前防撞橫梁總成設(shè)計指南

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設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 09 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 1 奇瑞汽車股份有限公司 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制 審核 部門批準(zhǔn) 技術(shù)委員會批準(zhǔn) 汽車工程研究院 車身部 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 09 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 I 目 錄 第一章 概述 1 1 1 該指南的主要目的 1 1 2 該指南的主要內(nèi)容 1 第二章 法規(guī)對比分析 1 2 1 低速碰撞法規(guī)要求 1 2 1 1 政府法規(guī)試驗規(guī)范簡介 1 2 1 2 保險協(xié)會試驗規(guī)范簡介 4 2 2 高速碰撞法規(guī)要求 5 第三章 前防撞橫梁的布置設(shè)計 6 3 1 前防撞橫梁離地高度布置要求 6 3 2 前防撞橫梁距前保蒙皮 發(fā)動機(jī)蓋前緣等部件的距離 9 3 3 前防撞橫梁長度要求 12 第四章 前防撞橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 4 1 前防撞橫梁的安裝方式 13 4 2 前防撞橫梁的工藝分類 14 4 3 前防撞橫梁的截面型式 16 4 4 前防撞橫梁的軌跡曲線 19 4 5 吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 4 5 1 常見吸能盒結(jié)構(gòu) 20 4 5 2 特殊吸能盒結(jié)構(gòu) 22 4 6 拖車鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計 23 第五章 前防撞橫梁的材料定義及減重 24 5 1 前防撞橫梁材料選用 24 5 2 前防撞橫梁減重設(shè)計 25 第六章 前防撞橫梁的 CAE 模擬分析 26 6 1 典型截面的 CAE 對比分析 26 6 2 前防撞橫梁總成碰撞 CAE 模擬分析 27 第七章 前防撞橫梁的設(shè)計趨勢 30 7 1 高強(qiáng)度材料運用 30 7 2 保護(hù)系統(tǒng)裝配集成 前端模塊輕量化 30 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 1 第一章 概述 保險杠系統(tǒng)由保險杠蒙皮 吸能塊 防撞橫梁及小腿保護(hù)梁所組成 防撞橫梁總成是 保險杠系統(tǒng)的重要組成部分 也是車身結(jié)構(gòu)的重要組成部分 它在汽車低速碰撞中起著決 定性作用 同時在高速碰撞中也起著吸能和力量傳導(dǎo)的重要作用 1 1 該指南的主要目的 使大家對防撞橫梁總成的設(shè)計有一個初步的思路 對需要滿足的各種條件有一個比較 全面的基本認(rèn)識 該指南的撰寫主要解決以下兩個方面的問題 1 防撞橫梁的設(shè)計需要滿足哪些法規(guī)方面的要求 2 防撞橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮到的因素 包括材料選用 橫梁截面設(shè)計 成型工藝選 擇 拖車鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計 吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計等 1 2 該指南的主要內(nèi)容 該指南圍繞 防撞橫梁設(shè)計 這個中心環(huán)節(jié) 內(nèi)容主要從以下幾個方面展開 1 法規(guī)對比分析 低速碰撞 高速碰撞 2 前期概念設(shè)計布置分析 3 防撞橫梁 吸能盒 拖車鉤等部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 并輔以 Benchmark 資料供參考 4 對于設(shè)計中涉及到的零部件材料 重量 成本 以及 CAE 模擬分析等問題 也給 予相應(yīng)的簡要說明 5 最后對整個前防撞系統(tǒng)及其前端模塊的發(fā)展趨勢作一個簡單介紹 第二章 法規(guī)對比分析 2 1 低速碰撞法規(guī)要求 針對不同的市場 需要滿足不同的技術(shù)法規(guī)要求 因此在目標(biāo)市場確定以后 就應(yīng)針 對相應(yīng)的市場進(jìn)行法規(guī)校核 前防撞橫梁布置與造型息息相關(guān) 在造型初期就應(yīng)該關(guān)注布 置空間 并對布置空間進(jìn)行校核和提出要求 法規(guī)體系主要包括政府法規(guī)和保險協(xié)會評測兩部分 學(xué)習(xí)法規(guī)重點關(guān)注其測試速度 碰撞器高度 碰撞器結(jié)構(gòu)特點 測試內(nèi)容 實驗考察重點 實驗車測試狀態(tài) 2 1 1 政府法規(guī)試驗規(guī)范簡介 不同銷售市場的法規(guī)代號見下表 銷售市場 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)號 備注 歐洲 ECE R 42 擺錘實驗 一種擺錘 滑車 加拿大 CMVSS 215 最新修訂版本測試速度與 ECE R42 一致 美國 NHTSA Part 581 擺錘實驗 二種擺錘 剛性壁障 中國 GB 17354 沿襲 ECE R42 的相關(guān)規(guī)定 以上三種法規(guī)試驗考察的內(nèi)容基本相同 1 照明燈和信號燈裝置應(yīng)能持續(xù)正常工作并清晰可見 2 發(fā)動機(jī)蓋 行李箱蓋和車門能正常開閉 汽車的側(cè)門應(yīng)在碰撞的作用下不能開啟 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 2 3 供油和冷卻系統(tǒng)應(yīng)無泄漏 油路或水路不堵塞 其密封裝置與油箱和水箱蓋能正常 工作 4 排氣系統(tǒng)不應(yīng)損壞和錯位 5 傳動系統(tǒng) 懸架系統(tǒng) 包括輪胎 轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)保持良好的調(diào)整狀態(tài)并能正常 工作 各國法規(guī)對比見表 2 1 GB17354 1998 與 ECE R42 基本一致 