汽车前防撞横梁总成设计指引

汽车前防撞横梁总成设计指南汽车前防撞横梁总成设计指南设计指南设计指南 编号：编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：(00)页次：-1 -前防撞横梁总成设计指南前防撞横梁总成设计指南编制：编制：审核：审核：部门批准：部门批准：技术委员会批准：技术委员会批准：汽车工程研究院汽车工程研究院车身部车身部设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：(00)页次：-目目 录录 第一章概述1 1.1该指南的主要目的1 1.2该 指南的主要内容1第二章法规对比分析1 2.1低速碰撞法规 要求1 2.1.1政府法规试验规范简介1 2.1.2保险协会试验规范简介.4 2.2高速碰撞法规要求 5第三章前防撞横梁的布置 设计6 3.1前防撞横梁离地高度布置要求.6 3.2前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离.9 3.3前防撞横梁长度要求.12第四章前防撞横梁结构设计13 4.1前防撞横梁的安装方式.13 4.2前防撞横梁的工艺分类.14 4.3前防撞横 梁的截面型式.16 4.4前防撞横梁的轨迹曲线.19 4.5吸能盒 结构设计.20 4.5.1常见吸能盒结构.20 4.5.2特殊吸能盒结 构.22 4.6拖车钩结构设计.23第五章前防撞横梁的材料定 义及减重24 5.1前防撞横梁材料选用.24 5.2前防撞横梁减 重设计.25第六章前防撞横梁的CAE模拟分析26 6.1典型截面的 CAE对比分析 26 6.2前防撞横梁总成碰撞CAE模拟分析27第七章前防撞横梁的设计趋势30 7.1高强度材料运用.30 7.2保护系统装配集成、前端模块轻量化.30设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-0 -第一章第一章 概述概述 保险杠系统由保险杠蒙皮、吸 能块、防撞横梁及小腿保护梁所组成。防撞横梁总成是保险杠系统的重要组成部分，也是车身 结构的重要组成部分，它在汽车低速碰撞中起着决定性作用，同时在高速碰撞中也起着吸能和力量传导的重要作用。1.11.1该指南的主要目的该指南的主要目的使大家对防撞横梁总成的设计有一个初步的思路，对需要满足的各种 条件有一个比较 全面的基本认识。该指南的撰写主要解决以下两个方面的问题：1）防撞横梁的设计需要满足哪些法规方面的要求；2）防撞横梁结构设计需要考虑到的因素，包括材料选用、横梁截面设计、成型 工艺选择、拖车钩结构设计、吸能盒结构设计等。1.21.2该指南的主要内容该指南的主要内容该指南围绕 防撞横梁设计”这个中心环节，内容主要从以下几个方面 展开：1）法规对比分析（低速碰撞、高速碰撞）；2）前期概念设计布置分析；3）防撞横梁、吸能盒、拖车钩等部件结构设计，并辅以 Benchmark资料供参考；4）对于设计中涉及到的零部件材料、重量、成本、以及 CAE模拟分析等 问题，也给 予相应的简要说明 5）最后对整个前防撞系统 及其前端模块的发展趋势作一个简单介绍。第二章第二章 法规对比分析法规对比分析2.12.1低速碰撞法规要求低速碰撞法规要求针对不同的市场，需要满足不同的技术法规要求，因此在目标市场确定以后，就应针 对相应的市场进行法规校核，前防撞横梁布置与造型息息相 关，在造型初期就应该关注布置空间，并对布置空间进行校核和提由要求。法规体系主要包括政府法规和保险协会评测两部分。学习法规重点关注其测试速度、碰撞器高度、碰撞器结构特点、测试内容、实验考察重点、实验车测试状态。2.1.12.1.1政府法规试验规范简介政府法规试验规范简 介 不同销售市场的法规代号见下表：销售市场法规标准号备注欧洲ECE R 42摆锤实验（一种摆锤）/滑车加拿大CMVSS 215最新修订版本测试速度与 ECE R42 一致 美国NHTSA Part 581摆锤实验（二种摆锤） +刚性壁障 中国GB 17354沿袭ECE R42的相关规定 以上 三种法规试验考察的内容基本相同：1）照明灯和信号灯装置应能持续正常工作并清晰可见；2）发动机盖、行李箱盖和车门能正常开闭，汽车的侧门应在碰撞的作用下不能开启；设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期： 版次：（00）页次：-1 - 3）供油和冷却系统应无泄漏，油路或水路不堵塞，其密封装置与油箱和水箱盖能正常工作；4)排气系统不应损坏和错位；5)传动系统、悬架系统(包括轮胎)、转向和制动系统保持良好的调整状态并能正常工作。