基于碰撞性能要求的汽車防撞梁概述

殷俊龍

摘 要：防撞梁是汽車碰撞系統(tǒng)中的重要零件，承擔(dān)能量吸收與傳遞的重要角色。文章闡述了不同碰撞工況對于防撞梁的性能要求，介紹了不同防撞梁的概念形式，以及其特點，幫助工程人員在設(shè)計初期選擇防撞梁形式。文末就新能源汽車趨勢下，延伸出防撞梁開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞：防撞梁;汽車碰撞中圖分類號：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-98-03

Abstract： Crash beam is an important part in automobile crash system. It plays a vital role in energy absorbing and transferring. This article described beam performance requirement at different crash condition， introduced different kind of beam concept and also its character， which helps engineers to understand how to choose a beam concept at design phase. At the end， the article listed the challenges in beam development under the trend of new energy vehicle.Keywords： Crash beam; Vehicle crashCLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）08-98-03

1 引言

汽車的前后端碰撞系統(tǒng)一般由保險杠、泡沫吸能器以及防撞梁組成。保險杠作為塑料外觀件更多的作用是體現(xiàn)造型意圖以及承載電子元器件，其與泡沫吸能器對碰撞性能的貢獻(xiàn)主要在低速碰撞以及行人保護(hù)。當(dāng)在可修復(fù)性以及高速碰撞工況下，防撞梁承擔(dān)更重要的角色，通過吸收以及傳遞碰撞的能量來降低碰撞對汽車以及乘員的傷害。

一個典型的防撞梁如圖1。分別由1-橫梁、2-吸能盒以及3-安裝底板三個主要部分構(gòu)成。

每個部分的功能各不相同。1-橫梁提供防撞梁的主體強度，在X方向（為便于表述，本文定義整車的長度方向為X方向）上為保險杠提供剛性支撐;2-吸能盒實現(xiàn)能量傳遞并保證碰撞中防撞梁潰縮的穩(wěn)定性;3-安裝底板保證防撞梁與車身鏈接的可靠性。

2 主要性能

防撞梁所考核的碰撞工況有：低速碰撞，行人保護(hù)碰撞，可修復(fù)性碰撞以及高速碰撞。

低速碰撞主要考核2.5km/h以及4km/h情況下對車輛自身的保護(hù)，核心是避免法規(guī)零件的損壞（如燈、反射片以及前后蓋開鎖）。該工況碰撞速度低，防撞梁主要作用為對保險杠本體X方向上的支撐，避免低速碰撞情況下出現(xiàn)較大的傾入量。

行人保護(hù)碰撞考核40km/h速度情況下對行人的保護(hù)，其核心是避免在碰撞中車輛對行人造成致命傷害。在這種工況下防撞梁的主要作用是與保險杠形成對行人腿部的特別是膝關(guān)節(jié)。

可修復(fù)性碰撞考核10km/h以及16km/h速度情況下防撞梁對車身零件的保護(hù)。車身零件通過焊接裝配，維修難度大成本高，因此防撞梁在碰撞過程中要吸收盡可能多的能量，并防止車身零件發(fā)生塑性變形，這種工況要求防撞梁設(shè)計不能過強。

高速碰撞工況考核50km/h及以上速度情況下防撞梁能量的吸收以及力傳遞的穩(wěn)定性。高速碰撞工況下，防撞梁無法吸收所有的碰撞能量，更重要的是保證碰撞能量向縱梁的傳遞。在該工況下我們需要在前期設(shè)計中關(guān)注防撞梁的吸收能量過程的穩(wěn)定性，所謂穩(wěn)定性即：碰撞過程中，防撞梁不能發(fā)生偏折，必須先于縱梁壓潰[1]。

由此可知，防撞梁的設(shè)計是強與弱的權(quán)衡，需要兼顧不同碰撞速度情況下的性能需求，對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提出較大挑戰(zhàn)。

3 常見防撞梁概念

防撞梁有以下常見的幾種形式：

3.1 鋼材輥壓防撞梁

輥壓成型工藝是通過順序配置的軋輥，把金屬板帶進(jìn)行橫向彎曲，形成特定斷面的型材[2]。

這種概念的防撞梁生產(chǎn)效率高，材料利用率高。但受限于輥壓工藝，防撞梁的截面設(shè)計局限性較大，如圖2，常規(guī)的截面有開口以及閉口兩種形式，從結(jié)構(gòu)的強度上，閉口要優(yōu)于開口。