加拿大最新修訂標(biāo)準(zhǔn) CMVSS 215 June 26 2008 與美國 NHTSA Part 581 October 1 2006 基本一致 表中未 列出 表 2 1 低速碰撞法規(guī)對比 備注 正向撞擊時前后兩次測試位置要求 Y 向 300mm 具體撞擊點任意選取 歐標(biāo)采用圖 2 1 所示擺錘 美標(biāo)采用圖 2 1 及圖 2 2 所示兩種擺錘 高位擺錘旨在考 察防撞橫梁對發(fā)動機(jī)蓋及后蓋的保護(hù)情況 在布置防撞橫梁時 其截面需要高出發(fā)蓋或后 蓋表面一定距離 X 方向極值點 即圖中 L4 值 如圖 2 3 所示 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 3 圖 2 1 低位擺錘 NHTSA PART 581 CMVSS 215 ECE R42 圖 2 2 高位擺錘 NHTSA PART 581 CMVSS 215 圖 2 3 高位擺錘碰撞示意圖 說明 L1 低位擺錘上端與發(fā)蓋距離 L2 高位擺錘上端與發(fā)蓋距離 L3 擺錘下端與防撞橫梁距離 L4 高位擺錘上端與發(fā)蓋實際距離 不含吸能泡沫 若采用低位擺錘 則擺錘上端與發(fā)蓋距離為 L1 L3 若采用高位擺錘 則擺錘上端與發(fā)蓋距離為 L4 高位擺錘與低位擺錘的主要區(qū)別在于高位擺錘上端突出 減小了擺錘與車身之間的距離 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 4 2 1 2 保險協(xié)會試驗規(guī)范簡介 在低速碰撞法規(guī)中 除了上述國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)外還有保險公司的檢測規(guī)范 對比見表 2 2 表 2 2 低速碰撞保險協(xié)會測試規(guī)范對比 表 2 3 低速碰撞保險協(xié)會新增測試內(nèi)容對比 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 5 備注 政府法規(guī)原文中測試高度是地面與擺錘中心線的距離 而保險協(xié)會的模擬保險 杠測試高度是地面與模擬保險杠下端的距離 表 2 3 已經(jīng)轉(zhuǎn)化為地面與模擬保險杠中心的 距離 IIHS 剛性壁障測試是否被模擬保險杠測試取代暫未查到明確文獻(xiàn) 關(guān)于車輛質(zhì)量定義 請查閱其它相關(guān)資料 在此不予贅述 目前各保險協(xié)會的測試標(biāo)準(zhǔn)存在一些差異 在模擬保險杠測試中 主要是模擬保險杠 的離地高度不一樣 IIHS 正碰高度為 457mm 角部 15 重疊偏置碰撞高度為 406 RCAR 前 部正碰高度為 455mm 后部正碰高度一般取 405mm 或者 455mm 其值可以結(jié)合銷售市場來定 RCAR AZT 目前僅實施了前后正碰實驗 而 IIHS 則將 15 重疊偏置碰撞也引入了測試實驗 中 顯然在模擬保險杠測試中 IIHS 較目前 RCAR 的要求高 但在剛性壁障碰撞中 AZT 的 速度卻比 IIHS 高 7 Km h 2 2 高速碰撞法規(guī)要求 在高速碰撞試驗中前防撞橫梁也參與部分吸能作用 特別是在 40 偏置碰撞中把部分 碰撞力傳導(dǎo)到另一側(cè)縱梁 因此 在高速碰撞中前防撞橫梁的設(shè)計也是非常重要的 下面簡單總結(jié)一下各種高速碰撞法規(guī)及非官方檢測規(guī)范的試驗標(biāo)準(zhǔn) 見表 2 4 2 5 表 2 4 高速碰撞法規(guī) 法規(guī)名稱 美國 FMVSS 208 歐洲 ECE R94 中國 CMVDR 294 碰 撞 形 式 1 正面碰撞 剛性壁 2 30 傾角傾斜剛性壁障 40 重疊 可變形壁障 正面碰撞 剛性壁 碰撞速度 48 3 Km h 56 Km h 50Km h 國家強(qiáng)制性法規(guī)檢測的試驗方法有三種 完全正面與剛性壁碰撞 30 角與剛性壁碰 撞 40 偏置與可變形壁障碰撞 除了國家強(qiáng)制法規(guī)外 還有非官方檢測規(guī)范 如 IIHS 各種 NCAP 等 表 2 5 非官方檢測規(guī)范 法規(guī)名稱 IIHS EuroNCAP C NCAP 碰 撞 形 式 40 重疊 ODB 0 40 重疊 ODB 0 1 40 重疊 ODB 0 V1 2 完全重疊 剛性壁 V2 碰撞速度 64 Km h 64 Km h V1 56 Km h V2 50 Km h 在各種試驗規(guī)范中 40 偏置碰撞法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)主要有 C NCAP ECE R94 EuroNCAP IIHS 各法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 ODB 是相同的 因此對前保橫梁的設(shè)置要 求也是相同的 如圖 2 4 所示 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 6 圖 2 4 40 偏置碰撞可變形壁障 第三章 前防撞橫梁的布置設(shè)計 前防撞橫梁的布置需要考慮各種法規(guī)試驗規(guī)范要求 以達(dá)到最大的吸能效果 有效地 保護(hù)車身其它部件 結(jié)合上述各種試驗規(guī)范 前防撞橫梁的布置需要考慮的因素主要有 前防撞橫梁中心 離地高度 前防撞橫梁橫的長度 Y 向 前防撞橫梁距前保蒙皮 冷凝系統(tǒng)等部件的距離 前防撞橫梁距發(fā)動機(jī)蓋前緣距離 前防撞橫梁距大燈表面距離等 3 1 前防撞橫梁離地高度布置要求 碰撞器主要有以下幾種類型 擺錘 模擬保險杠 固定剛性壁障或移動剛性壁障 移 動小車 各種法規(guī)的碰撞器中心離地高度存在差別 具體見表 3 1 由于剛性壁障在高度 方向都比較長 可以不予考慮 在進(jìn)行布置時 在高度方向主要考慮防撞梁是否與擺錘或 模擬保險杠達(dá)到一定的重疊量 表 3 1 各國法規(guī)碰撞器中心離地高度表 碰撞器類型 法規(guī) 碰撞器中心離地高度 mm ECE R42 歐洲 445 高度固定 GB17354 1998 中國 445 高度固定 NHTSA Part581 美國 406 508 高度隨測試位置變化 擺錘 CMVSS 215 加拿大 406 508 高度隨測試位置變化 IIHS 美國 456 任意一側(cè) 507 中心位置 模擬保險杠 RCAR 汽車修理協(xié)會 455 505 根據(jù)銷售市場 結(jié)合其他法規(guī)選取 從上表可以看出 擺錘中心離地高度在 406mm 508mm 范圍內(nèi) 模擬保險杠中心離地高 度在 455mm 507mm 范圍內(nèi) 