各国法规对比见表 2.1, GB17354-1998与 ECE R42基 本一致，加拿大最新修订标准 CMVSS 215 June, 26 2008与 美国 NHTSA Part 581 October, 1 2006 基本一致，表中未 列由。表2.1低速碰撞法规对比 备注：正向撞击时前后两次测试位置要求Y向A 300mm具体撞击点任意选取。欧标采用图2.1所示摆锤，美标采用图2.1及图2.2所 示两种摆锤，高位摆锤旨在考察防撞横梁对发动机盖及后盖的保护情况，在布置防撞横梁时，其截面需要高由发盖或 后盖 表面一定距离(X方向极值点)，即图中L4值，如图 2.3所示。设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-2 -图 2.1 彳氐位摆锤(NHTSA PART 581、CMVSS 215、ECE R42) 图 2.2 高位摆锤(NHTSA PART 581、CMVSS 215)图2.3高位摆锤碰撞示意图说明：说明：L1 :低位摆锤上端与发盖距离L2 :高位摆锤上端与发盖距离L3 :摆锤下端与防撞横梁距离L4 :高位摆锤上端与发盖实际距离(不含吸能泡沫)若采用低 位摆锤，则摆锤上端与发盖距离为L1-L3; 若采用高位摆锤，则摆锤上端与发盖距离为L4;高位摆锤与低位摆锤的主要区别在于高位摆锤上端突生，减小了摆锤与车身之间的距离。设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-3 - 2.1.22.1.2保险协会试验规范简介保险协会试验规范简 介 在低速碰撞法规中，除了上述国家强制标准外还有保险 公司的检测规范，对比见表2.2。表2.2低速碰撞保险协会测试规范对比表2.3低速碰撞保险协会新增测试内容对比设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-4 -备注：政府法规原文中测试高度是地面与摆锤中心线的距离，而保 险协会的模拟保险杠测试高度是地面与模拟保险杠下端的距离(表2.3已经转化为地面与模拟保险杠中心的距离)。IIHS刚性壁障测试是否被模拟保险杠测试取代暂未查到 明确文献。关于车辆质量定义，请查阅其它相关资料，在此不予赘 述。目前各保险协会的测试标准存在一些差异，在模拟保险 杠测试中，主要是模拟保险杠的离地高度不一样。IIHS 正碰高度为 457mm，角部15%重叠偏置碰撞高度为 406; RCAR前部正碰高度为 455mm,后部正碰高度一般 取405mm或者455mm,其值可以结合销售市场来定；RCAR(AZT)目前仅实施了前后正碰实验，而 IIHS则将 15%重叠偏置碰撞也引入了测试实验中，显然在模拟保险杠测试中，IIHS较目前RCAR的要求高。但在刚性壁障碰撞中，AZT 的 速度却比 IIHS 高7Km/h。2.22.2高速碰撞法规要求高速碰撞法规要求在高速碰撞试验中前防撞横梁也参与部分吸能作用，特别是在40%偏置碰撞中把部分 碰撞力传导到另一侧纵梁。因此，在高速碰撞中前防撞横梁的设计也是非常重要的。下面简单总结一下各种高速碰撞法规及非官方检测规范的试验标准，见表2.42.5:表2.4高速碰撞法规 法规名称美国(FMVSS 208)欧洲 (ECE R94)中国(CMVDR 294 ) 碰撞形式1、 正面碰撞(刚性壁) 2、30倾角倾斜刚性壁障 40%重叠，可变 形壁障正面碰撞(刚性壁) 碰撞速度 48.3 Km/h56Km/h50Km/h国家强制性法规检测的试验方法有三种：完全正面与刚性壁碰撞，30角与刚性壁碰 撞，40%偏置与可变形壁障碰撞。除了国家强制法规外，还有非官方检测规范，如：IIHS、各种 NCAP 等。表 2.5 非官方检测规范 法规名称IIHSEuroNCAPC-NCAP 碰撞形式 40%重叠，ODB , 0 40%重叠，ODB, 01、40%重叠，ODB, 0, V1 2、完全 重叠，刚性壁,V2 碰撞速度 64 Km/h64 Km/h V1=56 Km/h ;V2=50 Km/h在各种试验规范中，40%偏置碰撞法规或标准 主要有：C-NCAP、ECE R94、EuroNCAP、IIHS。