汽車前防撞橫梁總成設(shè)計指引

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1、汽車前防撞橫梁總成設(shè)計指南 汽車前防撞橫梁總成設(shè)計指南 設(shè)計指南設(shè)計指南 編 號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -1 -前防撞橫梁總成設(shè)計指南前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編 制： 編制： 審核： 審核： 部門批準(zhǔn)： 部門批準(zhǔn)： 技術(shù)委員會批準(zhǔn)： 技術(shù)委員會批準(zhǔn)： 汽車工程研究院汽車工程研究院 車身部車身部設(shè)計指南 設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： --目目 錄錄 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

2、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

3、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 指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -0 -第一章第一章 概述概述 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

4、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。 1.11.1該指南的主要目的該指南的主要目的 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。 1.21.2該指南的主要內(nèi)容該指南的主要內(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

5、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。 第二章第二章 法規(guī)對比分析法規(guī)對比分析 2.12.1低速 碰撞法規(guī)要求低速碰撞法規(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

6、校核和提由要求。 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)。 2.1.12.1.1政府法規(guī)試驗規(guī)范簡介政府法規(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)

7、能持續(xù)正常工作并清晰可見； 2） 發(fā)動機蓋、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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -1 - 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 NH

8、TSA Part 581 —October, 1 2006 基本一致，表中未 列由。 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A 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)動機蓋及后 蓋的保護(hù)情況，在布置防撞橫梁時，其截面需要高由發(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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -2 -圖 2.1 彳氐位擺錘(NHTSA PART 58

9、1、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： 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生， 減小了擺錘與車身之間 的距離。 設(shè)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期：

10、 版次： (00)頁次： -3 - 2.1.22.1.2保險協(xié)會試驗規(guī)范簡介保險協(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)計指南設(shè)計指南 編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -4 -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

11、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

12、 高7 Km/h。 2.22.2高速碰撞法規(guī)要求高速碰撞法規(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/h56 Km/h5

13、0Km/h國家強制性法規(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 IIHSEuroNCAPC-NCAP 碰撞形式 40%重疊，ODB , 0 40%重疊，ODB, 01、40%重疊，ODB, 0°, V1 2、完全 重疊，剛性壁,V2 碰撞速度 64 Km/h64 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、

14、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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -5 -圖2.4 40%偏置碰撞可變形壁障 第三章第三章 前防 撞橫梁的布置設(shè)計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

15、件的距離、 前防撞 橫梁距發(fā)動機蓋前緣距離、前防撞橫梁距大燈表面距離等。 3.13.1前防撞橫梁離地高度布置要求前防撞橫梁離地高 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 o 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

16、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)計指南設(shè)計

17、指南 編 號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -6 -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； HK 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 427mme HK 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 437mme HK 525

18、mm 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 o 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。 200mm 330mm 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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -7 -圖3.3前防撞橫梁的布置 H1隨測試法規(guī)和測試位

19、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

20、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，極小值位置容易由現(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

21、 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 Rear bumper test procedure issuel 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 一防撞橫梁截 面高度設(shè)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -8 -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

22、撞器高度 調(diào)整區(qū)間、車輛實驗狀 態(tài)（空載、加載等）影響，因此要找由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) 下繪制由擺錘、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可以看由，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

23、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。 3.23.2前防撞橫梁距前保蒙皮、發(fā)動機蓋前緣等部件的 距離前防撞橫梁距前保蒙皮、發(fā)動機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 O 前大燈局部造型中

24、，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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次：

25、 -9 -圖3.7 Section Y= 0 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 0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） 85901851024193234 碰撞器和前大燈間隙 （L8 ） 7010585687271146 參考值 S18 （S01） S12S11GM （MAT

26、IZ） TOTOTA （AYGO）碰撞器和發(fā)蓋間隙（L7）碰撞器和前大 燈間隙（L8） 46748060120 H0一 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 一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)計指南設(shè)計指南 編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -10 -在布置防撞橫梁截面時，截面在X方向的極值需要高 由發(fā)蓋前緣一定距離（圖 3.

