重卡前下防護(hù)橫梁輕量化設(shè)計(jì)

申強(qiáng)，楊麗，習(xí)呂鵬，張磊

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重卡前下防護(hù)橫梁輕量化設(shè)計(jì)

申強(qiáng)，楊麗，習(xí)呂鵬，張磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章對(duì)GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》進(jìn)行了簡(jiǎn)析，針對(duì)重卡前下防護(hù)橫梁偏重的情況，通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝，提出了一種前下防護(hù)橫梁的輕量化方案，實(shí)現(xiàn)降重22.1kg。通過(guò)CAE軟件對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析，并采用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證，均符合法規(guī)要求。

前下部防護(hù)；前下防護(hù)橫梁；輕量化；CAE分析；臺(tái)架試驗(yàn)

引言

近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)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(fā)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(guó)際市場(chǎng)機(jī)動(dòng)車方面先后制定和升級(jí)了相應(yīng)的法規(guī)，越來(lái)越多的國(guó)家對(duì)商用車前下部防護(hù)裝置的碰撞性能提出了明確的要求。歐洲1994年實(shí)施了ECE-R93商用車前下部防護(hù)的法規(guī)，中國(guó)借鑒ECE-R93制訂了GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)2012年1月1日實(shí)施，新設(shè)計(jì)車型2013年1月1日起實(shí)施，在生產(chǎn)車型2015年1月1日起實(shí)施[2]。因此，國(guó)內(nèi)目前各商用車企業(yè)生產(chǎn)的N2、N3類載貨車須安裝符合GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》強(qiáng)制要求的前下部防護(hù)裝置。

為了應(yīng)對(duì)該法規(guī)嚴(yán)苛的強(qiáng)度要求，由于缺少經(jīng)驗(yàn)，各商用車企業(yè)推出的滿足法規(guī)要求的前下部防護(hù)裝置普遍偏重，不利于整車輕量化。本文通過(guò)對(duì)重卡前下防護(hù)橫梁進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用CAE軟件對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，提出了一種滿足法規(guī)要求的輕量化前下部防護(hù)裝置。

1 商用車前下部防護(hù)裝置介紹及法規(guī)簡(jiǎn)析

1.1 商用車前下部防護(hù)裝置介紹

商用車前下部防護(hù)裝置是一個(gè)獨(dú)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(fā)生碰撞時(shí)，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(hù)裝置主要由前下防護(hù)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(guò)螺栓與車架前托架相連。前下部防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 前下部防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 商用車前下部防護(hù)裝置法規(guī)要求

1.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸要求

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

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

（3）橫梁外表面應(yīng)為光滑面，螺釘或鉚釘?shù)念^部凸出該表面的高度不大于10mm。

（4）前下部防護(hù)裝置的最大寬度不超過(guò)兩側(cè)前輪翼子板的外側(cè)寬度，任意一端的最外緣與同側(cè)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(cè)的橫向水平距離不大于200mm。

（5）前下部防護(hù)裝置下邊緣離地間隔不超過(guò)400mm。

1.2.2 構(gòu)件強(qiáng)度要求

法規(guī)對(duì)前下部防護(hù)裝置強(qiáng)度要求具體體現(xiàn)在加載點(diǎn)的變形上。GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》要求在P1、P2、P3三點(diǎn)處分別施加規(guī)定的靜荷載，P1、P3點(diǎn)為車輛最大總質(zhì)量50%的水平荷載，但不大于80kN；P2點(diǎn)為車輛最大總質(zhì)量100%的水平荷載，但不大于160kN。試驗(yàn)時(shí)對(duì)P1、P2、P3點(diǎn)順次加載，盡可能快地施加作用力，施載時(shí)間不少于0.2s，試驗(yàn)過(guò)程允許使用不同的樣品進(jìn)行加載試驗(yàn)。若試驗(yàn)裝置在兩P2點(diǎn)間斷裂或凹入橫切面內(nèi)，則對(duì)P3點(diǎn)進(jìn)行加載測(cè)試。

圖2 3個(gè)碰撞測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

圖3 試驗(yàn)結(jié)果要求簡(jiǎn)圖

3個(gè)碰撞測(cè)試點(diǎn)的位置如圖2所示。P1、P2、P3三點(diǎn)位于前下部防護(hù)裝置橫梁的外表面上，且在同一水平面內(nèi)，離地高度不超過(guò)445mm。P1點(diǎn)位于距離前軸輪胎外側(cè)相貼的縱向平面200mm處；P2點(diǎn)對(duì)稱于車輛縱向平面兩側(cè)，相互之間距離為（700～1200）mm，P3點(diǎn)位于車輛的縱向中心平面上。試驗(yàn)后各施力點(diǎn)處測(cè)得的水平位移不得超過(guò)400mm，且兩個(gè)P1點(diǎn)間的下邊緣離地高度不超過(guò)450mm。試驗(yàn)結(jié)果要求如圖3所示。