各法规和标准规定的ODB是相同的，因此对前保横梁的设置要 求也是相同的，如图 2.4所示。设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：（00）页次：-5 -图2.4 40%偏置碰撞可变形壁障第三章第三章 前防撞横梁的布置设计前防撞横梁的布置设计前防撞横梁的布置需要考虑各种法规试验规范要求，以达到最大的吸能效 果，有效地保护车身其它部件。结合上述各种试验规范，前防撞横梁的布置需要考虑的因素主要有：前防撞横梁中心 离地高度、前防撞横梁横的长度（ Y向）、 前防撞横梁距前保蒙皮、冷凝系统等部件的距离、前防撞横梁距发动机盖前缘距离、前防撞横梁距大灯表面距离等。3.13.1前防撞横梁离地高度布置要求前防撞横梁离地高度布置要求碰撞器主要有以下几种类型：摆锤、模拟保险杠、固定刚性壁障或移动刚性壁障（移 动 小车）。各种法规的碰撞器中心离地高度存在差别，具体见表3.1 o由于刚性壁障在高度 方向都比较长，可以不予考虑，在进行布置时，在高度方向主要考虑防撞梁是否与摆锤或模 拟保险杠达到一定的重叠量。表3.1各国法规碰撞器中心离地高度表碰撞器类型法规碰撞器中心离地高度 （mm） ECE R42（欧洲）445（高度固定） GB17354-1998（中 国）445（高度 固定）NHTSA Part581（美 国）406508（高度随测试位置变化）摆锤CMVSS 215 （加拿 大）406508（高度随测试位置变化）IIHS（美国）456（任意一 侧）、507（中心位置）模拟保险杠 RCAR （汽车修理协会） 455/505（根据销售市场，结合其他法规选取）从上表可以看出,摆锤中心离地高度在 406mm508mm范围内；模拟保 险杠中心离地高 度在 455mm507mm 范围内。国标及欧标各种测试高度保持不变，布置上一般比较好满 足，美国和加拿大标准高度在一定范围内浮动，对布置空 间要求明显增加，汽车修理协会的模设计指南设计指南 编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：（00）页次：-6 -拟保险杠高度取值也相对固定。由于实车与数据存在一定的误差（底盘悬架调校、整车 重量误差、制造误差等），因此实 际做布置时还需要考虑整 车制造误差。B平台制造误差取 18mm,考虑两种极限情况，则北 美 前防撞横梁中心线离地高度为388mm； HK 526mm ,防撞横梁布置在457mm附近比较合理；欧洲前防撞横梁中心线离地高度为 427mme HK 463mm ,防撞横梁布置在445mm 附近比较合 理；保险协会前 防撞横梁中心线离地高度为 437mme HK 525mm 防撞横梁布置在481mm 附近比较合理；各测试规范碰撞器中心离地高度见图3.1 o图3.1各测试规范碰撞器中心离地高度（已考虑18mm误差） 正面偏置碰撞可变形壁障高度设置见图3.2,布置时需将高速碰撞与低速碰撞结合在 一起考虑。200mm 330mm 试验载荷状态 下的地面线 图3.2 40% 重叠，正碰 ODB壁障布置高度 下面以图示的方式对前防 撞横梁的高度布置进行相关说明（图3.33.5）:设计指南设计指南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：（00）页次：-7 -图3.3前防撞横梁的布置 H1随测试法规和测试位置 变化而变化；重叠量 H2 一般要求 3540mm, RCAR 建 议重叠量要达到 75mm以上，有效重叠量也与供应商的设 计能力有关，目前国内防撞横梁供应商普遍不具备设计能力，国外供应商一般要求重叠量 H2至少达到28mm以上； H4值RCAR 要求达到 100mm以上，一般设计到 100 120mm左右。B平台制造误差取 18mm （其它平台结合自身车型特点 选取合适值），实际校核和设计过 程中需要将这一因素考 虑在内。