斷面的前橫梁進行試驗，得出的抗彎性能曲線，如圖5所示。

圖5 不同工藝及其典型截面前橫梁抗彎性能曲線

從圖5可以得出：在等料厚的情況下，輥壓前橫梁的抗彎性能較好，且隨著變形量的推移，同等抗彎強度的輥壓前橫梁較熱成型前橫梁衰減小。

綜上所述，從抗彎性能和輕量化方面考慮，熱成型前橫梁是最佳的選擇方案，但是對于中低端車型來說，熱成型前橫梁的成本太高，需要根據前橫梁結構造型重新開發模具；相對來說，輥壓前橫梁只需要根據造型調整弧度，截面可以沿用（成本低）且性能也滿足要求；而鋁合金擠壓前橫梁工藝技術成熟度不夠，綜合性能也不如輥壓前橫梁。所以綜合考慮各方面信息，建議中低端車型選擇輥壓前橫梁作為平臺化發展方向。

3 結構設計

輥壓前橫梁的截面尺寸及形狀繁多，常用B型和C型截面，這2種截面還有許多延伸截面，如圖6所示。

圖6 輥壓前橫梁B型及C型典型截面形狀示意圖

針對以上8種輥壓前橫梁典型截面，采用相同材料及相同厚度的前橫梁進行抗彎性能試驗，抗彎性能對比，如圖7所示。

圖7 不同截面輥壓前橫梁抗彎性能對比

根據不同截面的抗彎性能，截面2和截面7的抗彎性能最好，但由于截面7的前橫梁Z向有效高度不足，滿足不了碰撞安全要求。若增加截面7前橫梁Z向有效高度以滿足碰撞安全要求，則對空間布置是一個很大的挑戰，且較難滿足布置要求。綜合對比不同截面前橫梁的有效高度及抗彎性能，分析得出截面2和截面5的抗彎性能最好，故選擇截面2和截面5作為平臺化推廣優選方案。

4 結論

在抗彎性能相當的情況下，輥壓成型前橫梁的料厚最薄，熱成型前橫梁的質量最輕，而傳統的冷沖壓前橫梁質量最重；在等質量的情況下，輥壓成型前橫梁的料厚最薄，熱成型前橫梁的抗彎性能最好，而傳統冷沖壓前橫梁抗彎性能最差；在等料厚的情況下，輥壓前橫梁的抗彎性能隨時間的推移衰減最小；在相同輥壓工藝的情況下，相同材料及相同厚度的前橫梁，B型截面2和C型截面5的抗彎性能最好。

文章的研究對前橫梁平臺化以及輥壓前橫梁的截面選擇具有指導意義。