2 傳統(tǒng)前下防護(hù)橫梁

重卡同一平臺(tái)的車型較多，前下部防護(hù)裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量模塊化，在不同車型上通用，以降低開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本。因此，前下部防護(hù)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，剛度參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為P1、P3點(diǎn)80kN，P2點(diǎn)160kN，以滿足全系列車型的使用。

傳統(tǒng)重卡前下部防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)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(qiáng)板的形式，橫梁總成通過(guò)安裝支架與車架連接。該裝置各部分設(shè)計(jì)尺寸與強(qiáng)度均滿足法規(guī)要求，但較笨重，總成重約60kg～70kg，不利于整車輕量化。

圖4 傳統(tǒng)前下部防護(hù)結(jié)構(gòu)圖

3 輕量化方案

由于重卡前部需要安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、保險(xiǎn)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(hù)裝置的空間相對(duì)狹小，對(duì)前下部防護(hù)裝置輕量化時(shí)，在連接支架剛度滿足要求時(shí)，連接支架保持不變，即不改變總布置，僅對(duì)橫梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3.1 材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

圖5 優(yōu)化前后橫梁截面結(jié)構(gòu)圖

橫梁結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的“矩形”截面改為“日”字形截面，優(yōu)化前后截面結(jié)構(gòu)如圖5所示。橫梁加強(qiáng)板由原槽形結(jié)構(gòu)改為分段式“L”形結(jié)構(gòu)，焊接在橫梁兩端，對(duì)P1、P2點(diǎn)的剛度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。優(yōu)化后橫梁總成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

按該方案優(yōu)化后，前下防護(hù)橫梁總成可降重22.1kg，優(yōu)化前后各部分材料組成及重量見(jiàn)表1。

圖6 優(yōu)化后橫梁總成結(jié)構(gòu)圖

表1 橫梁總成優(yōu)化前后各部分材料組成及重量

3.2 生產(chǎn)工藝

橫梁生產(chǎn)工藝為：落料—輥壓—激光焊接-折彎。目前，大部分汽車企業(yè)均具備輥壓成型設(shè)備能力，且經(jīng)過(guò)不斷地使用和改進(jìn)，該生產(chǎn)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(chǎn)效率高，所生產(chǎn)的零件具有外觀質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(chǎn)效率。

4 強(qiáng)度分析與驗(yàn)證

4.1 CAE分析

采用CAE軟件對(duì)前下防護(hù)橫梁進(jìn)行理論強(qiáng)度分析。結(jié)構(gòu)剛度方面，P1點(diǎn)主要考慮橫梁的抗彎強(qiáng)度，P2點(diǎn)主要考慮支架的抗彎強(qiáng)度[2]。因支架未做改動(dòng)，僅需驗(yàn)證P1點(diǎn)的強(qiáng)度。

圖7 P1點(diǎn)加載接觸力曲線

圖8 P1點(diǎn)加載X向位移圖

設(shè)定車架前托架為剛體，對(duì)車架前托架全約束，采用寬400mm，高250mm的平面壓頭對(duì)P1點(diǎn)施加80kN的力，加載面與橫梁進(jìn)行面面接觸。P1點(diǎn)加載總時(shí)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(jié)果如圖7、圖8所示。

P1點(diǎn)加載后，X向最大位移為61.3mm，遠(yuǎn)小于法規(guī)要求的400mm，該下防護(hù)裝置CAE分析結(jié)果滿足法規(guī)要求。

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證該前下部防護(hù)裝置的強(qiáng)度，按照GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》的規(guī)定，在剛性試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)物樣件P1點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖9所示，加載力曲線見(jiàn)圖10。加載至49s時(shí)，加載力達(dá)到88.7kN，卸載后測(cè)得的最大位移為103mm，小于法規(guī)要求的400mm，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果滿足法規(guī)強(qiáng)制性要求。因此，該輕量化前下部防護(hù)裝置的強(qiáng)度符合法規(guī)要求。

圖9 加載試驗(yàn)裝置

圖10 P1點(diǎn)加載力曲線

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)有重卡前下防護(hù)橫梁進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝，完成前下部防護(hù)裝置的輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)降重22.1kg。

（2）采用CAE軟件對(duì)其理論強(qiáng)度進(jìn)行分析，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，該輕量化橫梁滿足GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1] 劉麗亞,蘇玉萍,郭立群,等.商用車前下部防護(hù)法規(guī)和國(guó)外典型設(shè)計(jì)案例分析[J].汽車技術(shù).2008（7）.

[2] 唐波.《商用車前下部防護(hù)》的法規(guī)解讀和設(shè)計(jì)難點(diǎn)[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(qiáng)，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