取两种极限情况进行校核，第一种情况是实车的防撞横梁 中心离地高度比理论值偏高，即整车相对抬高18mm,校核时需要将摆锤降低 18mm （地面线 和车身数据保持不变），3D数据中摆锤中心实际离地高度为H1-18 mm （H1取法规中摆锤 的最低位置），由此可见，理论上重叠量减少18mm,如图3,4所示；第二种情况是实车的 防撞横梁中心 离地高度比理论值偏低，即整车相对降低18mm,校核时需要将摆锤升高18mm （地面线和车身数据保持不变），3D数据中摆锤中心实际离地高度为H1+18 mm （H1取 法规中摆锤的最高位置），如图3,5所示。图3.4极小值摆锤重合度示意图图3,5极大值摆锤重合度示意图 实际情况下，极小值位置容易由现摆锤重合度 不够的问题，在造型和布置允许的前提下，前期一定要尽量修改局部造型。对于RCAR ,针对有效重叠量特别制定了一套明确的测量方法，有效重叠量要求达到75mm 以上。有效重叠量的大小直接影响整个保险杠系统对车辆的保 护效果。具体测量方法 请查阅 Rear bumper test procedure issuel 2007。H1-摆锤中心离地高度H2-摆锤与防撞横梁有效重叠量H3- 摆锤撞击面高度（114mm） H4 一防撞横梁截 面高度设计指南设计指南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：（00）页次：-8 -由于重合度受横梁截面长度（Z向）、销售市场（法 规测试高度不一致）、碰撞器高度 调整区间、车辆实验状态（空载、加载等）影响，因此要找由适合所有市场的布置 区间较难，现以北美市场举例说明如何布置防撞横梁截面 Z向高度。先假定防撞横梁截面Z向高度可做到110mm,利用CATIA草图绘制功能，在整车坐标下绘制由摆锤、模拟保险杠和ODB壁障高度调整区间，再根据最低允许重合度来 调整横梁截面布置区间（该例按照最低重合度28mm来布置），从图3.6可以看由，在优先满足摆锤测试要求前提下，模拟保险杠的重合度最小可达到41mm,横梁截面中心高度在442mm472mm之间布置均可满足要求。其他法规碰撞器中心高度基本也在该区间之类，因此布置时优先在该区间选取，然后进行相关的法规校核，再不断 调整，选取最合适的位置。图3.6北美市场防撞横梁布置示意图由于造型和其他因素的限制，防撞横梁截面不可能任意加大，进气格栅面积 有相应的 技术要求，防撞横梁高度太高将影响冷凝系统的 散热面积，两者需要兼顾考虑。3.23.2前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的 距离前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离 在低速碰撞中，前保险杠系统应具备最佳的吸能效果，以求 最大程度保护车辆零部件不受损坏，保证车辆仍能顺利行驶到维修或救护站。保险公司也期望损坏的零件最少，以降低车辆的维修成O前大灯局部造型中，一般要求大灯陷入前保险杠里面一 定深度，以确保在30 o角碰中前保系统有一定的吸能空间， 不至于损坏较贵的前大灯。在造型上，要避免所有信号灯直接暴露在碰撞部位；前防撞横梁布置的有效空间也是至关重要的，在前防撞横梁的前面需要足够的空间布置吸能块，在前防撞横梁的后面与 冷凝器之间需要有足够的变形吸能空间，否则将会直接损坏冷凝系统，对这些区域在前期造型和后期设计过程中应重 点关注。前期数据校核和布置时，分别考察 Y=0和30角位置法规满足性，见图 3.7、图3.8。设计指南设计指南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期： 版次：（00）页次：-9 -图3.7 Section Y= 0 位置 H0 摆锤中心离地高度 L8-摆锤与前大灯距离 图3.8 Section 30 0角位置（前大灯） 布置参考值可查阅表3.2,数据多来源于 3D数据和拆车测量，仅供参考。表3.2布置参考值（不完善，待补充）参考值经验 值CAMERY（美标） YARIS （美标）JD23A （美标）JD24A （美标）JD23S （美标）JD12A （欧标）碰撞器和发盖间隙（L7） 85901851024193234 碰撞器和前大灯间隙 （L8 ） 7010585687271146 参考值 S18 （S01） S12S11GM （MATIZ） TOTOTA （AYGO）碰撞器和发盖间隙（L7）碰撞器和前大 灯间隙（L8） 46748060120 H0一 碰撞器中心离地高度L1 吸能块厚度 L2-前防撞横梁截面宽度 L3-前防撞横梁 