國標(biāo)及歐標(biāo)各種測試高度保持不變 布置上一般比較好滿足 美國和加拿大標(biāo)準(zhǔn)高度在一定范圍內(nèi)浮動 對布置空間要求明顯增加 汽車修理協(xié)會的模 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 7 擬保險杠高度取值也相對固定 由于實車與數(shù)據(jù)存在一定的誤差 底盤懸架調(diào)校 整車重量誤差 制造誤差等 因此 實際做布置時還需要考慮整車制造誤差 B 平臺制造誤差取 18mm 考慮兩種極限情況 則 北美前防撞橫梁中心線離地高度為 388mm H 526mm 防撞橫梁布置在 457mm 附近比較合 理 歐洲前防撞橫梁中心線離地高度為 427mm H 463mm 防撞橫梁布置在 445mm 附近比 較合理 保險協(xié)會前防撞橫梁中心線離地高度為 437mm H 525mm 防撞橫梁布置在 481mm 附近比較合理 各測試規(guī)范碰撞器中心離地高度見圖 3 1 圖 3 1 各測試規(guī)范碰撞器中心離地高度 已考慮 18mm 誤差 正面偏置碰撞可變形壁障高度設(shè)置見圖 3 2 布置時需將高速碰撞與低速碰撞結(jié)合在 一起考慮 20m30m 試 驗 載 荷 狀 態(tài)下 的 地 面 線 圖 3 2 40 重疊 正碰 ODB 壁障布置高度 下面以圖示的方式對前防撞橫梁的高度布置進(jìn)行相關(guān)說明 圖 3 3 3 5 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 8 圖 3 3 前防撞橫梁的布置 H1 隨測試法規(guī)和測試位置變化而變化 重疊量 H2 一般要求 35 40mm RCAR 建議重疊 量要達(dá)到 75mm 以上 有效重疊量也與供應(yīng)商的設(shè)計能力有關(guān) 目前國內(nèi)防撞橫梁供應(yīng)商普 遍不具備設(shè)計能力 國外供應(yīng)商一般要求重疊量 H2 至少達(dá)到 28mm 以上 H4 值 RCAR 要求 達(dá)到 100mm 以上 一般設(shè)計到 100 120mm 左右 B 平臺制造誤差取 18mm 其它平臺結(jié)合自身車型特點選取合適值 實際校核和設(shè)計過 程中需要將這一因素考慮在內(nèi) 取兩種極限情況進(jìn)行校核 第一種情況是實車的防撞橫梁 中心離地高度比理論值偏高 即整車相對抬高 18mm 校核時需要將擺錘降低 18mm 地面線 和車身數(shù)據(jù)保持不變 3D 數(shù)據(jù)中擺錘中心實際離地高度為 H1 18 mm H1 取法規(guī)中擺錘 的最低位置 由此可見 理論上重疊量減少 18mm 如圖 3 4 所示 第二種情況是實車的 防撞橫梁中心離地高度比理論值偏低 即整車相對降低 18mm 校核時需要將擺錘升高 18mm 地面線和車身數(shù)據(jù)保持不變 3D 數(shù)據(jù)中擺錘中心實際離地高度為 H1 18 mm H1 取 法規(guī)中擺錘的最高位置 如圖 3 5 所示 圖 3 4 極小值擺錘重合度示意圖 圖 3 5 極大值擺錘重合度示意圖 實際情況下 極小值位置容易出現(xiàn)擺錘重合度不夠的問題 在造型和布置允許的前提 下 前期一定要盡量修改局部造型 對于 RCAR 針對有效重疊量特別制定了一套明確的測量方法 有效重疊量要求達(dá)到 75mm 以上 有效重疊量的大小直接影響整個保險杠系統(tǒng)對車輛的保護(hù)效果 具體測量方法 請查閱 Rcar bumper test procedure issue1 2007 H1 擺錘中心離地高度 H2 擺錘與防撞橫梁有效重疊量 H3 擺錘撞擊面高度 114mm H4 防撞橫梁截面高度 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 9 由于重合度受橫梁截面長度 Z 向 銷售市場 法規(guī)測試高度不一致 碰撞器高度 調(diào)整區(qū)間 車輛實驗狀態(tài) 空載 加載等 影響 因此要找出適合所有市場的布置區(qū)間較 難 現(xiàn)以北美市場舉例說明如何布置防撞橫梁截面 Z 向高度 先假定防撞橫梁截面 Z 向高度可做到 110mm 利用 CATIA 草圖繪制功能 在整車坐標(biāo) 下繪制出擺錘 模擬保險杠和 ODB 壁障高度調(diào)整區(qū)間 再根據(jù)最低允許重合度來調(diào)整橫梁 截面布置區(qū)間 該例按照最低重合度 28mm 來布置 從圖 3 6 可以看出 在優(yōu)先滿足擺錘 測試要求前提下 模擬保險杠的重合度最小可達(dá)到 41mm 橫梁截面中心高度在 442mm 472mm 之間布置均可滿足要求 其他法規(guī)碰撞器中心高度基本也在該區(qū)間之類 因 此布置時優(yōu)先在該區(qū)間選取 然后進(jìn)行相關(guān)的法規(guī)校核 再不斷調(diào)整 選取最合適的位置 圖 3 6 北美市場防撞橫梁布置示意圖 由于造型和其他因素的限制 防撞橫梁截面不可能任意加大 進(jìn)氣格柵面積有相應(yīng)的 技術(shù)要求 防撞橫梁高度太高將影響冷凝系統(tǒng)的散熱面積 兩者需要兼顧考慮 3 2 前防撞橫梁距前保蒙皮 發(fā)動機(jī)蓋前緣等部件的距離 在低速碰撞中 前保險杠系統(tǒng)應(yīng)具備最佳的吸能效果 以求最大程度保護(hù)車輛零部件 不受損壞 保證車輛仍能順利行駛到維修或救護(hù)站 保險公司也期望損壞的零件最少 以 降低車輛的維修成本 前大燈局部造型中 一般要求大燈陷入前保險杠里面一定深度 以確保在 30 o 角碰中前保系統(tǒng)有一定的吸能空間 不至于損壞較貴的前大燈 在造型上 要避免所 有信號燈直接暴露在碰撞部位 前防撞橫梁布置的有效空間也是至關(guān)重要的 在前防撞橫 梁的前面需要足夠的空間布置吸能塊 在前防撞橫梁的后面與冷凝器之間需要有足夠的變 形吸能空間 否則將會直接損壞冷凝系統(tǒng) 對這些區(qū)域在前期造型和后期設(shè)計過程中應(yīng)重 點關(guān)注 前期數(shù)據(jù)校核和布置時 分別考察 Y 0 和 30 角位置法規(guī)滿足性 見圖 3 7 圖 3 8 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 10 圖 3 7 Section Y 位置 H0 擺錘中心離地高度 L8 擺錘與前大燈距離 圖 3 8 Section 30 角位置 前大燈 布置參考值可查閱表 3 2 數(shù)據(jù)多來源于 3D 數(shù)據(jù)和拆車測量 僅供參考 表 3 2 布置參考值 不完善 待補(bǔ)充 參考值 經(jīng)驗 值 CAMERY 美標(biāo) YARIS 美標(biāo) JD23A 美標(biāo) JD24A 