27、7中L6值），針對歐標(biāo) ECE R42 4Km/h碰撞速度，要求 L6 A 10m3針對北美舊標(biāo)準(zhǔn) NHTSA PART 581 8Km/h 碰撞速度，要求 L6 A 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)動機尺寸影響， 布置空間比較有限。 表3.3列由了部 分車型的布置數(shù)據(jù)，僅供參考。 表3.3冷凝系

28、統(tǒng)布置參考值（不完善，待補充） 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)動機蓋前沿距離，以及發(fā)動 機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

29、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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -11 -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

30、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

31、在設(shè)計時,最好讓此處的間距大于 20mm o 圖3.11 30角位置橫梁與冷凝系統(tǒng)距離 3.33.3前防撞橫 梁長度要求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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -12 -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

32、表面需要高由大燈表面一定距離。 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，就不需要做由類似雅閣的結(jié)構(gòu) (30 角位置額外增加一塊凸生的橫梁) ，如圖3.13所示。 圖3.13雅閣300角碰增強結(jié)構(gòu) 第四章第四章 前防撞 橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計前防撞橫梁結(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。 在莫種意義上講，也就是前防撞橫梁的

33、強度設(shè)計。 4.14.1前防撞橫梁的安裝方式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 由現(xiàn)夾角，因由現(xiàn)夾角后總 成轉(zhuǎn)配困難。 如圖4.1所示。 設(shè)計指南設(shè)計指南編號： 編號：

34、 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -13 -圖4.1裝配狀態(tài)示意圖 4.24.2前防撞橫梁的工藝分 類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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -14 -圖4.4

35、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） 沖壓成型是由鍍金沖壓 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。 高強度鍍金沖壓成型困 難，不利于選用具有高屈服強度 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度在 1200MPa以上的材料， 由于解決了高強度鋼板沖壓 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)到減重和提高強度的雙重要 求。 但是熱成型件工藝相對

36、冷成型要復(fù)雜得多，投入工裝費 用也很高。 滾軋成型是由鍍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 特高強度的鍍金成型。 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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -15 - 4.34.3前防撞橫梁的截面型式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，熱成型鍍 金型面設(shè)計比冷成型更靈活，可 以根

37、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)由現(xiàn)擺錘重合度不夠的情況后，可采

38、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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -16 -圖4.8擺錘捕捉板示意圖(B22 Rear Bumper Beam ) 當(dāng)由現(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度，增加吸能比率。 表4.1、4.2列由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 B12B13B14B21

39、B22B23 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 CamryLexusM11截面示意圖設(shè)計指南 設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -17 -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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -18 -圖4.12壓鑄成型防撞橫梁(Hydro Design ) 備注：

40、此節(jié)僅列由常見橫梁截面形狀，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 一前防撞 橫梁的 CAE模擬分析。 4.44.4前防撞橫梁的軌跡曲線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 B,用 此平面與前保蒙皮相交， 得由一 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

41、調(diào)整），偏移后的交線與XZ平面 相交得由交點 Ao 設(shè)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -19 - 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 B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 由點C,在輔助平面 B內(nèi)作一個圓，使 A、B、C三點在 圓周上，即得由引導(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

42、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。 4.54.5吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計吸能盒結(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

43、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。 4.5.14.5.1常見吸能盒結(jié)構(gòu)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 上要盡量避免由現(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

44、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)計指南設(shè)計指南 編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： （00）頁次： -20 -表4.3列由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雪佛蘭一科魯茲鋁合金 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)計指南設(shè)計指南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次：

45、（00）頁次： -21 - 4.5.24.5.2特殊吸能盒結(jié)構(gòu)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

46、 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 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)計指南設(shè)計指南 編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -22 - 4.64.6拖車鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計拖車鉤結(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

47、力大小要求最少大于車身滿載重量的一半，拖車鉤安裝 套管不超由車身，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 o 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，因此桂鉤不會與蒙皮干涉，當(dāng)桂鉤位于蒙皮里面以 后，需要校核牽 引繩索是否與蒙皮干涉 （Y、Z向各30°） o 表4.4列

48、由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 a =0o壓應(yīng)力 F2 a =0的應(yīng)力 殘余變形 < 3mm拖鉤強度要求 F3 & =30陽 應(yīng)力殘余變形 w6mm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 M11B22B21/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)計指南設(shè)計指 南編號： 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期： 版次： (00)頁次： -23 -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

49、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，不會由現(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 第五章 前防撞橫梁的材料定義及減重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

50、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。 5.15.1前防撞橫梁材料選用前防撞橫梁材料選用 前防 撞橫梁強度，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 強度的目的。 由于節(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

51、防撞橫梁的分配重量占整車重量的 0.3% 左右O 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 度鋼。 根據(jù)CAE計算結(jié)果，如果用420MPa的中等強度鋼等效 替代厚度至少要達(dá)到 6mm,其重量將大大增加。 由此可見，為了解決強度和重量的矛盾，高強度鋼在前防 撞橫梁中的應(yīng) 用具有非常積極的意義。 表5.1列由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)計指南設(shè)計指南編號: 編號： 前防撞橫梁總成設(shè)計指南 編制日期: 版次： (00)頁次： -24