与冷凝器距离 L4-前保蒙皮与中冷器距离L5-摆锤与小腿保护梁距离 L6 一防撞横梁截面前端与发盖前缘距离L7 前保蒙皮与发盖前沿距离A 发盖前端造型倾角（与行人膝部弯曲角相关）设计指南设计指南 编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：（00）页次：-10 -在布置防撞横梁截面时，截面在X方向的极值需要高 由发盖前缘一定距离（图3.7中L6值），针对欧标 ECER42 4Km/h碰撞速度，要求L6 A 10m3针对北美旧标准NHTSA PART 581 8Km/h 碰撞速度，要求 L6 A 20mm此值仅供参考，由于车辆和测试装置的重量不同，需要吸收的能量大小也不尽相同，因此需要CAE分析验证。由于涡轮增压发动机才配备中冷器，并且布置位置比较 靠下，一般来讲摆锤测试的时候不会碰到，但刚性壁障测试时会碰到，前防撞横梁与冷凝器距离L3、前保蒙皮与中冷器 距离L4布置得越大越好，但受我司发动机尺寸影响， 布置空间比较有限。表3.3列由了部 分车型的布置数据，仅供参考。表3.3冷凝系统布置参考值（不完善，待补充） 参考值 经验值JD23A防撞横梁与冷凝器距离 （L3） 128前保蒙皮 与中冷器距离（L4） 179吸能块对低速碰撞具有一定的贡献，从保护发动机盖的角度来讲，吸能泡沫较硬比较好，但由于对行人保护的要求越来越高，吸能泡沫和前保蒙皮设 计得偏软比较有利。吸能 块厚度，前保蒙皮与发动机盖前沿距离，以及发动 机盖前沿的倾斜角度与行人上腿部保护息息相关，前期布置应该预留充足的空间，如图 3,9所示，表3.4提供了一 些参考值。行人上腿弯曲角度、膝关节剪切位移及腿部加速度受造 型影响较大(法规具体要求请查阅行人保护相关法规)，同时吸能泡沫采用不同的材料，对这几个测量值影响也很 大，因此供应商介入得越早越好。表3.4吸能块布置空间加速度限值保护部位布置空间L1 (吸能块厚度参考 值)Tibia acc 200 g (Phase 1)上腿部 45 Tibia acc 170 g (Phase 2 & Euro NCAP)上腿部 75 图 3.9 行 人腿部碰撞示意图设计指南设计指南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-11 -要降低加速度，减少膝部剪切位移和上腿部弯曲角度， 需要不断调整吸能泡沫的材料 性能，以调整其压缩量和吸 能比率，同时现在的车型大多都在小腿部位增加一个小腿保护 梁，防止行人卷入车辆底部造成更大的伤害,见图3.10图3.10雪铁龙凯旋行人保护结构对于S平台的小车来讲，30角位置还需要关注横梁与冷凝系统两侧的距离，B平台 车型一般来说此部位空间相对来说较充裕，如图 3.11 所示。由于横梁弯曲，散热器的最左端离横梁最近，最好也保持30mm左右的间距。受A面形状限制，横梁和保险杠的间距在接近侧碰位置时会减小。为了安装泡沫，此距离不能太小，这和泡沫的厚度有关系， 泡沫的 厚度在10mm以下很难生产成型，在 15mm时可 以成型，但泡沫很薄，容易断裂，影响性能，不能达到好的吸能效果。所以在设计时,最好让此处的间距大于20mm o图3.11 30角位置横梁与冷凝系统距离3.33.3前防撞横梁长度要求前防撞横梁长度要求摆捶撞击30角方向，过撞击切入点与车辆 X轴向呈30角做一直线，要求前防撞横 梁在Y向左右延伸超过所作的直线100mm （此值偏大，由于造型影响，一般只有 40mm），如 图3.12所示。为了减重，实际长度应该根据CAE分析进行调整，力求设计到最短。设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-12 -图3.12前防撞横梁长度要求示意图为了有效保护大灯，横梁前端表面需要高由大灯表面一定距离。理论设计尽量按此布 置，如果造型上大灯比较靠后，若 吸能块可以满足要求，就不需要做由类似雅阁的结构(30角位置额外增加一块凸生的横梁)，如图3.13所示。图3.13雅阁300角碰增强结构 第四章第四章 前防撞 横梁结构设计前防撞横梁结构设计在明确车型需要满足的市场范围，确定前防撞横梁的布置方案后，进行前防撞横梁 的结构设计。在低速碰撞中，希望前防撞横梁有充分的变形，最大限度 的吸收能量，在 40%偏置碰撞中，希望前防撞横梁有足够 的强度，尽量多的传导力到另一侧纵梁上，使左右纵梁同时变形吸收能量。