美標(biāo) JD23S 美標(biāo) JD12A 歐標(biāo) 碰撞器和發(fā)蓋間隙 L7 85 90 185 102 41 93 234 碰撞器和前大燈間隙 L8 70 105 85 68 72 71 146 參考值 S18 S01 S12 S11 GM MATIZ TOTOTA AYGO 碰撞器和發(fā)蓋間隙 L7 碰撞器和前大燈間隙 L8 46 74 80 60 120 H0 碰撞器中心離地高度 L1 吸能塊厚度 L2 前防撞橫梁截面寬度 L3 前防撞橫梁與冷凝器距離 L4 前保蒙皮與中冷器距離 L5 擺錘與小腿保護(hù)梁距離 L6 防撞橫梁截面前端與發(fā)蓋前緣距離 L7 前保蒙皮與發(fā)蓋前沿距離 A 發(fā)蓋前端造型傾角 與行人膝部彎曲角相關(guān) 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 11 在布置防撞橫梁截面時 截面在 X 方向的極值需要高出發(fā)蓋前緣一定距離 圖 3 7 中 L6 值 針對歐標(biāo) ECE R42 4Km h 碰撞速度 要求 L6 10mm 針對北美舊標(biāo)準(zhǔn) NHTSA PART 581 8Km h 碰撞速度 要求 L6 20mm 此值僅供參考 由于車輛和測試裝置的重量不同 需要吸收的能量大小也不盡相同 因此需要 CAE 分析驗證 由于渦輪增壓發(fā)動機(jī)才配備中冷器 并且布置位置比較靠下 一般來講擺錘測試的時 候不會碰到 但剛性壁障測試時會碰到 前防撞橫梁與冷凝器距離 L3 前保蒙皮與中冷器 距離 L4 布置得越大越好 但受我司發(fā)動機(jī)尺寸影響 布置空間比較有限 表 3 3 列出了部 分車型的布置數(shù)據(jù) 僅供參考 表 3 3 冷凝系統(tǒng)布置參考值 不完善 待補(bǔ)充 參考值 經(jīng)驗值 JD23A 防撞橫梁與冷凝器距離 L3 128 前保蒙皮與中冷器距離 L4 179 吸能塊對低速碰撞具有一定的貢獻(xiàn) 從保護(hù)發(fā)動機(jī)蓋的角度來講 吸能泡沫較硬比較 好 但由于對行人保護(hù)的要求越來越高 吸能泡沫和前保蒙皮設(shè)計得偏軟比較有利 吸能 塊厚度 前保蒙皮與發(fā)動機(jī)蓋前沿距離 以及發(fā)動機(jī)蓋前沿的傾斜角度與行人上腿部保護(hù) 息息相關(guān) 前期布置應(yīng)該預(yù)留充足的空間 如圖 3 9 所示 表 3 4 提供了一些參考值 行人上腿彎曲角度 膝關(guān)節(jié)剪切位移及腿部加速度受造型影響較大 法規(guī)具體要求請 查閱行人保護(hù)相關(guān)法規(guī) 同時吸能泡沫采用不同的材料 對這幾個測量值影響也很大 因 此供應(yīng)商介入得越早越好 表 3 4 吸能塊布置空間 加速度限值 保護(hù)部位 布置空間 L1 吸能塊厚度參考 值 Tibia acc 200 g Phase 1 上腿部 45 Tibia acc 170 g Phase 2 Euro NCAP 上腿部 75 圖 3 9 行人腿部碰撞示意圖 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 12 要降低加速度 減少膝部剪切位移和上腿部彎曲角度 需要不斷調(diào)整吸能泡沫的材料 性能 以調(diào)整其壓縮量和吸能比率 同時現(xiàn)在的車型大多都在小腿部位增加一個小腿保護(hù) 梁 防止行人卷入車輛底部造成更大的傷害 見圖 3 10 圖 3 10 雪鐵龍凱旋行人保護(hù)結(jié)構(gòu) 對于 S 平臺的小車來講 30 角位置還需要關(guān)注橫梁與冷凝系統(tǒng)兩側(cè)的距離 B 平臺 車型一般來說此部位空間相對來說較充裕 如圖 3 11 所示 由于橫梁彎曲 散熱器的最左 端離橫梁最近 最好也保持 30mm 左右的間距 受 A 面形狀限制 橫梁和保險杠的間距在接 近側(cè)碰位置時會減小 為了安裝泡沫 此距離不能太小 這和泡沫的厚度有關(guān)系 泡沫的 厚度在 10mm 以下很難生產(chǎn)成型 在 15mm 時可以成型 但泡沫很薄 容易斷裂 影響性能 不能達(dá)到好的吸能效果 所以在設(shè)計時 最好讓此處的間距大于 20mm 圖 3 11 30 角位置橫梁與冷凝系統(tǒng)距離 3 3 前防撞橫梁長度要求 擺捶撞擊 30 角方向 過撞擊切入點與車輛 X 軸向呈 30 角做一直線 要求前防撞橫 梁在 Y 向左右延伸超過所作的直線 100mm 此值偏大 由于造型影響 一般只有 40mm 如 圖 3 12 所示 為了減重 實際長度應(yīng)該根據(jù) CAE 分析進(jìn)行調(diào)整 力求設(shè)計到最短 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 13 圖 3 12 前防撞橫梁長度要求示意圖 為了有效保護(hù)大燈 橫梁前端表面需要高出大燈表面一定距離 理論設(shè)計盡量按此布 置 如果造型上大燈比較靠后 若吸能塊可以滿足要求 就不需要做出類似雅閣的結(jié)構(gòu) 30 角位置額外增加一塊凸出的橫梁 如圖 3 13 所示 圖 3 13 雅閣 30 角碰增強(qiáng)結(jié)構(gòu) 第四章 前防撞橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計 在明確車型需要滿足的市場范圍 確定前防撞橫梁的布置方案后 進(jìn)行前防撞橫梁的 結(jié)構(gòu)設(shè)計 在低速碰撞中 希望前防撞橫梁有充分的變形 最大限度的吸收能量 在 40 偏置碰撞中 希望前防撞橫梁有足夠的強(qiáng)度 盡量多的傳導(dǎo)力到另一側(cè)縱梁上 使左右縱 梁同時變形吸收能量 在某種意義上講 也就是前防撞橫梁的強(qiáng)度設(shè)計 4 1 前防撞橫梁的安裝方式 在發(fā)生低速碰撞時 前防撞橫梁發(fā)生損壞 為了維修方便 前防撞橫梁要求設(shè)計成安 裝件 目前公司已經(jīng)針對前防撞橫梁安裝制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 具體標(biāo)準(zhǔn)請查閱技術(shù)委員會 制定的相關(guān)文件 關(guān)于規(guī)范各設(shè)計院保險杠橫梁安裝方式的通知 同時 盡量將左右安裝 板 左右吸能盒設(shè)計成左右通用件 以降低成本 安裝螺栓焊接于縱梁一端的安裝板上 因此所有螺柱的軸線要求與 X 軸平行 不允許 出現(xiàn)夾角 因出現(xiàn)夾角后總成轉(zhuǎn)配困難 如圖 4 1 所示 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 14 圖 4 1 裝配狀態(tài)示意圖 4 2 