3.2 鋁材擠出型防撞梁

鋁材擠出成型，是將高溫軟化的鋁錠在鋁擠壓機的強力擠壓下流過鋁擠型模具，成形成復(fù)合要求形狀的鋁型材產(chǎn)品。

鋁合金密度僅為鋼材的1/3，采用該工藝成型的防撞梁相對于鋼材防撞梁可實現(xiàn)減重，減重率可達(dá)40%左右[3]，并且防撞梁的截面設(shè)計更加自由，留給設(shè)計優(yōu)化的空間較大。如圖3，常見的截面有口字形，日字形以及目字形，不同的截面主要的區(qū)別在于中間連接筋的數(shù)量，連接筋越多，橫梁的強度越高。

3.3 熱成型沖壓防撞梁

熱成型工藝是把傳統(tǒng)的熱鍛造與冷沖壓技術(shù)相結(jié)合的一種制造高強度沖壓件工藝技術(shù)。它一般采用高強度硼合金鋼，由于含有微量的硼元素，可以提高鋼板的淬透性[4]。

熱沖壓成型防撞梁一般為開口式，性能一般優(yōu)與輥壓成型以及鋁制防撞梁，但重量優(yōu)勢小。如圖4，由于防撞梁是通過沖壓成型的，其外表面形狀可以做的更為復(fù)雜。而復(fù)雜的外輪廓可以提高橫梁的強度，也提高了設(shè)計上的自由度。

3.4 復(fù)合材料防撞梁

復(fù)合材料防撞梁的初衷是通過纖維增強樹脂代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料防撞梁，在不降低防撞梁性能的前提下實現(xiàn)減重目標(biāo)。如圖5，有學(xué)者設(shè)計了一款整體式碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料保險杠，達(dá)到了減重34.6%的輕量化效果[6]。但復(fù)合材料防撞梁的實際應(yīng)用較少，其高速碰撞性能仍需要進(jìn)一步研究。

基于不同概念防撞梁的特點，前期的設(shè)計選型可從重量，成本，性能幾個角度入手。

（1）重量目標(biāo)嚴(yán)格的情況下應(yīng)優(yōu)選鋁材擠出型防撞梁或復(fù)合材料防撞梁;

（2）成本導(dǎo)向時，應(yīng)首先考慮輥壓成型防撞梁;

（3）對梁的強度要求較高，則可考慮熱成型防撞梁。

4 新能源汽車對防撞梁設(shè)計的挑戰(zhàn)

新能源車由于電池系統(tǒng)重量的增加，導(dǎo)致整車重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃油車。在這樣的背景下，防撞梁的設(shè)計面臨兩大挑戰(zhàn)：

4.1 性能

由于車重的差別，同車型燃油版防撞梁將無法滿足電動版車型的性能目標(biāo)。相同碰撞速度前提下，如果車身零件相同，意味著電動版車型的防撞梁需要吸收更多的能量，橫梁需要加強，同時還要兼顧過強的設(shè)計可能帶來的可修復(fù)性碰撞失效。

目前新能源汽車一般將電池布置在下車體上并與平臺集成，碰撞中對電池的保護(hù)關(guān)注度較高，特別是對于后碰工況，對于后梁的性能要求也將提升。

4.2 重量

減重是新能源汽車的一個重要命題。相同材料以及工藝，性能要求的提高勢必導(dǎo)致防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計加強，重量的上升不可避免。鋁材雖然在重量上相較鋼材有優(yōu)勢，但性能上卻不一定能滿足更高的要求。復(fù)合材料防撞梁雖然在重量上優(yōu)勢最為明顯，但其對中高速碰撞能量的吸收效果仍有待研究。

5 結(jié)語

本文通過闡述防撞梁的性能目標(biāo)以及常見的防撞梁概念

形式，希望能給工程人員在防撞梁的前期設(shè)計提供一定的參考。隨著新能源汽車的涌現(xiàn)，相信將來能看到更新穎、更優(yōu)秀的防撞梁設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1] 危海煙，吳朝暉，董瑞強.防撞梁在汽車碰撞中的性能要求及評估方法研究[J].機電工程技術(shù).2019（06）：120-123.

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[3] 宋小寧，錢鈞，王耘，吳向東，馬建峰.淺談汽車鋁合金防撞梁設(shè)計應(yīng)用.2017（32）：131-133.

[4] 呂嘉豪，應(yīng)宛松.熱成形鋼防撞梁性能研究[J].精密成形工程.?2016（1）：96-100.

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