在莫种意义上讲，也就是前防撞横梁的强度设计。4.14.1前防撞横梁的安装方式前防撞横梁的安装方式 在发生低速碰撞时，前防撞横梁发生损坏，为了维修方便， 前防撞横梁要求设计成安 装件。目前公司已经针对前防撞横梁安装制定了统一的标准，具体标准请查阅技术委员会制定的相关文件(关于规范各设计院保险杠横梁安装方式的通知关于规范各设计院保险杠横梁安装方式的通知)。同时，尽量将左右安装板，左右吸能盒设计成左右通用件，以降低成本。安装螺栓焊接于纵梁一端的安装板上，因此所有螺柱的轴线要求与 X轴平行，不允许 由现夹角，因由现夹角后总 成转配困难。如图4.1所示。设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：(00)页次：-13 -图4.1装配状态示意图 4.24.2前防撞横梁的工艺分类前防撞横梁的工艺分类前防撞横梁本体一般采用三种成型工艺：冲压成型、滚轧成型和压铸成型，其中冲压包括冷成型和热成型两种。也有部分车型采用钢管梁的形式，还有少量车型采用玻璃钢等 材料，如图4.24.6所示。图4.2冲压冷成型前防撞横梁总成结构1、横梁本体2、吸能盒3、安装板图4.3冲压热成型前防撞横梁总成结构 设计指南设计指南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：（00）页次：-14 -图4.4滚压成型前防撞横梁总成结构图4.5压铸成型前防撞横梁总成结构（合金材料）图4.6钢管焊接前防撞横梁总成结构（长安铃木雨燕）冲压成型是由镀金冲压后再焊接而成，优点在于结构灵活，可变截面设计。缺点是材 料利用率低，由多个零件焊接而成，工序多， 工装多，重量较重。高强度镀金冲压成型困难，不利于选用具有高屈服强度的材料。为了解决这个难题，目前一些车型开始采用热成型件。热成型工艺可以成型屈服强度在1200MPa以上的材料，由于解决了高强度钢板冲压成型的问题，因此整个前防撞横梁的结构可以相对简化，达到减重和提高强度的双重要 求。但是热成型件工艺相对冷成型要复杂得多，投入工装费 用也很高。滚轧成型是由镀金等截面由滚轧模具滚压成型，优点在于材料利用率高，可设计成单个零件，重量轻，可适用于特高强度的镀金成型。滚轧成型已经被越来越广泛的应用，缺点在于难于实现变截面设计。各种工艺有着不同的优缺点，根据车型销售市场和定价， 选用合适的工艺。设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：(00)页次：-15 - 4.34.3前防撞横梁的截面型式前防撞横梁的截面型式 前防撞横梁的截面形式多样，冲压成型对截面限制较少，可 以变截面设计，热成型镀金型面设计比冷成型更灵活，可以根据需要调整型面。滚压成型由于等截面的要求，截面形状相对规整，常见的截面形状如图 4.7所示。图4.7滚压成型截面形状一般采用第一种截面形式的比较多，其强度也比较高，因此也被广泛采用。在保证冷 凝器与前防撞横梁、前保蒙皮与前防撞横梁之 间的空间足够的前提下，前防撞横梁的截面设计得越大越好。在Z方向的高度不能影响迎风面积，在设计截面大小时可参考样车的截 面大小，设计时可初步设计为H=120mm ,B= 85mm,根据CAE碰撞分析的结果适当调整截面高度和宽度，在满足要求的情况下尽量减小截面，以节约成本和 减重。当由现摆锤重合度不够的情况后，可采用图4.8所示的结构，在横梁本体下端烧焊摆锤捕捉板。设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-16 -图4.8摆锤捕捉板示意图(B22 Rear Bumper Beam ) 当由现与其他部件干涉的情况时，可考虑滚压成型后再切除 或压扁干涉部位，如图4.9所示。图4.9干涉处理方法 横梁本体截面一般设计成封闭截 面，这样可以大大提高强度，增加吸能比率。表4.1、4.2列由了部分车型的横梁本体截面形式和尺寸， 可供参考。表4.1 B平台前防撞横梁截面(Y=0 Section) 车型B12B13B14B21B22B23 截面 示意图 成型冲压滚压滚 压冲压滚压冲压表4.2其它车型前防撞横梁截面(Y=0Section) 车型 CamryLexusM11截面示意图设计指南 设计指南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-17 -图4.104.12为几款前防撞横梁总成，结构可供参 考。