前防撞橫梁的工藝分類 前防撞橫梁本體一般采用三種成型工藝 沖壓成型 滾軋成型和壓鑄成型 其中沖壓 包括冷成型和熱成型兩種 也有部分車型采用鋼管梁的形式 還有少量車型采用玻璃鋼等 材料 如圖 4 2 4 6 所示 圖 4 2 沖壓冷成型前防撞橫梁總成結(jié)構(gòu) 1 橫梁本體 2 吸能盒 3 安裝板 圖 4 3 沖壓熱成型前防撞橫梁總成結(jié)構(gòu) 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 15 圖 4 4 滾壓成型前防撞橫梁總成結(jié)構(gòu) 圖 4 5 壓鑄成型前防撞橫梁總成結(jié)構(gòu) 合金材料 圖 4 6 鋼管焊接前防撞橫梁總成結(jié)構(gòu) 長安鈴木雨燕 沖壓成型是由鈑金沖壓后再焊接而成 優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)靈活 可變截面設(shè)計 缺點是材 料利用率低 由多個零件焊接而成 工序多 工裝多 重量較重 高強(qiáng)度鈑金沖壓成型困 難 不利于選用具有高屈服強(qiáng)度的材料 為了解決這個難題 目前一些車型開始采用熱成 型件 熱成型工藝可以成型屈服強(qiáng)度在 1200MPa 以上的材料 由于解決了高強(qiáng)度鋼板沖壓 成型的問題 因此整個前防撞橫梁的結(jié)構(gòu)可以相對簡化 達(dá)到減重和提高強(qiáng)度的雙重要求 但是熱成型件工藝相對冷成型要復(fù)雜得多 投入工裝費用也很高 滾軋成型是由鈑金等截面由滾軋模具滾壓成型 優(yōu)點在于材料利用率高 可設(shè)計成單 個零件 重量輕 可適用于特高強(qiáng)度的鈑金成型 滾軋成型已經(jīng)被越來越廣泛的應(yīng)用 缺 點在于難于實現(xiàn)變截面設(shè)計 各種工藝有著不同的優(yōu)缺點 根據(jù)車型銷售市場和定價 選用合適的工藝 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 16 4 3 前防撞橫梁的截面型式 前防撞橫梁的截面形式多樣 沖壓成型對截面限制較少 可以變截面設(shè)計 熱成型鈑 金型面設(shè)計比冷成型更靈活 可以根據(jù)需要調(diào)整型面 滾壓成型由于等截面的要求 截面 形狀相對規(guī)整 常見的截面形狀如圖 4 7 所示 圖 4 7 滾壓成型截面形狀 一般采用第一種截面形式的比較多 其強(qiáng)度也比較高 因此也被廣泛采用 在保證冷 凝器與前防撞橫梁 前保蒙皮與前防撞橫梁之間的空間足夠的前提下 前防撞橫梁的截面 設(shè)計得越大越好 在 Z 方向的高度不能影響迎風(fēng)面積 在設(shè)計截面大小時可參考樣車的截 面大小 設(shè)計時可初步設(shè)計為 H 120mm B 85mm 根據(jù) CAE 碰撞分析的結(jié)果適當(dāng)調(diào)整截面 高度和寬度 在滿足要求的情況下盡量減小截面 以節(jié)約成本和減重 當(dāng)出現(xiàn)擺錘重合度不夠的情況后 可采用圖 4 8 所示的結(jié)構(gòu) 在橫梁本體下端燒焊擺 錘捕捉板 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 17 圖 4 8 擺錘捕捉板示意圖 B22 Rear Bumper Beam 當(dāng)出現(xiàn)與其他部件干涉的情況時 可考慮滾壓成型后再切除或壓扁干涉部位 如圖 4 9 所示 圖 4 9 干涉處理方法 橫梁本體截面一般設(shè)計成封閉截面 這樣可以大大提高強(qiáng)度 增加吸能比率 表 4 1 4 2 列出了部分車型的橫梁本體截面形式和尺寸 可供參考 表 4 1 B 平臺前防撞橫梁截面 Y 0 Section 車型 B12 B13 B14 B21 B22 B23 截 面 示 意 圖 成型 沖壓 滾壓 滾壓 沖壓 滾壓 沖壓 表 4 2 其它車型前防撞橫梁截面 Y 0 Section 車型 Camry Lexus M11 截 面 示 意 圖 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 18 圖 4 10 4 12 為幾款前防撞橫梁總成 結(jié)構(gòu)可供參考 圖 4 10 熱成熱防撞橫梁 Benter Design 圖 4 11 滾壓成型防撞橫梁 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 19 圖 4 12 壓鑄成型防撞橫梁 Hydro Design 備注 此節(jié)僅列出常見橫梁截面形狀 未對各種截面進(jìn)行對比分析 不同的截面 以 及不同的截面尺寸設(shè)計 其性能存在較大差異 關(guān)于截面分析 請參閱本指南第六章 前 防撞橫梁的 CAE 模擬分析 4 4 前防撞橫梁的軌跡曲線 橫梁 Y 方向引導(dǎo)線主要受外部造型和行人保護(hù)吸能泡沫厚度兩個因素影響 引導(dǎo)線的 設(shè)計的一般思路如下 1 布置好前防撞橫梁中心線高度后 在此高度作一平行于 XY 平面的輔助平面 用 此平面與前保蒙皮相交 得出一條交線 將該交線沿 X 方向偏移足夠距離 吸能塊的厚度 一般可初步設(shè)計為 95mm 吸能塊空間可適當(dāng)減小 根據(jù) CAE 分析不斷調(diào)整 偏移后的 交線與 XZ 平面相交得出交點 A 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 20 2 30 角碰撞區(qū)域吸能塊厚度一般要求不小于 60mm 將擺錘與前保蒙皮的接觸點沿 擺錘撞擊面的法線方向移動 60mm 得到點 B 點 B 有可能不在輔助平面 上 此時需要將 其沿 Z 向投影到該平面上 然后以 XZ 平面鏡像得出點 C 在輔助平面 內(nèi)作一個圓 使 A B C 三點在圓周上 即得出引導(dǎo)線 可適當(dāng)調(diào)整 A B 兩點位置 使圓的半徑盡可能為 整數(shù) 以方便制造 3 根據(jù)選擇好的截面沿引導(dǎo)線掃掠 即可得到橫梁的主體數(shù)據(jù) 注意為滿足 30 角 碰撞 引導(dǎo)線需要延伸超過碰撞點 100mm 實際上由于造型的影響往往很難達(dá)到 100mm 盡 可能做大 備注 對于滾壓或壓鑄件 一般均采用等曲率弧線作為引導(dǎo)線 為了避讓其他部件或 其他需要 后期再采用切除和壓扁等工序作進(jìn)一步加工處理 橫梁中間一段設(shè)計成弧形或 者與 Y 軸平行 誰更有利于碰撞吸能 并沒有確鑿的數(shù)據(jù)可以證明 因此設(shè)計時建議主要 根據(jù)布置空間來定 4 5 吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于低速碰撞要求車身部件發(fā)生碰撞以后可維修 因此前縱梁不允許有大的變形 也 即只允許防撞橫梁和吸能盒發(fā)生變形 這就要求吸能盒的抗載能力低于前縱梁 針對每個 車型 由于前縱梁的截面大小 材料選用以及車身質(zhì)量等因素不一致 因此縱梁抗載能力 存在差別 需要結(jié)合 CAE 對該車型縱梁的抗載能力分析來設(shè)計吸能盒 4 5 1 常見吸能盒結(jié)構(gòu) 吸能盒截面形式多樣 有正方形 長方形 多邊形等 其長度主要結(jié)合整車布置來設(shè) 定 部分車型由于布置的影響 沒有了吸能盒的布置空間 這不利于低速碰撞 因此布置 上要盡量避免出現(xiàn)這種情況 初始設(shè)計截面大小可根據(jù)縱梁截面來確定 后期根據(jù) CAE 分 析結(jié)果調(diào)整材料 料厚以及潰縮引導(dǎo)筋 為了利于壓潰 吸能盒一般設(shè)計成倒金字塔形狀 吸能盒的理想壓潰狀態(tài)如圖 4 13 所示 圖 4 13 吸能盒理想變形模式 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 21 表 4 3 列出了部分車型的吸能盒結(jié)構(gòu)供參考 序號 車型 材料 1 雪鐵龍凱旋 鋁合金 2 本田雅閣 無吸 能盒 3 雷諾新風(fēng)景二代 鋼材 材料信息不詳 通過螺栓與橫梁本 體連接 4 雪佛蘭 科魯茲 鋁合金 5 寶馬 E60 材料信息不詳 通過 螺栓與鋁合金橫梁本 體連接 6 奔馳 Smart 鋼材 材料信息不詳 7 沃爾沃 C70 鋼材 材料信息不詳 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 22 4 5 2 特殊吸能盒結(jié)構(gòu) 新 Audi A6 保險杠由一個鋁制橫梁構(gòu)成 該橫梁通過新開發(fā)的專用安全支架用螺栓固 定在縱梁上 專用安全支架也稱為剪力匣 它在車輛發(fā)生正面碰撞和稍呈對角方向的碰撞 時 通過剪切作用來吸收碰撞能量 在車速不超過 15 Km h 的情況下 專用安全支架可以 防止位于其后的車輛焊接結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p壞 在發(fā)生對角方向的碰撞時 撞擊的能量通過 保險杠的彎曲和變形來吸收 如圖 4 14 4 15 所示 圖 4 14 Audi A6 前碰吸能盒 圖 4 15 Audi A6 And A4 后碰吸能盒 Audi A4 前碰撞吸能盒采用可退縮式結(jié)構(gòu) 具體是采用液壓缸或擠壓式機(jī)械結(jié)構(gòu)還不明 確 如圖 4 16 所示 該結(jié)構(gòu)作用與 A6 相同 在車速不超過 15 Km h 的情況下 該退縮機(jī) 構(gòu)可以防止位于其后的車輛焊接結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p壞 在發(fā)生對角方向的碰撞時 撞擊的能 量通過保險杠的彎曲和變形來吸收 如圖 4 16 圖 4 16 Audi A4 前碰吸能盒 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 23 4 6 拖車鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計 拖車鉤有相應(yīng)法規(guī)要求 77 389 EEC 拖鉤沿車身縱向受拉力或壓力 受力大小要求 最少大于車身滿載重量的一半 拖車鉤安裝套管不超出車身 在牽引過程中 不能對拖鉤 或拖繩造成損壞 結(jié)構(gòu)上要求快速安裝 方便快捷 拖鉤開口尺寸不得小于 25mm 為了盡 量降低防撞橫梁的變形 拖車鉤安裝點設(shè)計時盡量靠近吸能盒一側(cè) 目前多數(shù)車型設(shè)計在 吸能盒位置 前拖車鉤也常設(shè)計在副車架上 與副車架結(jié)構(gòu)有關(guān) 概念數(shù)據(jù)設(shè)計后需要 CAE 分析其強(qiáng)度是否滿足要求 如圖 4 17 所示 現(xiàn)在大多數(shù)車型拖鉤安裝以后 鉤子部位 均位于前保蒙皮以外 因此掛鉤不會與蒙皮干涉 當(dāng)掛鉤位于蒙皮里面以后 需要校核牽 引繩索是否與蒙皮干涉 Y Z 向各 30 表 4 4 列出了其他車型拖鉤布置情況 供參考 加載工況 滿載質(zhì)量的 1 2 目標(biāo)值 F1 0o 壓應(yīng)力 F2 0o 拉應(yīng)力 殘余變形 3mm 拖鉤強(qiáng)度要求 F3 30o 拉應(yīng)力 殘余變形 6mm 圖 4 17 CAE 模擬分析工況 表 4 4 其它車型前拖車鉤結(jié)構(gòu) 車型 M11 B22 B21 B12 B25 圖 片 位置 布置在吸能盒位置 橫梁本體上 副車架上 車型 雪鐵龍凱旋 斯柯達(dá)明銳 奔馳 Smart 雪鐵龍凱旋 圖 片 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 24 位置 橫梁本體上 靠近吸能盒 吸能盒 靠近吸能盒 拖鉤安裝螺紋管優(yōu)先考慮沿用其他車型 螺紋直徑大小根據(jù)車輛重量 參照各平臺其 他車型選取 目前公司大部分車型安裝螺紋管結(jié)構(gòu)不合理 一方面導(dǎo)致螺母焊接易變形 拖車鉤難以擰入 另一方面拖車鉤受力條件不好 容易彎曲 建議后序車型將螺紋孔設(shè)計 成階梯孔 如圖 4 18 所示 在安裝時光孔部位可以用來導(dǎo)向和定位 當(dāng)拖車存在一定角度 時 通過該孔與拖車鉤圓柱體外壁配合 受力情況將得到改善 不會出現(xiàn)從螺紋根部彎曲 的現(xiàn)象 如圖 4 19 所示 圖 4 18 螺紋管結(jié)構(gòu) 圖 4 19 拖車鉤變形情況 第五章 前防撞橫梁的材料定義及減重 前防撞橫梁總成主要由橫梁本體和吸能盒兩部分組成 材料定義沒有明確的規(guī)定 需 要根據(jù)銷售市場 成本以及 CAE 分析來定 在此僅羅列一些車型的 Benchmark 數(shù)據(jù)供參考 5 1 前防撞橫梁材料選用 前防撞橫梁強(qiáng)度 是保險杠設(shè)計中需要關(guān)注的焦點 主橫梁的作用是將任何形式的偏 置碰撞產(chǎn)生的能量 盡可能均勻地分布到兩個吸能元件上 使能量最大限度均勻地被吸能 元件吸收 并將碰撞力均勻傳遞到兩個縱梁 顯而易見 高強(qiáng)度的橫梁更有利于碰撞能量的均勻分布 但在設(shè)計中 不可能通過無 限制增加鋼材厚度達(dá)到增加強(qiáng)度的目的 出于節(jié)油考慮 目前各個汽車生產(chǎn)廠商對整車重 量控制越來越嚴(yán)格 一般情況下 前防撞橫梁的分配重量占整車重量的 0 3 左右 如何找到這個平衡點 需要通過 CAE 計算來決定 在歐洲 橫梁的鋼材普遍使用抗拉 強(qiáng)度高達(dá) 