图4.10热成热防撞横梁 (Benter Design) 图4.11滚压 成型防撞横梁设计指南设计指南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-18 -图4.12压铸成型防撞横梁(Hydro Design ) 备注： 此节仅列由常见横梁截面形状，未对各种截面进行对比分 析，不同的截面，以及 不同的截面尺寸设计，其性能存在 较大差异。关于截面分析，请参阅本指南第六章一前防撞 横梁的CAE模拟分析。4.44.4前防撞横梁的轨迹曲线前防撞横梁的轨迹曲线 横梁Y方向引导线主要受外部造型和行人保护吸能泡沫厚度两个因素影响，引导线的设计的一般思路如下：1、布置好前防撞横梁中心线高度后，在此高度作一平行于XY平面的辅助平面 B,用 此平面与前保蒙皮相交， 得由一 条交线，将该交线沿 +X方向偏移足够距离（吸能块的厚 度），一般可初步设计为 95mm,吸能块空间可适当减小（根据CAE分析不断调整），偏移后的交线与XZ平面 相交得由交点 Ao设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：（00）页次：-19 - 2、30 角碰撞区域吸能块厚度一般要求不小于60mm ,将摆锤与前保蒙皮的接触点沿摆锤撞击面的法线方向移动60mm,得到点B（点B有可能不在辅助平面B上，此时需要将 其沿Z向投影到该平面上），然后以XZ平面镜像得 由点C,在辅助平面 B内作一个圆，使 A、B、C三点在 圆周上，即得由引导线。可适当调整 A、B两点位置，使圆的半径尽可能为 整数, 以方便制造。3、根据选择好的截面沿引导线扫掠，即可得到横梁的主 体数据。注意为满足 30 角 碰撞，引导线需要延伸超过碰撞点 100mm （实际上由于造型的影响往往很难达到100mm,尽可能做大）。备注：对于滚压或压铸件，一般均采用等曲率弧线作为引导线，为了避让其他部件或其 他需要，后期再采用切除和压扁等工 序作进一步加工处理。横梁中间一段设计成弧形或者与Y轴平行，谁更有利于碰撞吸能，并没有确凿的数据可以证明，因此设计时建议主 要根据布 置空间来定。4.54.5吸能盒结构设计吸能盒结构设计由于低速碰撞要求车身部件发生碰撞以后可维修，因此前纵梁不允许有大 的变形。也 即只允许防撞横梁和吸能盒发生变形，这就要求吸能 盒的抗载能力低于前纵梁。针对每个 车型，由于前纵梁的截面大小，材料选用以及 车身质量等因素不一致，因此纵梁抗载能力存在差别，需要结合CAE对该车型纵梁的抗载能力分析来设计吸能盒。4.5.14.5.1常见吸能盒结构常见吸能盒结构吸能盒截面形式多样，有正方形、长方形、多边形等，其长度主要结合 整车布置来设 定，部分车型由于布置的影响，没有了吸能 盒的布置空间，这不利于低速碰撞。因此布置 上要尽量避免由现这种情况。初始设计截面大小可根据纵梁截面来确定，后期根据CAE分 析结果调整材料、料厚以及溃缩引导筋，为了利于 压溃，吸能盒一般设计成倒金字塔形状，吸能盒的理想压溃状态如图4.13所示。图4.13吸能盒理想变形模式设计指南设计指南 编号：编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：（00）页次：-20 -表4.3列由了部分车型的吸能盒结构供参考序号车型材料1雪铁龙凯旋铝合金 2本田雅阁（无吸 能盒）3 雷诺新风景二代钢材（材料信息不详）（通过螺栓与横梁本体连接）4雪佛兰一科鲁兹铝合金 5宝马E60材料信息不详（通过螺栓与铝合金横梁本体连接）6奔驰Smart 钢材（材料信息不详）7沃尔沃C70钢材（材料信息不详） 设计指南设计指南编号：编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：（00）页次：-21 - 4.5.24.5.2特殊吸能盒结构特殊吸能盒结构新AudiA6保险杠由一个铝制横梁构成，该横梁通过新开发的专用 安全支架用螺栓固 定在纵梁上。专用安全支架也称为剪力匣，它在车辆发生正面碰撞和稍 呈对角方向的碰撞 时，通过剪切作用来吸收碰撞能量。在车速不超过 15 Km/h的情况下，专用安全支架可以防止位于其后的车辆焊接结构受到严重损坏。