1200 1300MPa 的鋼材 例如大眾保羅 途安前橫梁用的是熱成型 1300MPa 高強(qiáng) 度鋼 根據(jù) CAE 計算結(jié)果 如果用 420MPa 的中等強(qiáng)度鋼等效替代厚度至少要達(dá)到 6mm 其 重量將大大增加 由此可見 為了解決強(qiáng)度和重量的矛盾 高強(qiáng)度鋼在前防撞橫梁中的應(yīng) 用具有非常積極的意義 表 5 1 列出了奇瑞部分車型前防撞橫梁總成的材料定義 可供設(shè) 計參考 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 25 表 5 1 B 平臺部分車型前防撞橫梁總成材料定義 車型 B12 B21 截面 示意 圖 成型工藝 冷沖壓 冷沖壓 目標(biāo)市場 中國 歐洲 中國 歐洲 材料 料厚 1 外板 B340 590DP 1 5 2 內(nèi)板 B340 590DP 2 0 3 加強(qiáng)板 B400 780DP 1 8 4 吸能盒本體 SPHE 1 8 5 橫梁總成安裝板 QSTE420 3 5 1 外板 H340LAD Z 1 8 2 內(nèi)板 H340LAD Z 1 5 3 吸能盒本體 H340LAD Z 3 0 4 橫梁總成安裝板 H340LAD Z 1 8 車型 B13 B14 B22 B23 截面 示意 圖 成型 滾壓 滾壓 滾壓 沖壓 目標(biāo) 市場 中國 歐洲 中國 歐洲 中國 歐洲 中國 歐洲 材料 料厚 1 橫梁本體 B340 590DP 2 0 1 橫梁本體 B340 590DP 2 0 1 橫梁本體 DOC190M 1300Mpa 2 安裝板 HSLA steel 344Mpa 1 外板 H260YD Z 100 2S 1 2 2 內(nèi)板 H260YD Z 100 2S 1 8 3 吸能盒本體 H260YD Z 100 2S 1 5 4 橫梁總成安裝板 B340LA 2 0 5 2 前防撞橫梁減重設(shè)計 前防撞橫梁減重主要從材料厚度入手 由于冷成型的局限性 材料屈服強(qiáng)度越高 成 型越困難 因此選材一般都在 B400 780DP 以下 要提高整個橫梁的性能 往往需要增加加 強(qiáng)板 由內(nèi)板 外板 加強(qiáng)板構(gòu)成封閉截面 由于零件多 因此減重困難 熱成型可以加 工屈服強(qiáng)度更高的材料 在減小材料厚度的情況下 同時可以提升橫梁的性能 滾壓成型 也可以加工屈服強(qiáng)度較高的材料 滾壓成型后通過焊接形成封閉的截面 同樣可以在減薄 料厚的情況下達(dá)到提升橫梁性能的目的 從結(jié)構(gòu)上入手 可以考慮開設(shè)部分減重孔 減重需要 CAE 的分析指導(dǎo) 是個不斷優(yōu)化的過程 在滿足性能的前提下 將料厚調(diào)整 到最佳值 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 26 第六章 前防撞橫梁的 CAE 模擬分析 6 1 典型截面的 CAE 對比分析 CAE 部對幾種常見的保險杠橫梁截面的力學(xué)特性作了對比分析 并結(jié)合車輛輕量化的 要求 對其中一種典型截面參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析 討論了截面形狀和板厚對截面抗彎系數(shù) 的影響 圖 6 1 為幾種常見的保險杠橫梁的截面形狀 其中 a b c 采用沖壓工藝實現(xiàn) d 采 用輥壓工藝實現(xiàn) e 采用壓鑄工藝實現(xiàn) a b c d e 圖 6 1 各種典型的保險杠橫梁截面形狀 圖 6 2 優(yōu)化前的截面 圖 6 3 優(yōu)化后的截面 圖 6 1 中各截面均為對稱結(jié)構(gòu) 截面的參數(shù)如圖 6 2 所示 A 為半截面的高 C 為截面 的寬度 D 為焊接邊的寬度 V1 V2 為內(nèi)板凸起的高度和寬度 一般情況下 參數(shù) A 和 C 受造型 總布置的限制 設(shè)計時這兩個參數(shù)都是確定下來的 在上述的幾種截面中 對應(yīng) 的參數(shù)都相同 取 A 45mm C 45mm D 15mm V1 20mm V2 30mm 板厚 t 1 5mm 應(yīng)用 Hypermesh 軟件中的 Hyperbeam 功能 計算出上述幾種保險杠橫梁截面的截面參數(shù)如 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 27 表 6 1 所示 表 6 1 幾種保險杠橫梁截面的截面參數(shù) a b c d e IZ mm4 100888 194354 185723 150111 182251 ymax mm 28 9286 26 4545 23 9231 23 8636 22 5 WZ mm3 3487 5 7346 71 7763 3 6290 36 8100 03 S mm2 315 495 585 495 540 WZ S mm 11 07 14 84 13 27 12 71 15 00 其中 I Z為繞 z 軸的慣性矩 y max為截面在 y 方向上離形心的最長距離 W Z為抗彎截 面系數(shù) S 為圍成截面的材料的面積 x y z 為過形心的主軸 其中 高度方向為 z 軸 寬度方向為 y 軸 截面關(guān)于 y 軸對稱 W Z S 可以簡單的理解為單位面積上的抗彎截面系數(shù) 從表 6 1 中的數(shù)據(jù)可以看出 截面 e 的抗彎截面系數(shù)最大 但考慮到工藝方面的因素 截面 b 和 c 在實際中的使用要比截面 e 廣泛一些 其中截面 b 的應(yīng)用最為普遍 通過上述的計算分析 可以得到下面的結(jié)論和經(jīng)驗 在相同的布置空間和板厚下 截面 e 的抗彎截面系數(shù)最大 截面 a 最小 因此在設(shè)計 截面時 盡可能的設(shè)計成封閉截面 在實際生產(chǎn)中 由于工藝的簡便性和容易實現(xiàn)輕量化 截面 b 和 c 的應(yīng)用最為廣泛 6 2 前防撞橫梁總成碰撞 CAE 模擬分析 前防撞橫梁的設(shè)計并不是單獨的 它是前保險杠系統(tǒng)設(shè)計的一部分 因此 前防撞橫 梁需要和吸能泡沫結(jié)合在一起考慮 設(shè)計出前保險杠系統(tǒng)最大的吸能效果 最大限度地保 護(hù)照明燈 信號裝置及冷系統(tǒng)等 滿足低速碰撞和行人保護(hù)的法規(guī)要求 要做到這些 需 要 CAE 部門和供應(yīng)商的大力支持和協(xié)作 在此僅對涉及到的相關(guān)問題作一個簡要說明 前保險杠系統(tǒng)滿足法規(guī)設(shè)計中 以加拿大 CMVSS 215 要求最高 其次是 NHTSA Part581 最后是 ECE 42 因此 在針對不同的市場前保險杠系統(tǒng)可以設(shè)計成不一樣 這 樣可以節(jié)省成本 前保險杠系統(tǒng)滿足保險公司規(guī)范設(shè)計中 無論是 Allianz 還是 IIHS 的試驗規(guī)范 都是 以前保險系統(tǒng)最大吸能效果為設(shè)計原則 最大限度保護(hù)車輛其它零部件的損傷程度最小 從而最大限度地減小維修成本 Allianz 是 40 偏置以 16Km h 的速度與剛性壁障碰撞 碰撞后車體不可避免的會產(chǎn)生 變形 涉及到外表件損壞一般會包括 發(fā)動機(jī)蓋 前翼子板 前格柵 前大燈 前霧燈等 發(fā)動機(jī)艙內(nèi)零部件包括 冷凝器 散熱器 布置在縱梁前部的部分發(fā)動機(jī)附件及電器元件 等 參見圖 6 4 所示的 CAE 模擬分析 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 28 圖 6 4 碰撞后發(fā)動機(jī)艙零件的損傷情況 在維修方面 要求發(fā)動機(jī)蓋及前翼子板變形小 維修方便 前大燈及前霧燈等重要電 器元件在車體形變后 電器主體元件不被損壞 這是由電器元件自己結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝點設(shè) 計決定的 另外 發(fā)動機(jī)艙內(nèi)碰撞區(qū)域內(nèi)盡量不要布置貴重的零件 以避免維修費用的提 高 在吸能方面主要考察前保險杠系統(tǒng)及前縱梁的吸能效果 特別是吸能盒充分變形吸收 能量 允許前縱梁的前部發(fā)生部分變形而參與部分能量的吸收 前縱梁變形力求做到最小 吸能盒可以完全壓潰 但不能損傷到前縱梁的主體結(jié)構(gòu) 前防撞橫梁設(shè)計的強(qiáng)度要適當(dāng) 可以使部分能量傳遞到另一側(cè)吸能盒 使其變形而吸收掉部分能量 參見圖 6 5 所示的 CAE 模擬分析 圖 6 5 碰撞后發(fā)動機(jī)艙結(jié)構(gòu)件的變形情況 而 IIHS 的試驗規(guī)范分別是與剛性壁完全正面碰撞及 30 碰撞 與模擬橫梁完全正面 碰撞及 15 重疊碰撞 兩者碰撞形式和速度完全不一樣 但同樣也是以碰撞后的維修成本 為評價準(zhǔn)則 因此 和 Allianz 一樣要求發(fā)動機(jī)蓋 前翼子板 前格柵 前大燈 前霧燈 等重要零部件主體不被損壞 在碰撞區(qū)域內(nèi)盡量不要布置貴重的零件 以避維修費用的提 高 8Km h 完全正面與剛性壁碰撞及 10Km h 完全正面與模擬保險杠碰撞 重點在于提高吸 能塊 前防撞橫梁及吸能盒的吸能效果 前防撞橫梁變形后不可碰到冷凝器 需要較高的 強(qiáng)度要求 同時要求前縱梁一般不產(chǎn)生變形損傷 參見圖 6 6 所示的 CAE 模擬分析 圖 6 6 8Km h 正面剛性壁障碰撞前防撞橫梁變形形式 8Km h 以 30 角與剛性壁碰撞及 15 重疊 5Km h 與模擬保險杠碰撞 重點設(shè)計前保險 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 29 杠系統(tǒng)角部的吸能效果 與擺捶 30 角撞擊試驗一樣 要求前防撞橫梁向左右延伸超過碰 撞區(qū)域 吸能盒在 Y 方向有足夠的強(qiáng)度支撐角部的撞擊力 吸能塊在角部有足夠的厚度吸 收撞擊能量 以免損壞前翼子板 前大燈 前霧燈等重要零部件 前保橫梁并不能完全吸收整個碰撞的能量 理論能量吸收效率一般在 60 左右 能量 主要依靠吸能盒和橫梁的變形來吸收 作用于保險杠的功主要由加載力和變形位移兩個參 數(shù)決定 作用于保險杠的功 W F S 理論能量吸收效率 理論吸收效率 沖擊時車輛動能 允許最大沖擊力 允許最大變型量 理論能量吸收效率一般在 40 65 順普經(jīng)驗值 在前保系統(tǒng)設(shè)計中 考慮行人保護(hù) 往往需要增加下橫梁 習(xí)慣稱作小腿保護(hù)梁 當(dāng) 車輛撞到行人時 同時兩點接觸行人小腿 可減小行人小腿骨折傷害程度 同時也可以更 好的使行人頭部落到發(fā)動機(jī)蓋位置 有利于行人保護(hù)頭部傷害值的通過性 如圖 6 7 6 8 6 9 所示 圖 6 7 車輛撞擊行人過程圖 圖 6 8 車輛與行人小腿兩點接觸圖 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 30 圖 6 9 車輛與行人小腿兩點接觸圖 前防撞橫梁的正確布置 只能保證在現(xiàn)有的造型及車頭布置空間以內(nèi)達(dá)到最好的吸能 效果 而并不能代表一定就能通過法規(guī)試驗 法規(guī)的通過性與車頭部分的造型及車頭布置 空間有非常緊密的關(guān)系 甚至決定了車輛能否順利通過法規(guī)要求 比如 前大燈局部的造型中 一般要求大燈陷入前保險杠里面一定深度 以確保在 30 角碰中前保有一定的吸能空間 不至于損壞前大燈 在造型上 要避免所有信號燈直 接暴露在碰撞部位 前防撞橫梁布置的有效空間也是至關(guān)重要的 在前防撞橫梁的前面需 要足夠的空間布置吸能塊 在前防撞橫梁的后面與冷凝器之間需要有足夠的變形吸能空間 否則將會直接損壞冷卻系統(tǒng) 第七章 前防撞橫梁的設(shè)計趨勢 現(xiàn)在消費者對汽車安全性要求越來越高 各大汽車廠家也不斷將碰撞安全性作為銷售 的賣點 因此將會有更多的消費者在選車時特別關(guān)注車輛的碰撞安全性 鑒于此 我們在 設(shè)計時需要考慮如何提高車輛的碰撞安全性 7 1 高強(qiáng)度材料運用 前防撞橫梁在高速碰撞中能量吸收比率一般在 4 以內(nèi) 雖然所占比例小 但在能量傳 遞過程中起著較大的作用 尤其是偏置碰撞 若橫梁自身強(qiáng)度較高 則可以將更多的能量 分配到縱梁的另一側(cè) 增加吸能部件 以減小乘員艙的變形 提高其強(qiáng)度 目前普遍采用 屈服強(qiáng)度在 1000Mp 以上的高強(qiáng)度鋼板 同時采用封閉的橫梁截面 7 2 保護(hù)系統(tǒng)裝配集成 前端模塊輕量化 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面 為了減小低速碰撞的維修費用和維修方便性 前防撞橫梁均設(shè)計成安 裝件 同時 整個前端零部件向模塊化方向發(fā)展 將前防橫梁與小腿保護(hù)梁集成在一起 如圖 7 1 所示 或者將小腿保護(hù)梁安裝在副車架上 如圖 7 2 所示 設(shè)計指南 編號 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期 2009 06 10 編者 張鋒 楊金秀 版次 00 頁次 31 圖 7 1 前防撞橫梁與小腿保護(hù)梁集成模塊 B22 圖 7 2 小腿保護(hù)梁安裝于副車架上 雪鐵龍凱旋