在发生对角方向的碰撞时，撞击的能量通过保险杠的弯曲和变形来吸收，如图4.144.15所示。图 4.14 Audi A6 前碰吸能盒 图 4.15 Audi A6 And A4 后碰吸能盒Audi A4前碰撞吸能盒采用可退缩式结构，具体 是采用液压缸或挤压式机械结构还不明确，如图4.16所示。该结构作用与 A6相同，在车速不超过15 Km/h的情况下，该退缩机 构可以防止位于其后的车辆焊接结构受到严 重损坏，在发生对角方向的碰撞时，撞击的能量通过保险杠的弯曲和变形来吸收，如图4.16。图4.16 Audi A4前碰吸能盒 设计指南设计指南 编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期：版次：(00)页次：-22 - 4.64.6拖车钩结构设计拖车钩结构设计拖车钩有相应法规要求（77/389/EEC ）,拖钩沿车身纵向受拉力或压力， 受力大小要求最少大于车身满载重量的一半，拖车钩安装 套管不超由车身，在牵引过程中，不能对拖钩或拖绳造成损坏，结构上要求快速安装，方便快捷，拖钩开口尺寸不得 小于 25mm o为了尽 量降低防撞横梁的变形，拖车钩安装点设计时尽 量靠近吸能盒一侧，目前多数车型设计在吸能盒位置，前拖车钩也常设计在副车架上（与副车架结构有关）。概念数据设计后需要 CAE分析其强度是否满足要求，如 图4.17所示。现在大多数车型拖钩安装以后，钩子部位均位于前保蒙皮以外，因此桂钩不会与蒙皮干涉，当桂钩位于蒙皮里面以 后，需要校核牵 引绳索是否与蒙皮干涉 （Y、Z向各30） o表4.4列由了其他车型拖钩布置情况，供参考。加载工况（满载质量的 1/2）目标值 F1 a =0o压应力 F2 a =0的应力 残余变形 3mm拖钩强度要求 F3 & =30阳 应力残余变形 w6mm图4.17 CAE模拟分析工况 表4.4其 它车型前拖车钩结构车型 M11B22B21/B12/B25 图片位置布置在吸能盒位置横梁本体上副车架上车型雪铁龙凯旋斯柯达明锐奔驰 Smart雪铁龙凯旋图片设计指南设计指 南编号： 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：版次：(00)页次：-23 -位置横梁本体上靠近吸能盒吸能盒靠近吸能盒拖钩安装螺纹管优先考虑沿用其他车型，螺纹直径大小根据车辆 重量，参照各平台其 他车型选取。目前公司大部分车型安装螺纹管结构不合理，一方面导致 螺母焊接易变形， 拖车钩难以拧入；另一方面拖车钩受力 条件不好，容易弯曲。建议后序车型将螺纹孔设计成阶梯孔，如图 4.18所示。在安装时光孔部位可以用来导向和定位，当拖车存在一定角度 时，通过该孔与拖车钩圆柱体外壁配合，受力情况将 得到改善，不会由现从螺纹根部弯曲的现象，如图4.19所示。图4.18螺纹管结构 图4.19拖车钩变形情况第五章第五章 前防撞横梁的材料定义及减重前防撞横梁的材料定 义及减重前防撞横梁总成主要由横梁本体和吸能盒两部分 组成，材料定义没有明确的规定，需要根据销售市场、成本以及CAE分析来定。在此仅罗列一些车型的Benchmark数据供参考。5.15.1前防撞横梁材料选用前防撞横梁材料选用前防撞横梁强度，是保险杠设计中需要关注的焦点。主横梁的作用是将任何形式的偏置碰撞产生的能量，尽可能均匀地分布到两个吸能元件上，使能量最大限度均匀地 被吸能元件吸收，并将碰撞力均匀传递到两个纵梁。显而易见，高强度的横梁更有利于碰撞能量的均匀分布。但在设计中，不可能通过无限制增加钢材厚度达到增加强度的目的。由于节油考虑，目前各个汽车生产厂商对整车重量控制越来越严格。一般情况下，前防撞横梁的分配重量占整车重量的0.3%左右O如何找到这个平衡点，需要通过CAE计算来决定。在欧洲，横梁的钢材普遍使用抗拉强度高达 12001300MPa的钢材。例如大众保罗、途安前横梁用的是热成型1300MPa高强度钢。根据CAE计算结果，如果用420MPa的中等强度钢等效 替代厚度至少要达到 6mm,其重量将大大增加。由此可见，为了解决强度和重量的矛盾，高强度钢在前防 撞横梁中的应 用具有非常积极的意义。表5.1列由了奇瑞部分车型前防撞横梁总成的材料定义， 可供设计参考。设计指南设计指南编号:编号：前防撞横梁总成设计指南 编制日期:版次：(00)页次：-24